2024年海上风力发电关键技术的探索与实践报告

单位：湖南大学/海上风力发电装备与风能高效利用全国重点实验室 汇报人：黄守道教授/主任 汇报目录 01海上风电发展现状与趋势 02大功率海上风力发电装备技术 03大规模集群优化控制与智能管理技术 能源攸关国计民生和国家安全 风电是我国新型能源体系的重要组成部分，对保障能源安全至关重要 背景及意义 2024年前三季度，我国各类电源发电量 至2060年，未来预计 清华大学碳中和研究院： 2060年的风、光发电量将达到95000亿千瓦时，是当前的7倍以上 预计到2060年，风电和光伏的装机总量将超过60亿干瓦，占所有电源总装机量的83% 风电自前在我国新能源发电量中占比第一，并将持续快速发展 资料来源：国家能源局、中国电力企业联合会、中国可再生能源学会风能专业委员会（CWEA）、工程院院士报告、清华大学碳中和报告等 我国风电累计装机连续14年稳居全球第一，2023年新增装机全球占比65.8% 海上风电累计装机2021年登顶全球第一，2023年新增装机全球占比高达58.3% 6.3GW全球新增10.8GW，我国占比58.3% 但自前开发的风资源仅占我国海上可开发风能总量的1.68%，开发潜力巨大 海上风电发展趋势 金风科技16MW海上风电机组并网运行东方电气18兆瓦直驱海上风电机组在福清市下线明阳智能MySE18.X-20MW海上风电机组在汕尾市下线 阳江青洲海上风电项目在建装机容量300万千瓦广西北部湾海上风电基地总规划装机容量2350万千瓦 中国海油牵头研制的“海油观润号”深远海漂浮式风电井网发电海南万宁百万干瓦漂浮式海上风电试验项目处于核准阶段 浙江舟山六横清洁能源岛布局海上风能、光伏、氢能、潮流能等清洁能源产业 海上风电朝大型化、规模化、深远海、多能多用途融合四大方向发展 近10年，国内海上风电机组平均容量提升2倍以上 趋势一：大型化 国内风电机组送代速度加快，大型化趋势明显 2023年，中国陆上风电机组平均单机容量达到5.4MW，相比2013年增长3.1倍，最大单机容量达到11MW；中国海上风电机组平均单机容量达到9.6MW.相比2013年增长5.1倍，最大单机容量达到16MW： 根据国际可再生能源署（IRENA）数据2023年风机大型化已为陆上风电和海上风电降低了大约80%和70%的成本，未来将贡献更大的成本下降空间，风电经济性将进一步提升 风机大型化将加速风电成本优化 趋势二：深远海 海上风电资源开发逐渐由近及远，由浅至深 我国已核准的海上风电项自以离岸距离小于50公里的近海项自为主 ◆我国风电场平均离岸距离由2016年的14.2公里遂渐增加到50公里，水深由30米增加至50米 汕头中澎二海上风电场项目，场址中心离岸距离95公里，水深范围30至50米是我国目前离岸距离最远、水深最深的海上风电场项目，计划于2024年9月22日建成投产全球离岸最远的在建海上风电场DoggerBank，位于英国北海，离岸130公里 资料来源：自然资源部，广东省发改委，上海市发改委，国务院，国家能源局，国海证券研究所 趋势三：规模化 趋势三：规模化 根据国家能源局统计，在政策指引和上网电价补贴的促进下，国内海风装机量自2017年首次突破GW级体量，2018-2020年逐年增长，2020年累计海风装机并网达9GW，超额完成“十三五”5GW并网目标。2022年起我国新增海上风电项目不再享受国家补贴，2021-2022年合计海风新增装机并网量为20.97GW。2023年海风新增并网量为6.8GW，同比增长67.8%。2024年海风新增装机有望井网超10GW。 趋势四：多能多用途融合多能融合能源岛规划建设 丹麦北海能源岛：在北海距日德兰半岛约50英里的海域一个人工岛正在建设中，这将是世界上第一座能源岛。到2030年至少有3吉瓦的海上风电连接到丹麦和荷兰，长期容量将达到10吉瓦的海上风电 波罗的海能源岛：将波罗的海南部的伯恩霍尔姆岛打造成第二个能源岛，容量为2吉瓦，将为丹麦和周边的欧洲国家生产绿色电力 折江舟山六横：确立了打造“海上能源岛”的产业发展定位，井谋划布局LNG、海上风电、光伏发电、氢能等清洁能源产业，已具备了较好的产业基础和发展前景 山东省：在技术、市场、政策多轮驱动下，山东正在联合国内头部能源企业，打造“风光储”一体化的智慧能源岛，加快构建新能源消纳体系 趋势四：多能多用途融合 全球首个海上风电海水无淡化原位直接电解制氢海试成功 谢和平院士团队与东方电气集团联合设计研制了1.2Nm3/h海上可再生能源海水无淡化原位直接电解制氢漂浮平台，在福建省兴化湾3-8级大风、0.3-0.9米海浪于扰下，首次与海上风电直接对接，连续稳定运行10关，海水杂质离子阻隔率高送99.99%以上，制氢纯度送到99.9%99.99%，首次构建了与再生能源相结合的一体化海水直接制氢全新模式 我国自主研制的386L/hH2原理样机在深圳湾海水中稳定制氢超3200小时，完美破解了海水电解制氢领域的半世纪难题，实现了把取之不尽的海水当纯水一样直接用于电解制氢。该技术被评为2022年中国科学十大进展 汇报目录 01海上风电发展现状与趋势 02大功率海上风力发电装备技术 03大规模集群优化控制与智能管理技术 04风能高效利用理论与多能源高度融合 05总结 重大需求 重大问题1：提升我国大功率海上风电装备设计理论与技术水平 大功率海上风力发电装备技术 超大功率海上风力发电装备设计存在诸多难题尚未攻克 大功率海上风力发电装备技术 大功率海上风力发电装备技术 VX型一基双机海上新型大容量漂浮式风力发电技术 提出适用于深远海的新型叶片设计方法、双叶轮高效气动设计方案提出风能捕获-机械能传动高效能量链设计方案 大功率海上风力发电装备技术 VX型一基双机海上新型大容量漂浮式风力发电技术 提出分布式模块化风电机组组装技术，进一步降低制造成本，提出重心可调的支撑结构轻量化低成本设计方案 分布式模块化风电机组 轻量化低成本设计 半直驱一体化机舱设计单点系泊被动偏航，取消主动偏航系统 多模块小功率量级风电系统分布式高可靠发电 制造成本降低，机舱重量大幅减轻，机组重心可调 2022年国家重点研发计划“20兆瓦级海上新型风力发电实现机理及关键技术课题二：VX型一基双机海上漂浮式风电机组平台、整机、部件一体化设计 大功率海上风力发电装备技术 新型n*3相多绕组模块化永磁风力发电机组 发明一种新型n*3相多绕组模块化永磁风力发电机变流拓扑提出分数槽集中绕组+隔离磁障的新型模块化定子结构 有效避免故障扩散，显著提升机组容错性和可靠性 相关成果荣获2022年教育部科技进步一等奖：大型风电机组提升服设性能关键技术及应用 大功率海上风力发电装备技术 高可靠性高效高承载传动链系统设计技术 大功率永磁发电机技术 高容错变流器技术传动链智能反演优化设计技术高承载高容错传动链设计技术 隶属于2019年国家重点研发计划项目“面向深远海的大功率海上风电机组及关键部件设计（2019YFB1503702） 从设计层面实现深远海风机传动链的高可靠高效运行 2019年国家重点研发计划“面向深远海的大功率海上风电机组及关键部件设计课题二：高可靠性高效高承载传动链系统设计技术及高精度制造工艺研发 汇报目录 01海上风电发展现状与趋势 02大功率海上风力发电装备技术 03大规模集群优化控制与智能管理技术 04风能高效利用理论与多能源高度融合05总结 重大需求 重大问题2：突破大规模海上风电场集群的优化控制理论与与技术研究 大规模集群优化控制与智能管理 风电机群全寿命周期健康预测与管理方法不完善 大规模集群优化控制与智能管理技术驱待提升 大规模集群优化控制与智能管理 尾流效应下大规模海上风电机组群协调动态控制 提出一种大规模风电场集群串井联拓扑，并对风电场的配置进行完善建立适用于秒级快速优化控制的风电机组群尾流时空工程模型提出计及尾流时空特性的大规模风电机组群多机协调快速动态优化控制方法 提升海上风电机组群的发电效率，降低机组群疲劳载荷 2022年国家级高层次人才项目资助“计及尾流时空多维度特性的海上风电机组群协调动态优化控制方法研究” 大规模集群优化控制与智能管理 风电机群服役全周期质量评估与调控 提出基于质量指数的机群全局服役效能综合评估技术 研制大规模风电机群服质量数字季生系统提出风电机群全周期服质量动态调控 提升风电机组群服役质量和运维决策优化水平 2022年国家重点研发计划"风电机群服役全周期质量评估与调控技术研究（2022YFF0608700)2016年国家重点研发计划"重大复杂电机系统服役质量检测监测及维护质量控制技术研究”（2016YFF0203400）（优秀结题） 大规模集群优化控制与智能管理 基于人工智能的深远海风电机组状态评估与故障预警 建立一种新型数据分类模型，为异常状态风机数据与正常状态数据进行分类提出一种深远海风电机组故障诊断模型，以小样本数据对深远海风电机组进行故障诊断提出一种新型数据融合方法，构建数据整合框架 建立多数据融合框架，对深远海风电机组进行状态评估建立基于异常数据的深远海风电机组故障诊断模型，实现故障预警 2022年国家重点研发计划"风电机群服役全周期质量评估与调控技术研究（2022YFF0608700） 汇报目录 01海上风电发展现状与趋势 02大功率海上风力发电装备技术 03大规模集群优化控制与智能管理技术 04风能高效利用理论与多能源高度融合 05总结 重大需求 以风能为主体的海上能源综合高效利用是世界能源技术发展的制高点 重大问题3：开展以海上风能为主体，包括太阳能、氢能、波浪能等多能融合与高效利用前瞻性理论与技术研究 风能高效利用理论与多能源高度融合 基于液氢冷却的超导风力发电制氢一体化平台 海上漂浮平台、超导电机、液氢冷却系统、液氢制备一体化系统、液氢储运系统 技术理念 超导电机的应用极大提高了风力发电的效率，同时平台生产的低温液氢为超导电机提供低温环境风力发电平台与集成系统结合，实现高效“电一氢”转化，提高风能利用率低温液氧是大规模储运的有效方式，有效解决深远海电能消纳、储存及远距离电能输送等问题 实现海上风电的多用途利用和多能源系统集成，提升能源利用效率 风能高效利用理论与多能源高度融合 海洋全景数据感知技术 研究面向海洋全方位综合感知的一体化通信网络架构构建海洋全方位综合感知平台 为海洋能源多能融合利用提供基础数据和信息支持 风能高效利用理论与多能源高度融合 海洋风电与牧场的结合 设计一种导管架基础与养殖网衣共结构融合方案 研究固定式单桩海上风机基础融合钢结构海洋牧场的新型海上风渔融合结构 可根据浮式基础下部的空间型式设计风渔结合一体化综合支撑平台 充分利用海上风电支撑基础结构，将海上风电与海洋牧场融合利用发展形成多功能综合平台，高效开发海洋资源 风能高效利用理论与多能源高度融合 海上风电-油气、矿业融合开采技术 构建海上浮式系统：在油气开发区建设微电网，形成海上新能源与油气、矿业开发的耦合利用基地将深水开发、钻井技术等油气浮式平台技术应用到深水浮式风电建设，同时利用海上风电为海上油气、矿业开采平台供能 开发海上风电多用途利用集成系统，支持油气矿业开采，同时实现海上风电就地消纳 风能高效利用理论与多能源高度融合 新型阵列式高空风力发电系统关键技术 平台构成 技术理念 系留飞艇式高空风力发电系统关键技术及装备阵列式高空风力发电系统综合协调优化控制技术覆盖高低空、海面及水下的深远海立体式多种能源综合发电系统高空风力发电、海上漂浮式风电、洋流能、波浪能发电等多种能源协同融合技术，为电解海水制氢提供充足的电能 实现深远海多种能量的综合利用与转换并实现电能就地消纳 汇报目录 01海上风