近海可再生能源發電

近海可再生能源主要有近海風能、波浪能、潮流能、溫差能、鹽差能等。其中，相對於其他近海能源而言，近海風力發電技術比較成熟，已經進入了商業化運營階段。波浪能和潮流能發電技術近年來取得了長足的進步。各國科技工作者開發了多種發電裝置，部分已經建成了試驗電站，隨著相關技術的進一步發展，波浪能和潮流能發電系統將成為繼風電之後實現商業化運營的可再生能源。溫差能和鹽差能，由於技術條件的限制，距離實際的開發利用還有相當的距離。因此，目前可利用的近海可再生能源主要包括近海風能、波浪能和潮流能。

基本介紹

• 中文名：近海可再生能源發電
• 外文名：Offshore renewableenergy power generation
• 學科：電氣工程
• 領域：能源利用
• 套用：近海潮汐能、風能等綜合利用
• 特點：不同類型近海能源綜合利用

背景

海洋覆蓋著地球70%的表面，蘊涵著巨大能量，據估算其能量總和大大超過了目前全球能源的需求。在現有的技術條件下，可利用的海洋能主要分布在近海。近海能源是清潔的可再生能源，科學地開發和利用對緩解能源危機和環境污染問題，具有重要意義。我國東部海岸線漫長，近海可再生能源資源豐富，而恰好我國東部沿海地區經濟發達、電力負荷密集、電網強大，這些都為大規模的開發和利用近海可再生能源創造了有利條件和動力。與此同時，我國正在實施海洋資源和可再生能源開發的發展戰略，近海可再生能源作為一種重要的海洋資源和清潔能源，其開發和利用是國家發展戰略的必然要求。由此可見，近海可再生能源將成為中國未來能源結構中的重要組成部分。

近海可再生能源主要有近海風能、波浪能、潮流能、溫差能、鹽差能等。其中，相對於其他近海能源而言，近海風力發電技術比較成熟，己經進入了商業化運營階段;波浪能和潮流能發電技術近年來取得了長足進步，各國科技工作者開發了多種發電裝置，部分己經建成了試驗電站，隨著相關技術的進一步發展，波浪能和潮流能發電系統將成為繼風電之後實現商業化運營的可再生能源;溫差能和鹽差能由於受技術條件限制，距離實際開發利用還有相當距離。因此，目前可利用的近海可再生能源主要包括近海風能、波浪能和潮流能。

需要指出的是，波浪能和潮流能發電系統雖然取得了可喜的進展，但波浪能和潮流能裝置的可靠性差是制約其不能實現商業化運營的主要因素之一。此外，當風暴潮來臨，漂浮的波浪能和潮流能發電裝置很容易被損壞，這樣不僅由於裝置損毀造成經濟損失，同時還對過往船隻、海上建築物和海堤的安全產生巨大威脅。因此不管是從提高波浪能和潮流能發電裝置可靠性還是從海域和海岸的安全性出發，都必須有可靠的固定和承載波浪能和潮流能發電裝置。與此同時，值得注意的是，近海風力發電裝置的基礎平台技術成熟，如果能夠利用近海風電的基礎平台，融合近海風力發電、波浪能發電和潮流能發電，構建近海可再生能源綜合發電平台，不僅能夠大大提高近海可再生能源發電系統的可靠性，還為近海可再生能源的商業化運營奠定基礎。

各種近海發電方式研究綜述

近年來，世界各國在近海可再生能源發電方面開展了廣泛研究，主要研究包括4個方面的內容，即風力發電，波浪能發電，潮流能發電，近海可再生能源綜合發電。

風力發電

近海風能資源豐富，海上風力發電近年來發展迅速，截至2011年底，世界海上風力發電累計裝機容量己達4GW。世界各國相繼建成了大型的海上風力發電場。我國自2004年開始在廣東、上海、浙江、江蘇、山東等沿海地區規劃建設海上風力發電場，並於2010年在上海東海大橋建成了亞洲首座大型近海風力發電場。

目前對於近海風力發電的研究主要集中在以下幾個方面：

(a)近海風能資源的評估及近海風力發電場的選址。一般來說，海上風資源的評估應基於數據監測和建模技術，而海上風力發電場的選址除了需要考慮風能資源、水深和海底地質條件以外，在總體規劃時對海上建築物、輪船航道、漁業生產和海生動物的生態環境等的影響也應考慮；

(b)近海風力發電系統基礎結構研究。海上風力發電機組基礎結構有重力式結構、單樁結構、三腳架結構、導管架結構和浮式結構，分別對應不同的水深和海床條件。其中單樁結構是目前海上風力發電場套用最多的一種結構，其次是重力式結構；

(c)近海風力發電機組的研究。目前海上風力發電機組容量主要集中在2MW至5MW。採用的發電形式主要有間接驅動的雙饋感應發電機、直驅永磁發電機以及混合式發電系統。現在正在開發的近海風力發電機組容量將達6MW至10 MW；

(d)近海風力發電場接入方式。一般情況下，近海風力發電機組按照一定的規律排列分布，經內部集電網路與海上升壓變電站相連線，然後採用交流或者直流方式併網；

(e)近海風力發電場的併網運行。由於風力發電的隨機性和間歇性的特點，會引起電網子系統之間的功率交換的快速變化，對電網的安全穩定運行產生了重要的影響。併網運行方向研究工作開展較多，成果也多，主要包括:風力發電機組及其元件的建模、風力發電場的等效建模、含風力發電場電網的安全穩定分析和控制以及電能質量問題等。

波浪能發電

波浪能方面的研究主要集中於波浪能發電裝置及其控制器的開發。波浪能發電裝置多種多樣，按照能量轉換方式進行分類，大致分為振盪水柱式、擺式、筏式、收縮波道、點吸收、鴨式等。近年來建成的振盪水柱式波浪發電裝置主要有英國的LIMPET、中國廣東汕尾100 kW固定式電站。採用筏式波浪能利用技術的有英國McCabe波浪泵波力裝置和海蛇(Pelamis)波能裝置。收縮波道電站有挪威的350 kW的固定式收縮波道裝置以及丹麥的WaveDragon。點吸收式裝置有英國的AquaBuOY裝置、阿基米德浮子、PowerBuoy以及波浪騎士裝置等。目前，由3台750 kW的海蛇波浪能發電裝置構成的波浪能發電場己經在葡萄牙建成，並己進入商業化試運營。在波浪能發電系統的控制和併網技術方面，採用解藕控制技術跟蹤波浪能最大功率，設計全功率的“背靠背”變換器及其控制策略，以滿足波浪能發電系統併入電網運行的要求。

潮流能發電

潮流能發電裝置主要可以分成水平軸式和垂直軸式2種結構。目前己研製成功的垂直軸式潮流發電裝置主要有:加拿大Blue Energy公司研製的試驗樣機，最大功率等級達到100 kW;義大利Ponte diArchimede International Sp A公司和Maple、大學合作研發的130 kW垂直軸水輪機模型樣機。此外，美國GCK Technology公司對一種具有螺旋形葉片的垂直軸水輪機(GHT)進行了研究。日本大學對垂直軸式Darrieu、型水輪機進行了一系列的設計及性能試驗研究。在中國，哈爾濱工程大學較早地開展了垂直軸潮流能發電裝置的研究，研製了40 kW的樣機並進行了海上試驗，同時在垂直軸水輪機的水動力學方面也開展了大量的理論研究。中國海洋大學設計了基於柔性葉片的垂直軸潮流能發電裝置，並對水輪機的結構、參數和性能進行了最佳化設計。

與垂直軸式結構相比，水平軸式潮流能發電裝置具有效率高、自啟動性能好的特點，若在系統中增加變槳或對流機構則可使機組適應雙向的潮流環境。英國Marine Current Turbin。公司設計了世界上第1台大型水平軸式潮流能發電裝置—300 kW的“Seaflow"，並於2003年成功進行了海上試驗。該公司第2階段商業規模的1. 2MW雙葉輪結構的“Seagen”樣機也於2008年成功進行了試運行。在中國，2005年浙江大學開始了潮流能發電裝置的研究，2009年研製成功了25 kW的半直驅式潮流能發電機組，並進行了海上試驗。2010年開發了20 kW液壓傳動式潮流能發電裝置，實現了平穩的功率輸出和變槳距運行。另外東北師範大學也開發了用於海洋探測儀器的2kW低流速潮流能發電裝置，並對其中密封、防腐等關鍵技術進行了研究。

近海可再生能源綜合發電

目前在近海可再生能源綜合發電系統方面的研究還很少。Rahman等提出了基於海上風能和潮流能的混合發電系統，構建了仿真系統，通過仿真模型分析了潮流與海上風能之間的相關性，驗證了混合發電系統的可行性。Da等設計了風能和潮流能混合發電系統的控制策略，實現了兩種發電裝置的最大功率跟蹤控制。在此基礎上，Rahman等研究利用潮流能發電機可在發電機狀態和電動機狀態靈活切換的特點，平滑風力發電系統的功率波動，使得風能和潮流能混合發電系統輸出平穩的功率。

綜合能源發電研究展望

研究思路

綜上所述，近年來在近海可再生能源發電方面己經開展了大量的研究工作，成果主要集中在近海風力發電平台的設計和安裝，近海風力發電機組的設計、控制和併網運行，以及波浪能發電和潮流能發電裝置的設計和控制等方面。但這些工作都是以單一的近海可再生能源發電為研究對象，利用率低而且可靠性差。在近海可再生能源綜合發電方面有一些初步的研究，但只涉及風能和潮流能，而且只是概念和初步仿真。

為此，研究近海可再生能源綜合發電，融合近海風力發電、波浪能發電和潮流能發電，發揮綜合優勢，提高發電的利用率和可靠性。該系統具有以下特性：(a)分別捕獲位於海面以上幾十米的風能、海平面上的波浪能和海平面以下的潮流能，垂直分布高度差達近百米；(b)發電裝置具有不同的輸出特性，風力發電的隨機性較強，波浪能發電周期性變化，且具有一定的隨機性，潮流能發電相對平穩，並可以精確預測；( c)近海可再生能源發電系統遠離岸邊，最遠可達幾十千米。這一系列特性對近海可再生能源綜合發電系統的設計、分析、控制以及併網運行，提出了必須研究的一系列內容。

研究內容

近海可再生能源綜合發電研究架構如圖所示，主要包括3個方面的研究內容。

近海可再生能源綜合發電系統研究架構

（1）近海可再生能源綜合發電單元的構建。近海可再生能源綜合發電單元是由風力發電、波浪能發電、潮流能發電裝置組成的有機結合體，因此首先需要研究的內容是3種發電裝置的融合，選擇合適的基礎結構，對發電裝置進行最佳化組合及合理的空間布置，是提高綜合發電能量轉換效率，確保各發電裝置安全運行的前提條件;研究綜合發電單元內部各發電裝置之間的電氣連線方式和與之相適應的電力電子變換器，從而保證發電的可靠性。

此外，還需研究合理的近海可再生能源發電場內各綜合發電單元的排列分布方式、電氣連線方式和發電場接入電網方式，從而保證其併網運行。

（2）近海可再生能源綜合發電的建模。近海可再生能源綜合發電的建模包含2個方面:(a)針對單個綜合發電單元的建模，模型主要用於綜合發電單元中各發電裝置之間的互動性影響分析、協調控制和能量管理。在建模過程中，要考慮各種發電裝置的詳細模型以及綜合發電單元內部的詳細拓撲結構。(b)多個綜合發電單元構成的近海可再生能源發電場的等效建模，模型主要用於發電場接入電網之後，對電網安全穩定的影響分析，以及含有近海可再生能源發電場電網的網源協調控制。在等效建模過程中，一方面要關注發電場對電網的整體輸出特性;另一方面，模型要相對簡潔、低階。

（3）近海可再生能源綜合發電的控制。大規模的近海可再生能源接入電網，必然對電網的安全穩定產生重要影響。由於各發電裝置的輸出功率特性不同，首先應在不同的時間框架上，研究發電場的整體功率輸出特性，然後特別針對發電場輸出功率的隨機性，分析其與電網之間的互動作用，研究發電場接入後對電網安全穩定和平穩運行的影響，特別是對電網的暫態穩定、頻率特性、電壓特性以及小擾動穩定特性的影響，為進一步研究和實現含近海可再生能源發電場電網的協調控制提供依據。在此基礎之上，綜合套用功率預測技術、廣域測量技術和儲能技術，以電網安全穩定和平穩運行為目標，研究控制策略和控制方法，以達到含近海可再生能源電網的協調控制。

近海可再生能源綜合發電系統

近海可再生能源綜合發電系統的構建

近海可再生能源綜合發電的系統構建，主要包括構成設計和電氣連線方式兩個方面。在構成設計方面主要是研究合適的近海可再生能源發電轉換方式，並對其進行合理布置，構建一個穩定可靠的發電平台。在電氣連線方面，主要是設計高效的電氣連線和電力電子變換器界面，實現各種可再生能源發電裝置的相互兼容以及與電網的可靠連線。

(1）近海可再生能源綜合發電系統的構成

近海可再生能源綜合發電系統一種可能的結構如圖2所示，其主要研究各種近海可再生能源發電裝置與基礎平台相結合的方式。對於近海風力發電而言，主要是水平軸風機，與基礎平台相結合的技術相對成熟。波浪能發電裝置多種多樣，不同的發電裝置與基礎平台相結合的方式不同。潮流能主要有兩種發電形式，水平軸式發電裝置效率高，自啟動性能好;垂直軸式發電裝置能夠方便地適應潮流的雙向發電，兩種發電裝置與基礎平台上的結合方式不盡相同。另外，可用於綜合發電的基礎平台結構也多種多樣。因此，在系統構成設計過程中，最佳化組合各種不同形式的發電裝置和基礎平台結構，使能量總體轉換效率、基礎平台和發電裝置的兼容性以及系統運行的安全性等方面綜合最優。

(2）近海可再生能源綜合發電系統的連線

近海可再生能源綜合發電系統中各發電裝置，通常採用不同的驅動方式和發電機類型，從而併網連線方式也相應不同。目前採用的驅動方式和發電機類型主要有間接驅動的雙饋感應發電機和直驅永磁發電機。前一種方式，發電機直接併網運行，而後一種方式是通過全功率的“背靠背”電力電子變換器併網運行。在這種情況下，可能有以下2種不同的併網連線方案。

第1種為交流併網方式:直驅永磁發電機出口“背靠背”電力電子變換器的交流側和間接驅動的雙饋感應發電機的出口分別連線升壓變後並連，然後通過交流輸電線路與岸上電網相連。

第2種為直流併網方式:所有的發電裝置均採用“背靠背”電力電子變換器併網運行，在這種情況下，各發電裝置在“背靠背”的直流側並聯，然後通過海底電纜與岸上的換流站連線，最後併入電網運行。

對以上兩種方案從技術可行性、運行可靠性和建設的經濟性等方面進行分析比較，進而確定最優的近海可再生能源綜合發電併網方案。

近海可再生能源綜合發電系統的建模

(1）近海可再生能源綜合發電單元的機理建模

近海可再生能源綜合發電的機理建模是以單個近海可再生能源綜合發電為對象，詳細模擬組成綜合發電單元的各發電裝置以及相互之間連線的拓撲結構，建立其數學模型。建模過程中，首先根據風、波浪和潮流各自的特點，建立三者的動力學模型。然後詳細模擬發電裝置的各個組成部分，建立各類發電裝置詳細模型。最後，根據綜合發電單元中各發電裝置間的電氣連線方式，建立機理模型。

(2）近海可再生能源綜合發電場的等效建模

近海可再生能源綜合發電場的等效建模通常可以分為等效模型建立和模型參數獲取兩個部分。由於近海可再生能源綜合發電併網運行時，大量採用電力電子變換器，解藕了電網與發電場之間的機電聯繫。因此採用非機理的建模方法，對發電場進行整體等效建模。首先利用綜合發電單元的機理模型，對發電場在各種電網故障情況下進行動態仿真，根據其動態曲線的特點，建立非機理模型結構和方程。然後以準確描述近海可再生能源發電場的整體動態特性為目標，通過辯識來獲得模型參數。

近海可再生能源綜合發電系統的控制

(1）近海可再生能源綜合發電場的功率預測

一種可能的方案是，分開預測再求和，其示意圖如圖。

近海可再生能源綜合發電系統功率分開預測示意圖所示

在風功率預測方面的研究成果較多，且海上風速相對平穩，近海風功率預測可借鑑己有的風功率預測方法。對於波浪能發電功率的預測可以採用與風功率預測相類似的方法。潮流能相對比較穩定，具有較強的規律性和可預測性，因此可以採用潮流的預報數據，基於潮流能發電系統的機理模型，建立潮流和輸出功率之間的對應關係，從而對其輸出功率進行預測。

另一種可能的方案是，綜合建立模型再預測，其示意圖如圖所示。

近海可再生能源綜合發電系統功率綜合預測示意圖

由於波浪是由風把能量傳遞給海洋而產生的，所以兩者之間具有一定的相關性，因此可以建立其綜合預測模型。潮流能可以單獨建模，也可以綜合在其中。

(2）近海可再生能源綜合發電場的影響分析

搭建含近海可再生能源綜合發電場電網的仿真系統，在各種故障下進行動態仿真，研究發電場接入後對電網安全穩定和平穩運行的影響。通過計算含有發電場電網的故障極限切除時間，分析其對電網暫態穩定性的影響;在隨機輸入條件下，分析可再生能源綜合發電場對電網頻率特性的影響;在不同的無功電壓控制

和無功補償策略情況下，分析發電場對系統電壓特性的影響;對發電場電網進行小擾動穩定分析，研究其對電網阻尼影響。在分析過程中，同時對電網接納近海可再生能源的能力進行評估，並識別制約近海可再生能源大規模接入電網的關鍵因素。

(3）含近海可再生能源綜合發電場電網的平穩控制

由於近海可再生能源發電系統輸出功率的隨機性，接入電網運行後，對電網的平穩運行產生重要影響。近海可再生能源綜合發電場輸出功率特性可分為短期特性和中長期特性，協調控制體系分為3層:(a)底層控制實現發電場內部多電源的相互協調;(b)中間層控制用於發電場與儲能設備之間的相互協調;(c)上層控制實現發電場、儲能系統與電網中其他常規電源之間的協調。

對於短期功率的快速變化，可通過儲能設備進行功率曲線平滑。在考慮儲能系統運行約束的前提下，根據功率波動特性和所接入電網的運行要求，設計近海可再生能源綜合發電場、儲能設備和電網之間的協調控制策略，實現電網實時的平穩運行。

對中長期的功率變化，應採用預防性的平穩控制策略，保證系統的平穩運行。根據發電場輸出功率中長期的預測果，分析發電場的輸出功率的變化趨勢，研究電網是否能夠運行在安全穩定範圍內，並具有一定的裕度。如果電網的運行點超出了安全穩定的範圍，或者穩定裕度過小，則必須對電網進行預防性平穩控制。預防性平穩控制以電網保持穩定運行和電網運行的經濟性最優為目標，協調近海可再生能源綜合發電場和電網中其他各發電機組的運行方式，保持電網長期平穩運行。

結語

在總結國內外近海可再生能源發電研究進展的基礎上，提出研究融合近海風力發電、波浪能發電和潮流能發電的近海可再生能源綜合發電。從近海可再生能源綜合發電的構建、建模和控制三方面進行論述。在近海可再生能源綜合發電單元的構建方面，由於近海風能、波浪能和潮流能的發電裝置空間位置和動力學特性的不同，選擇合適的基礎結構和綜合發電單元內部各發電裝置之間的連線方式，對發電裝置進行最佳化組合及合理的空間布置，是提高綜合發電單元能量轉換效率，確保各發電裝置安全可靠發電的前提條件。在綜合發電的建模方面，首先建立綜合發電單元的詳細機理模型，主要用於發電單元中各發電裝置之間的互動性影響分析、協調控制和能量管理。在此基礎上，對由多個綜合發電單元構成的綜合發電場進行等效建模，模型主要用於近海可再生能源發電場接入電網之後，對電網安全穩定的影響分析。在綜合發電的控制方面，提出利用近海可再生能源的功率預測技術、廣域測量技術和電力儲能等新技術，建立含綜合發電場電網的分層次控制策略體系，提高含近海可再生能源發電場電網的整體運行性能。