海上风电机组 设计技术分析研究主讲人：田 德

华北电力大学2010 年 4 月 8 日

海上风电发展现状

海上风电机组设计理念

海上风电机组设计技术发展方向

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概要

海上风电发展现状

世界海上风电装机容量

在 2009 年海上风电装机容量继续增长。到 09 年底共有12 个国家建立了海上风电厂，其中 10 个在欧洲，中国和日本有小规模的安装。海上风电总的装机容量占到全球风电总装机量的 1.2% 。

2009 年海上风电新增装机容量 454MW ，主要来自于丹麦、英国、德国、瑞典及中国。 海上风电装机容量的增长速度为 30% ，略低于陆上风场装机的增长速度。

Horns Rev II 总装机容量为 209MW ，是迄今为止最大的海上风场，已经开始在丹麦北部海岸建设。

在欧洲之外，中国已经开始在上海附近安装第一个主要的风场，容量 21MW 。

2009 世界风能报告

欧洲海上风电占比及预测

2008年欧洲海上风电占比 2015年欧洲海上风电占比预测

欧洲海上风电装机容量

欧洲海上风电主要发展阶段 欧洲是全球海上风电发展最快的地区。瑞典于 1990年在 Nogersund 安装了世界上第一台海上风电机组 ,之后 , 无论是海上风电场的建设还是风电机组的研发 ,欧洲都走在世界的前列。

欧洲海上风电的发展历史大致可以分为三个阶段

（ 1 ） 1980—1990 年的研究阶段。欧洲各国开始大范围的海上风能资源评估并开展相关的技术研究。（ 2 ） 1991—2000 年的试验阶段。该阶段主要进行小规模的项目研究试验和示范工作 , 研制 500 ～ 600 kW级的风电机组。（ 3 ） 2001 年以后的商业化阶段。开始兴建大中型海上风电场 , 并研发利用兆瓦级的风电机组。

欧洲各国海上风电发展历程

我国海上风电发展现状

上海东海大桥风电场

我国发展海上风电的利与弊优势

（ 1 ）我国近海风能资源丰富。

（ 2 ）发展起点高、 速度快。

（ 3 ）国家政策的大力扶持。

困难

（ 1 ）近海风能资源调查不够。

（ 2 ）产业和技术的发展相对落后。

（ 3 ）自主研发力量严重不足。

（ 4 ）电网制约。

海上风电机组

设计理念

风电机组方式选择额定功率

风轮直径

叶片数目

风轮转速

轮毂高度

基础

驱动结构

1. 直驱或齿轮箱

2. 增速比

3. 发电机型号和数目

4. 驱动链支撑的机械设计

功率链配置

支撑结构选择

重力式 单基桩 多桩式

随着水深的增加

浮式

导管架式 吸力式

支撑结构选择：水深的影响

重力式 吸筒式 单桩式

侧面载荷传递 三脚架 夹克式

可能的基础强化方案

简单的三或四桩式 复杂的三桩式

子结构

桩柱

基础

平台

水平面

桩（单桩）

海地面

海床

支撑结构：子系统和说明

支撑结构：重力式基础

(1) 基于重力传递载荷

(2) 混凝土将重力传递到安装位置

支撑结构：单桩基础方式（ 1 ）侧面载荷传递到土壤上

（ 2 ）钻孔打桩

（ 3 ）当今最流行的方式

支撑结构：托架支撑方式

支撑结构：可能的软基础方案

由两个锚拉住 由吸桩锚拉紧 靠基础重力固定

设计载荷计算风电机组部件设计取决于疲劳和极端载荷-疲劳破坏源自不间断的外界风载荷和波浪载荷-极端载荷来自不常见的极端工况：阵风，巨型波浪，风电机组故障GH与国际设计标准紧密结合定义设计载荷工况1 、 DNV-OS-J1012 、 IEC61400-3 （ PART 3: Design requirements for offshore wind turbines ）

海上风电载荷计算

与陆上风电机组相同，海上风力发电机组也是正常载荷工况、极端载荷工况、特殊载荷工况及运输载荷工况，所不同之处在于，在陆地风机载荷工况基础上多加了海上特定的海波工况载荷 [5]。3.1正常载荷工况 如表一定义如下： N1.0与陆上风机具有相同的定义，

载荷等于海波载荷与风载荷之和； N1.1、 N1.2、 N 1.3、N1.4、 N1.5为运行工况发生变化时，加上海波载荷突减的情况。 N2.0正常启动时的风载荷加海波载荷的情况， N2.1阵风启动时，海波载荷突减的情况。特别是规定了机组正常运行温度发生变化时的海波载荷突减的工况。

海上风电机组载荷计算

载 荷工 况

海上风机载荷工况

陆 地 风 机载 荷 工 况

海上风机载荷工况的定义

正常载荷工况

N1.0 DLC1.1~1.2+ 基本发电状态下，以风速为 Vref 和 Vout 时，及风速为 Vin 和 Vout

之间时，在正常的外部条件下在结构上所产生的最高载荷。假设海风的速度等于平均风速。

N1.1 DLC1.1~1.2+ 正常运行阵风时 ，突减的海波载荷。

N1.2 DLC 1.1~1.2+ 风向正常变化时，突减的海波载荷。

N1.3 DLC1.1~1.2+ 并网失败及 / 或载荷的损耗下，突减的海波载荷。

N1.4 DLC1.1~1.2+ 温度变化效应下，突减的海波载荷。

N1.5 DLC1.1~1.2+ 出现 1 年的极端海波时，突减的海波载荷。

N2.0 DLC 3.1 风速为 Vin ， Vref 和 Vo时，在正常的外部条件下，基本启动过程状态下的载荷。假设海风的速度等于平均风速。

N2.1 DLC 3.1+ 正常运行阵风的启动时 ，突减的海波载荷。

N3.0 DLC 4.1+ 风速为 vI ， vR 和 vO时，在正常的外部情况之下，基本停机工况状态下的载荷。假设海风的速度等于平均风速。

N3.1 DLC1.1~1.2+ 正常运行阵风时 ，突减的海波载荷。

N4.0 DLC 1.1~1.2 风速达到 VJ时，在正常外部条件下，基本可承受的条件时的载荷。假设海风的速度等于平均风速。

N4.1 DLC 1.9+ 一年一度的阵风的出现时，突减的海波载荷。

N4.2 DLC 1.8+ 风斜入射时，突减的海波载荷。

N4.3 DLC1.1~1.2+ 温度变化效应下，突减的海波载荷。

N4.4 DLC1.1~1.2+ 出现 1 年的极端海波时，突减的海波载荷。

海上与陆地风电机组正常载荷工况对比

海上风机与陆地风机极端载荷工况对比

载 荷工 况

海上风机载荷工况

陆 上 风 机载 荷 工 况

海上风机载荷工况的定义

极端载荷工况

E1.0 DLC1.1~1.2 基本发电状态下，以风速为 vR 和 vO时，及风速为 vI 和 VO之间时，在正常的外部条件下在结构上所产生的最高载荷。假设海风的速度等于平均风速

E1.1 DLC 1.3 、 1.7 ～ 1.9

考虑到风向和偏航角极端变化下，极端阵风运行时的载荷。

E1.2 DLC 1.3+ 、 1.7～

1.9+

在转子的清扫区域极限风速倾斜下，突减的海波载荷。

E1.3 DLC 6.1+ 来自于用户的极端影响下，突减的海波载荷。

E1.4 DLC1.1~1.2+ 功率输出时中的冰载荷下，突减的海波载荷。

E1.5 DLC 1.5~1.6 额定平均风速极端海浪出现下，突减的海波载荷。

E1.6 50 年一遇的海冰载荷。

E2.0 DLC 1.6+ 承受 50年一遇的风速时的基本状态的载荷，假定海洋状态在 50年内是可以还原的。

E2.1 DLC1.6+1.8+ 50年不遇的阵风及风向的急剧变化 . 并网失败将导致更多不利条件时的载荷 . 在横轴下，假设平均风向沿着 OWECS轴线 . 即 , 风斜入射时，突减的海波载荷。

E2.2 DLC1.1~1.2+ 在 50年不遇极端海波下，突减的阵风载荷。

E2.3 DLC 1.3+ 冰负荷及风向的急剧变化下，突变的海波载荷。

E2.4 DLC1.1~-1.2+ 50年不遇的海冰载荷。

载 荷工 况

海上风机载荷工况

陆 上 风 机载 荷 工 况

海上风机载荷工况的定义

特殊载荷工况

S1.0 DLC 1.1~1.2+

基本发电状态下以风速为 vR 和 vO时，加上风速为 vI 和 VO之间时，在正常的外部条件下在结构上所产生的最高载荷。假设海风的速度等于平均风速 , 海波高度为有效海波高度。

S1.1 DLC 5.1 紧急停车。S1.2 DLC 6.1

6.2电力系统内部故障。

S1.3 DLC 2.2 2.1

控制系统的故障。

S1.4 DLC 2.3 安全系统及制动系统故障。S1.5 地震。S2.0 DLC1.1~1

.9+7.1+

基本状态 : 发生故障的状态及年平均风量，海风风速等于平均风速。

S2.1 DLC 1.5+ 每年产生的阵风下，突减的海波载荷。S2.2 DLC-ALL 出现极端海浪时，突减的阵风。

海上风电机组特殊载荷工况

海上风电机组设计技术发展方向

较长设计寿命

海上风资源品质优良，可以设计寿命较长的风电机组

最佳经济比

风电场初装成本比较

因为基础所占费用较高，所以应选择最佳经济比

浮式基础

探索在深海地区建立浮式基础的风电机组

防腐蚀、防盐雾

风电机组在海上运行，所以防盐雾和腐蚀成为一个必须解决的问题

减少维护成本集成各种高新技术，减少运行维护次数，降低风电机组运行维护成本

经济性分析研究

海上风电运营成本结构 陆上风电运营成本结构

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