作者： 上海电气风电集团股份有限公司 许移庆，张友林自2009年挪威首台立柱（Spar式）漂浮式海上风电机组安装以来，全球海上风电迎来了漂浮式时代。从能源分布上看，海上风能资源储量丰富，但面对苛刻的深远海环境条件，传统固定式海上风电在技术和经济上面对的挑战急剧增加，欧美和日韩风电巨头逐步聚焦漂浮式海上风电技术的研发。总体而言，漂浮式海上风电市场经历了从小规模单台样机（2009~2015年）到小型风电场示范（2016~2022年）的演变过程。在挪威Hywind demo 漂浮式样机项目之后，涌现出众多新的漂浮式基础方案。部分方案完成了实尺度样机的安装，并开展验证研究（见表1）。Hywind 漂浮式海上风电机组基础方案是由挪威国家石油（Statoil公司，2018年更名为Equinor）借鉴海上漂浮式航标的创意于2002年提出，为立柱式基础的代表。在经历了概念设计、分析理论的发展、缩尺模型的水池试验阶段后，2009年，Equinor在挪威Karmoy海域开发了世界上第一个全尺寸漂浮式机组的样机项目，原计划部署两年，但至今仍在服役发电。Hywind 项目中立柱式技术的特征包括：基础内部包含浮力舱和压载舱，浮力舱位于基础的上段，为上部风轮、机舱、塔筒等结构提供支撑浮力；压载舱位于基础的下段，通过装载水、碎石或高密度混凝土进行压载，使系统重心位于浮心之下；基础外部通过3根锚索固定于水底，在水中形成“不倒翁”式结构，具有无条件稳定、运动周期长、所受垂向波浪力小等优点。Hywind 项目技术方案的浮体吃水深，存在建造、安装的局限。例如，应用该基础时，需要经过湿拖、扶正、系泊系统回接、海上压载、海上机组安装、整体调试等环节。由于挪威有条件良好的深水港湾，基础的扶正、压载可以在港湾内进行；但是在中国，上述所有作业都需要在开阔海域进行。基于美国西雅图的PPI（Principle Power,Inc）公司提出的WindFloat三立柱半潜式海上风电机组技术，2011年，EDP（Energias de Portugal）等企业在葡萄牙的Aguçadoura近海安装了首台WindFloat样机，这是全球首个半潜式海上风电样机项目。样机在5年的验证阶段，经受住了超过17m的巨浪以及30m/s 大风的恶劣天气考验。2017年，该项目以少于50万欧元的成本拆除，充分体现出漂浮式机组在拆除方面的优势。WindFloat 漂浮式机组技术采用非对称浮体布置方案，机组塔筒偏置于其中一个浮体上。其技术特征包括：静态压载系统、主动压载系统和垂荡板系统。其中，静态压载系统通过在3个浮体内部隔舱中装载压载水的方式，保障系统整体重心位于结构的垂向几何中心线上。主动压载系统根据机组的运动姿态调整3个浮体的排水和压载水质量，以补偿风速和风向变化引起的机组运动。3个浮体下端设置的垂荡板结构，使平台在垂向运动过程中增加了附加水质量，进而改变基础的固有周期。近年来，法国Ideol公司开发的阻尼池半潜式海上风电机组解决方案受到广泛关注。2018年，由Centrale Nantes和SEM-REV公司联合开发的FLOATGEN项目投入运营， 场址水深为33m，采用Vestas的V80-2.0MW机组。运营以来，样机表现优异，2019年共发电6GWh，下半年的可利用率达94.6%。该方案采用中空环形阻尼池技术实现类似减摇液舱的功能。技术特征包括：采用钢筋混凝土材料建造环形基础主体结构，既可以减少结构的用钢成本，又能够降低基础的结构重心高度，保证基础的稳定性；基础采用6条系泊缆绳与海底链接，保障平台具有足够的系泊安全冗余；基础底部外围安装大面积的垂荡板结构，增加了基础的运动阻尼，能有效抑制平台的垂荡运动；基础吃水浅，垂向特征尺寸小，对港口、航道和风电场环境水深的适应性强，登船便捷，基础平台上作业空间较大，设施维护容易。除欧美外，日本在漂浮式海上风电方面走在世界前列。自2011年福岛核电站因海啸而发生核泄漏后，日本启动弃核计划，并积极发展风能等可再生能源。在丰富的海上风能资源以及积极的政策支撑下，日本较早启动漂浮式机组的研发。2011年，由日本环境省启动的GOTO项目是亚洲首例全尺寸漂浮式机组样机项目1。它由户田建设、富士重工、九州大学、日本海上技术安全研究所的联合体实施，位于日本的长崎县五岛市桦岛（Kabashima）离岸1km、水深91m的海域，采用富士重工（其风电业务板块于2012年被日立收购）的2MW下风向机组，基础为长76m、直径7.8m的Spar式结构。样机的五十年一遇设计浪高为8.4m，但试运行不久即遭遇2012年的第 16号台风 Sanba，成功抵抗9.5m高的波浪。2015年，完成样机试验，结果认定这一漂浮式基础的安全性好，且对环境影响小，可继续营运。此后，样机迁移至福江岛东岸崎山冲（Sakiyama）近海约100m水深海域继续运行至今。日本Fukushima Forward 漂浮式海上风电场是安装漂浮式样机型式最多的示范项目，位于距离福岛楢叶町沿岸约20km、水深约120m的海域。目前，已经安装了1台2MW、1台7MW和1台5MW机组，并安装世界上第一个25MVA的漂浮式海上升压站，工程总投资188亿日元。其中，2MW机组是日本日立公司（原富士重工的风电业务板块）生产的下风向机组，风轮直径为80m，于2013年11月11日并网发电。7MW机组是日本三菱生产的上风向机组，风轮直径为167m， 于2015年7月29日拖至示范项目现场，2016年8月前并网发电。5MW机组同样是由日立公司生产的下风向机组，风轮直径为126m，于2017年3月并网发电。除上述进入安装运行阶段的样机项目外，近年来， 一些新型漂浮式基础方案也逐步获得示范核准，并即将进入样机安装阶段。例如，丹麦Stiesdal Offshore Technologies A/S 公司从漂浮式机组基础建造便利性的角度出发，提出了Tetraspar漂浮式方案。它设计的同一套基础构件可满足固定式、立柱式、半潜式、张力腿式多种工作模式的组装要求，基于批量化、模块化建造原则实现基础成本的最大程度下降。目前，应用该方案的样机项目已完成核准与融资，将于2020年在挪威北海区域完成首台西门子3.6MW机组的示范应用。此外，西班牙Saitec公司将于2020年基于其浅吃水双体船漂浮式方案SATH开展样机项目融资。瑞典SeaTwirl公司将于2021年建设1MW垂直轴漂浮式样机项目。德国GICON公司将于2022年基于其张力腿式方案建设样机项目，采用西门子的2.3MW机组。此外，三峡新能源公司也将于2021年7月在广东省阳江市沙扒镇近海28km海域建设中国首个漂浮式机组项目，拟采用5.5MW机组。除上述已完成安装的单台样机示范项目外，Hywind技术凭借起步早、技术成熟度高的优势步入了小批量示范应用阶段。在葡萄牙和英国，WindFloat Atlantic 和Kincardine项目分别采用WindFloat半潜式机组技术，正在开展小批量示范风电场的建设。此外，近年来，法国逐步成为漂浮式海上风电的后起之秀，政府核准建设的小批量示范项目包括EolMed、Groix & Belle-Ile、Provence Grand Large（PGL）等（见表2）。Hywind Scotland 项目是目前仅有的已建成小批量漂浮式海上风电的商业化项目。它于2015年由挪威Equinor公司与阿联酋Masdar公司联合发起，2017年，基于第二代Hywind漂浮式技术在英国苏格兰的北海区域建立。项目装机容量为30MW，采用5台西门子的6MW机组。基础相对于Hywinddemo 的立柱式结构进行了主尺度优化，水下浮体直径增加至14.4m，吃水深度减小至78m，每套系统排水量为11200吨。PPI 公司的WindFloat半潜式技术虽然起步晚于Hywind Scotland 项目所用的立柱式技术，但适用于更宽的水深范围，更符合市场的需求，目前已启动两个小批量示范项目。位于葡萄牙的WindFloat Atlantic 项目由WindPlus公司开发， 它由EDP Renováveis、Repsol S.A. 及PPI三家企业联合成立。项目装机容量为25.2MW， 采用3台MHI Vestas 的V164-8.4MW机组。2019年7月，第一台机组成功安装，另外两台机组将于2020年完成安装及并网。Kincardine 项目是继Hywind Scotland 之后苏格兰海域的第二个漂浮式海上风电项目，由Cobra公司开发，装机容量为49.5MW，采用1台2MW 和5台MHI Vestas 的V164-9.5MW机组。第一台漂浮式机组来自于WindFloat项目的退役机组和基础，现已并网发电，预计2020年完成整个项目的开发建设。截至目前，已核准待建设的小批量漂浮式海上风电项目均位于法国。其中，Groix & Belle-Ile 项目位于法国Brittany海域，由EOLFI和中广核欧洲能源等企业组成的联合体——FEFGBI公司负责开发。项目计划安装3台MHI Vestas 的V164-9.5MW机组，基础采用Naval Energies 公司开发的四立柱半潜式方案，基础的上部浮筒采用钢质材料，下部采用混凝土材料。项目计划于2022年建成。鉴于地中海良好的海洋波浪环境，法国的其他待建项目均位于这一海域。例如，EolMed项目位于地中海Occitanie区域， 采用Ideol的阻尼池漂浮式基础技术，装机容量共24.8MW， 采用4台Senvion的 6.2MW机组， 将于2020年启动， 预计2021年建成。Provence Grand Large 项目位于地中海Fose sur Mer 区域，由法国电力公司EDF Renewables开发，预计安装3台西门子歌美飒的8.4MW机组，基础采用SBM Offshore 和IFP Energy 联合开发的新一代TLP式方案——SBM WindFloater，预计2021年正式运营。Eoliennes Flottantes du Golfe du Lion 项目位于地中海Leucate近海区域，同样由Engie和EDPR联合开发，预计安装3台MHI Vestas 的V164-10.0 MW 机组，基础采用PPI的半潜式方案WindFloat， 预计于2022年正式运营，届时将成为单机容量最大的漂浮式机组。目前尚无进入大批量商业化运营阶段的漂浮式海上风电项目。根据现有的开发计划，最早进入该阶段的漂浮式海上风电项目将是Hywind Tampen风电场。它由Equinor公司开发， 位于挪威北海北部水深110m的Tampen海域， 装机容量为88MW， 安装11台西门子歌美飒的SG 8.0-167 DD 机组， 基础采用Hywind立柱式混凝土平台方案。2019 年10 月，项目完成投资决策，预计于2022年建成，届时输出的电能将满足附近5个海上石油平台年用电量的35%。另外，根据美国和日本的漂浮式海上风电发展规划，2025年后将开发400 MW级的项目，意味着届时漂浮式海上风电真正迎来大批量商业化运营阶段。十余年来，漂浮式海上风电稳步发展，同时也面临一系列的技术和市场挑战。这里依据英国Carbon Trust基金会对欧美漂浮式机组方案研发者开展的问卷调研，从机组成本下降空间、技术突破紧急程度、知识产权敏感性三个维度对漂浮式海上风电的技术挑战进行识别。2:Carbon Trust. Floating Offshore Wind: Market and Technology Review [R]. Stamford Street 27-45, London, UK, 2015.表3从13个关键技术点对漂浮式海上风电项目的影响程度进行评分划级，各技术点的打分区间为1~3分。从漂浮式海上风电成本下降空间的角度可见，欧美研发者普遍认为支撑平台的主尺度和结构重量对项目建设成本的影响最为明显，技术优化的空间最大。此外，漂浮式海上机组的安装技术、返港检修运维技术也具有较大的降本空间。在技术突破的紧急性方面，大多数挑战被认为具有较高的优先级。值得注意的是，漂浮式升压站技术虽然是一个较远期的事项，只有在商业化规模的项目中才有应用的必要，但其对漂浮式海上风电项目的成本降低存在重要影响。尽管直接降低成本的作用有限，但先进仿真计算技术是一个关键的近期技术挑战，并可以帮助其他方面的成本下降。在知识产权保护方面，漂浮式支撑平台、控制技术、系泊系统等结构具有较高的产权冲突挑战，可以通过联合项目或合作研发来应对。此外，漂浮式海上风电技术虽然经过了样机验证，但在市场推广方面同样面临较多挑战。在对漂浮式海上风电的认识方面，部分投资者建议在固定式海上风电场充分开发之后，再开发深水漂浮式海上风电场，对漂浮式风电场工业化后平准化度电成本（LCOE）的降低潜力缺乏信心。在漂浮式海上风电项目的资金投入方面，样机项目的研发成本高昂，欧美金融机构对其风险评估偏保守，研发组织缺乏开展高质量数值模拟、物理试验的设备租金。在合作机制方面，创新者缺乏行业合作伙伴，难以寻找合适的海上试验场，并获取并网许可。在政策方面，缺乏长期的制度支持。漂浮式海上风电的发展受到机组、支撑结构、输配电技术的综合制约。在机组选型方面，目前，所有的漂浮式海上风电项目均采用与固定式海上风电通用的机型，这是由于当前漂浮式海上风电机组市场尚处于发展初期阶段，短期没有大批量应用的市场需求，整机厂商定制研发匹配于漂浮式基础的机组将承担较大的技术和经济风险。随着漂浮式海上风电商业化市场的到来，机组的发展会呈现下列趋势：机组定制化。适用于传统固定式基础的机组对支撑结构的振动响应具有苛刻的要求，且不同类型的漂浮式基础在平台运动特征、固有频率范围的差别迥异，需开发适用于特定漂浮式基础的机组。容量大型化。漂浮式海上风电项目趋于采用大兆瓦机组，进而降低项目成本。例如，葡萄牙的WindFloat Atlantic项目计划安装3台MHI Vestas的V164-8.4 MW 风电机组，苏格兰的Kincardine项目正在安装5台MHI Vestas的V164-9.5 MW机组。新的控制策略。当漂浮式机组在高于额定风速的条件下发电时，基于功率的控制目标可能引起与风速和风轮俯仰角相关的负推力梯度，产生负的气动阻尼，并将导致运动放大到可能超过机组设计极限的水平。为了避免该现象的发生，需要对漂浮式机组的控制器进行优化设计。海上风电项目的成本取决于所用支撑结构的特点。对于漂浮式海上风电而言，支撑结构的成本占比高达40%，同时还对降低系统其他部分的成本有重要影响。例如，可通过批量化制造、岸上装配和调试，以及最大限度地减少昂贵的海上运维作业等措施降低项目费用。为实现漂浮式海上风电项目的成本下降和推广应用，在支撑结构方面将呈现以下技术发展趋势：方案多样化。在对漂浮式基础方案不断进行总布置、主尺度优化的同时，近年来涌现出多种结构特征鲜明、设计理念独特的新型漂浮式基础方案。如前文提及的Stiesdal Offshore Technologies A/S 公司提出的TetraSpar方案。新材料的推广应用。传统漂浮式机组的结构重心高、稳性差，导致基础主尺度和用钢量难以降低。近年来，一些方案采用混凝土等高密度、低单价材料作为漂浮式基础的主要建造或压载材料，有效降低机组的重心，减少基础的主尺度和建造费用。漂浮式机组基础在波浪和风的联合作用下不断移动，电力电缆的连接点也随之运动。这就要求开发商和电缆制造商采用动态电缆，以确保电缆上的周期性载荷和弯曲不会对系统造成损害。动态电缆的研发是漂浮式海上风电技术推广的重要环节之一，在不远的未来，动态电缆将逐步应用于漂浮式海上风电项目中。例如，装机容量为25.2MW的葡萄牙WindFloat Atlantic项目采用海底电力电缆和脐带电缆供应商JDR公司的动态电缆，将是行业内首次应用66kV的动态电缆。尽管仍处于预商业化阶段，但漂浮式海上风电被普遍认为是未来海上风电的可行技术，这得益于近年来一系列样机的成功运行。然而，平准化度电成本是困扰漂浮式海上风电发展的重要因素。注3:Walter M., Philipp B., Paul S., et al. 2018 Offshore Wind Technologies Market Report [R]. U.S. Department of Energy, P.O. Box 62, Oak Ridge, State of Tennessee, USA, 2019.
图1展示了各研究机构和咨询公司对漂浮式海上风电平准化度电成本发展趋势的预估，除了ORE Catapult提供的数据之外，其他估算数据都是基于商业化规模的漂浮海上风电场以及与成熟工业相匹配的行业收益学习曲线。图中数据显示漂浮式海上风电的平准化度电成本有望由2020年的200美元/兆瓦时左右下降到2030年的70美元/兆瓦时。
2015 年至2030 年期间的成本下降与漂浮式机组的部署实践相关，包括单台样机项目阶段（2015~2017年），多台样机小批量示范项目阶段（2018~2022年），中等批量到全面商用项目阶段（2023~2030年）。目前，漂浮式海上风电技术的成本数据是基于少量的样机和处于设计或施工阶段的项目测算的，故而技术进步会导致该成本的大幅降低。此外，固定式海上风电技术及其商业化发展经验可能会被转化至漂浮式海上风电系统，因而美国国家可再生能源实验室（NREL）的成本估算表明，漂浮式海上风电项目成本可能会比固定式海上风电成本下降的速度更快，成本降低的途径包括：充分利用固定式机组系统的降本、创新和经验；充分利用现有的供应链；优化结构，使用更轻的组件和更多的模块化功能；充分利用码头的机组和支撑结构吊装资源，减少海上施工的步骤和复杂性；借鉴海洋工程平台成熟的批量化生产和制造技术；获取优于近岸的风能资源。在全球海上风电向深远海发展的趋势下，漂浮式海上风电从研究逐步走向商业化应用。本文通过对全球兆瓦级漂浮式海上风电项目的统计和分析，得到如下结论：（1）漂浮式海上风电项目仍以单台兆瓦级示范样机为主。已建设的8个项目中，6个为单台兆瓦级示范项目。此外，尚有4个单台兆瓦级漂浮式海上风电项目处于施工建造阶段。（2） 越来越多富有创意的漂浮式基础方案开始进入兆瓦级示范项目建设阶段。例如，丹麦Stiesdal Offshore Technologies A/S 公司的Tetraspar多工作模式方案，西班牙Saitec公司的SATH浅吃水双体船基础方案等，均开始样机的建设。（3）漂浮式海上风电技术日益成熟，商业化应用前景可期。例如，装机容量为30MW的Hywind Scotland项目已并网发电，步入小批量示范风电场应用阶段；装机容量为88MW的Hywind Tampen 风电项目也完成了投资决策，将于2022年完成建设。CWEA
FWJIP漂浮式风电第一阶段总结报告
equinor：漂浮式风电始于2009，演讲PPT
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