浅析海上风电项目机组选型要求

国内海上风电机组制造技术日趋成熟，针对不同区域风能资源条件，各机组制造厂家已开发出不同结构型式和控制调节方式的风电机组，并进入了商业运行阶段。根据场址风能资源条件和风况特征及海上的特殊水文气象条件，选择更优的机组型式是海上风电项目建设必经之路。本文主要阐述了海上机组选型需考虑的主要原则、认证、设计、运输安装与运维及技术经济性评价等方面的基本要求。

（作者单位 ：詹海宁，邳帅，齐博，朱永飞 ：中海油能源发展股份有限公司清洁能源分公司 ；杨金宝，张文平，高松玉 ：金风科技股份有限公司）

机组选型原则 

海上风电机组的选型一般遵循安全、可靠、经济、适用、 易维护等基本原则。

 一、遵循安全性，符合安全等级要求原则 

风电机组应先满足一定的安全等级要求，根据项目场 区的年平均风速、50 年一遇最大风速 /50 年一遇极大风速、湍流强度参数，确定场区的 IEC 类型，进而初步选取适用于对应风区类型的风电机组。IEC 关于风区类型的定义如表 1 所示。

二、遵循可靠性原则

选择风电机组时应考虑其运行的可靠性，包括电能质量、对电网的要求、对运行环境适应性及可用率保证等方面。根据《风电场接入电力系统技术规定》（GB/T19963—2011）、《风电机组并网监测管理暂行办法》（国家能源局〔2010〕433 号）、《关于加强风电安全工作的意见》（国家电监会〔2012〕）等的规定，风电机组应具备低电压穿越能力和必要的高电压穿越能力 ；具备有功功率控制能力，接收并自动执行电网调度部门发出的有功功率控制信号，以保证电力系统稳定性 ；在不同的输出功率时，其功率因数应在 -0.95 ～ +0.95 变化范围内可控 ；具有自动电压调节能力的动态无功补偿装置，补偿容量以接入系统批复为准，其调节范围和响应速度应满足并网点电压调节的要求。

三、遵循气候适应原则

根据特殊气候选择机组，需考虑各种气候因素（如高温、低温、台风、雷暴等）、水文等对风电机组安全的影响。根据风电场的气候环境情况，选择适用的具有特殊适应性的风电机组，如海上风电机组需要具备抗潮湿、防盐雾腐蚀等特性，在台风多发区域需要具备抗台风特性，在雷暴多发区域需要具有适当防雷保护。同时，根据项目的温度范围选择对应的常温型或低温型风电机组。常见机组类型适用条件如下 ：

常温型机组适用条件为运行温度范围 ：-20℃～ +40℃，生存温度范围 ：-30℃～ +50℃。

低温型机组适用条件为运行温度范围 ：-30℃～ +40℃，生存温度范围 ：-40℃～ +50℃。

抗台型机组适用条件为 10min 最大风速 ：57m/s，3s 极大风速 ：79.8m/s。

四、遵循易维护性原则

海上风电场运行环境复杂，运行维护较陆上风电场难度大、费用高，特别是海况恶劣时，维修人员难以到达，故障较难排除。因此，风电机组除应具备较高的可靠性外，也应具备易维护性。

五、遵循经济性原则

风电机组选型应从风电场全生命周期成本收益角度考虑，实现整体效益的最大化。根据场区特征，采用不同机型进行排布设计，计算优选发电量最高、工程造价最低、度电成本最低的机组。

六、遵循的其他原则

除以上选型原则外，影响机组选型的运输、安装条件特殊要求，基础和施工等配套技术能力要求，单机容量大型化要求，工程进度保证要求等方面，在机组选型中同样应予以考虑。

认证要求 

我国风电行业已建立起相对比较完善的风电整机装备 及部件认证体系，风电机组整机装备及部件的认证逐步成 为保证风电产业健康发展的重要管理手段和方法。目前， 风电领域的认证范围包括 ：

一、设计认证

通过设计评估、场地试车（安全及功能试验）和生产

质量控制审核等，对新型号的风电机组与标准 / 规范的符合

性进行评价。机组选型时，应选择获得行业专业机构设计

认证证书的机型。

二、型式认证

2014 年 9 月，国家能源局印发《关于规范风电设备市

场秩序有关要求的通知》（国能新能〔2014〕412 号），明

确提出风电行业要“加强检测认证确保风电设备质量”。文

件规定，接入公共电网的风电机组及其风轮叶片、齿轮箱、

发电机、变流器、控制器和轴承等关键零部件必须进行型

式认证。机组选型时，需要确认机型具备相应的机组型式

认证证书。

三、项目认证

评估已通过型式认证的风电机组和对应的塔基设计是否能与外界条件、可适用的构造物和电力参数相适应，以及是否满足与指定场地有关的其他要求。项目认证应评估场地的风能资源条件、其他环境条件、电网条件及土壤特性是否与定型风电机组设计文件和塔基设计文件中确定的参数相一致。因此，机组选型时，应选择经过项目认证的机型。

设计要求

一、机组选型设计要求

遵循机组选型原则，首先应确定机组的安全等级，结合风能资源进行机组适应性分析，确定市场主流机型及风电机组容量范围，再按照不同机型方案进行风电机组机位及海缆路由布置。机型选择包括以下内容 ：

（1）比较特征参数、结构特点、塔架形式、功率曲线和控制方式。

（2）根据充分利用风电场海域和减小风电机组间相互影响的原则，对各机型方案机组进行初步布置，计算各机组的年发电量。

（3）初步估算各机型方案风电机组及相关配套投资、运行费用。

（4）通过技术经济比较提出推荐机型。

二、机组结构设计载荷工况要求

海上风电机组的设计应满足 IEC 61400 系列规范中关于风电机组的基本设计要求，并重点对在机组全生命周期内威胁到结构完整性、安全性的各种设计载荷工况予以周全考虑，包括重力和惯性载荷、空气动力载荷、驱动载荷、水动力载荷、海冰载荷、尾流载荷、船舶冲击载荷、涡激振动等。应将具有合理发生概率的各相关载荷工况与控制系统动作结合在一起考虑。

三、机组电力系统选型设计要求

海上风电机组接入集电线路的电压等级目前一般有35kV 和 66kV 两种，据此可选择单台机组配套升压设备的电压等级。海上风电机组需具备一定的无功补偿功能，且应满足功率因数在超前0.95到滞后0.95的范围内动态可调。

四、机组运行设计要求

风电机组应具有低电压和高电压穿越能力。风电场运行适应性应符合下列规定 ：

（1）风电场并网点电压在标称电压的 0.9 ～ 1.1 倍额定电压范围（含边界值）内时，风电机组应能够正常运行。

（2） 电 力 系 统 频 率 在 49.5 ～ 50.2Hz 范 围（ 含 边界 值 ） 内 时， 机 组 应 能 够 正 常 运 行 ；电 力 系 统 频 率 在48 ～ 49.5Hz 范围（含 48Hz）内时，机组应能够不脱网运行 30min。

运输安装要求

海上风电机组运输包括陆运、陆转海和海运三个阶段。

海上风电机组选型需要充分考虑满足风电项目场址的交通运输条件，包括道路、车辆、码头、船舶等。随着海上风电机组单机容量不断增大，机组重量和体积不断攀升，对运输高度、地面承载力、运输坡度、运输稳性、码头吊装能力和水深、船舶甲板面积等不断提出新的要求。因此，机组选型时要确定海上风电机组及部件的运输模式，一般有整机商码头交货、整机商机位点交货两种。选择码头交货时，还应考虑机组部件尺寸和重量对海上运输船运输能力和方式的要求，如船舶甲板上塔架立式、叶片叠放等运输方式。

对于海上风电机组的安装，要充分考虑海上项目的不同海况、作业环境、船机资源和码头资源等条件，要求海上风电机组具备整体安装或分体安装的工艺和装备。整体安装分为整体吊装和整体拖航安装，具有对运输船和安装船的施工能力要求高、工装工艺复杂、对组装场地要求高、适合于短距离运输等特点。目前，行业中使用整体安装的较少。分体安装为海上风电机组常用的安装方式，是先将风电机组的各个部件由制造厂家运输至装配基地进行模块化组装，再将各个部件和组件运输至海上风电场进行顺序安装。分体安装最大的优点是对安装船的起重能力要求相对较低，可以充分利用市场上的安装船舶资源，但海上安装效率会比整体安装低。分体安装分为三种方式 ：三叶式安装、兔耳式安装和单叶式安装。随着海上风电机组叶片尺寸越来越大，从成本、安装船性能要求及吊装安全可靠性方面考虑，水平单叶式吊装方式将是未来大容量海上风电机组的主流安装方式。

运维要求

海上风电机组运维需要高可靠性保障。对于部分关键部件和故障高发的组件，应采用双备份冗余设计，如变流器冗余设计多套变流器模块可独立运行、机械式 + 超声波风速风向仪、变桨通讯及偏航电机冗余设计等 ；或采用模块化设计、多回路设计等，增加发电的可靠性，减少故障引发的停机时间。

在机组维护周期方面，需要考虑海上风电机组的长周期维护。海上风电机组的计划性年度维护周期从传统的一年一次，通过可靠性设计和设备性能提升等，形成两年或三年一次。

技术经济性比选要求

海上风电项目的建设条件更为复杂，投资风险较高，应综合考虑投资条件、机组产品竞争力水平、建设条件等开展项目综合评价，实现项目优劣比选，判定项目的技术经济可行性。海上风电项目技术经济评价应按照定量分析与定性分析相结合，动态分析与静态分析相结合，以定量分析、动态分析为主的原则开展，确保评价结论的客观性、准确性和科学性 ；应遵循“同时期、同区域、同类型”的竞争力分析原则，确保费用与效益计算范围的一致性，稳妥确定评价参数，结合项目所在地区、所处行业及项目自身特点进行技术经济评价分析。

海上风电项目技术经济评价判据参数一般采用“X+Y”体系。“X”为项目经济评价通用指标，包括全投资财务内部收益率（税前）、全投资财务内部收益率（税后）或资本金财务内部收益率。“Y”为结合行业水平和项目特点增加的辅助指标，在项目满足通用指标的前提下，做进一步参考评判，包括总投资收益率和资本金净利润率。海上风电项目经济评价判据参数详见表 2。

判据参数的数值为行业常规水平。其中，全投资财务内部收益率（税前）、全投资财务内部收益率（税后）和资本金财务内部收益率之间为“或”的关系，测算结果大于等于判据参数时可予以接纳，说明项目具有投资价值，具有较为合适的投资回报。针对具体项目情况，包含机组选型的测算结果可作为投资决策的主要依据之一。

结语

国家“十四五”海上风电新增规划规模接近 3.2 亿千瓦，发展潜力巨大。海上风电正朝着大型化、远海化快速发展，机型种类繁多。了解和掌握海上风电机组的选型要求，根据不同海域项目的海洋环境和投资条件，选择更优的海上风电机组型式，可实现最优的海上风电场效益。