中國儲能網(wǎng)訊：
一、前言
海洋風電是構建現(xiàn)代能源結構體系、實現(xiàn)“雙碳”愿景、推進海洋強國戰(zhàn)略的重要支撐。我國風電裝機總容量已居世界首位，在陸上風電場資源開發(fā)進一步受限、沿海地區(qū)新能源需求持續(xù)增長的背景下，海上風電裝機成為新的重要增長點。2030年，我國海上風電裝機容量約為1.5×108 kW，將構成推進能源結構轉型、應對氣候變化的主導力量之一。近年來，近海風資源受航道、海域空間等的限制趨緊，近海風資源開發(fā)利用逐步接近飽和狀態(tài)；而我國擁有豐富的深遠海風資源，總量約為1.3×109 kW，是近海風資源的兩倍以上，可支持海洋風電的大型化、規(guī)模化發(fā)展。為此，海上風電將向深遠海挺進，發(fā)揮深遠海風資源豐富穩(wěn)定、環(huán)境影響小的優(yōu)勢，拓展新的開發(fā)潛力?！丁笆奈濉笨稍偕茉窗l(fā)展規(guī)劃》（2021年）將深遠海浮式風電明確為重點支持方向，提出推動深遠海風電技術創(chuàng)新、開展海上新型漂浮式基礎風電機組示范、推進新型基礎的使用和深遠海風電的降本增效等重點任務，以促進能源結構改革及產(chǎn)業(yè)升級，提升海洋經(jīng)濟競爭力。
我國深遠海風資源開發(fā)面臨客觀存在的挑戰(zhàn)。國內(nèi)浮式風電技術發(fā)展起步較晚，直到2021年才實現(xiàn)首個海上風電平臺的商業(yè)運營，相關技術能力與國際先進水平存在不小的差距。在地緣性海洋權益競爭加劇的背景下，浮式風電發(fā)展需求更顯迫切，而部分關鍵核心技術依然存在瓶頸環(huán)節(jié)。此外，我國深遠海環(huán)境具有特殊性，如高波陡極端波浪較多、臺風頻發(fā)、海床結構復雜，導致深遠海浮式風電開發(fā)設計難度高，難以直接沿用歐洲的深遠海風電開發(fā)模式。亟需開展適應我國海洋環(huán)境條件的深遠海風電技術體系研發(fā)并培育配套的產(chǎn)業(yè)鏈，才能提高海洋風資源的自主開發(fā)能力，加快海洋綠色能源轉型。
發(fā)展深遠海浮式風電，可借鑒固定式支撐結構海上風電、深水浮式油氣平臺的相關技術，而我國在深水油氣開發(fā)領域具有良好的技術積累，自主設計和制造了一系列具有國際先進水平的海洋浮式生產(chǎn)平臺，如“深海一號”能源站、“海洋石油122”圓筒型浮式生產(chǎn)儲油輪（FPSO）。深遠海風電開發(fā)在電力系統(tǒng)、浮體設計、系泊系統(tǒng)、海上安裝、動態(tài)電纜、運行維護等方面與深水油氣開發(fā)存在大量的技術重疊，但浮式風電機組相較深水浮式油氣平臺更高更柔，對強風等動力荷載更為敏感，導致振動問題尤為突出。此外，固定式海上風電機組在浮式技術方面的適用性有待驗證，導致浮式風電開發(fā)進展遲緩。因此，借鑒深水油氣開發(fā)技術并計及深遠海風電開發(fā)的特殊性，開展高性能、經(jīng)濟型浮式平臺和系泊系統(tǒng)設計，浮式風力機系統(tǒng)的運動抑制，完善的一體化仿真與設計工具鏈，智能建造與運維等研究，推動深遠海風電直接和間接相關技術的移轉、關聯(lián)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展壯大，將是我國深遠海風資源開發(fā)實現(xiàn)快速追趕的可行路徑。
突破深遠海浮式風電發(fā)展的技術瓶頸、構建經(jīng)濟高效的海上風電體系，兼具理論探索和工程應用價值。本文立足國內(nèi)外深遠海風電發(fā)展態(tài)勢，總結我國深遠海風電開發(fā)面臨的技術挑戰(zhàn)，探討解決相關技術問題的研究思路和方法，辨識我國深遠海風電開發(fā)技術方向，提出促進深遠海風電技術攻關的策略，為深遠海風電創(chuàng)新鏈、產(chǎn)業(yè)鏈高質量發(fā)展提供前瞻參考。
二、深遠海浮式風電技術發(fā)展現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)分析
（一）國外深遠海浮式風電發(fā)展現(xiàn)狀
歐洲在深遠海風電開發(fā)方面一直處于領先地位，2023年的新增浮式風電裝機容量為37 MW，約占全球新增裝機容量的80%；截至2023年年底，歐洲浮式風電累計裝機容量>200 MW，約占全球總裝機容量的90%。歐洲浮式海上風電實現(xiàn)從單臺樣機示范到初步規(guī)?；虡I(yè)應用的跨越式發(fā)展，以蘇格蘭Hywind浮式海上風電場、挪威Hywind Tampen風電場、西班牙DemoSATH浮動海上風電項目等為代表。然而，全球投入運營的浮式風電以示范性項目為主，成熟的商業(yè)化案例較少，在海上風電總裝機規(guī)模中的占比偏小。為了推進深遠海海上風電的降本增效，相關機構提出了多種新設計概念，如新型結構材質與支撐形式、經(jīng)濟型系泊系統(tǒng)、新型發(fā)電機組等，但多處于設計與驗證階段，技術成熟度尚不足以支撐商業(yè)化應用。
在現(xiàn)階段，歐洲的商業(yè)化深遠海浮式風電仍以經(jīng)過驗證的單立柱平臺（Spar）型、半潛型為主，而張力腿平臺（TLP）浮式風力機僅在法國海域開展了工程示范驗證；正在積極布局深遠海項目，預計2025年的遠海風電（離岸距離>70 km）裝機容量可達10 GW。美國、韓國、日本發(fā)布了容量較為可觀的浮式風電規(guī)劃，如美國計劃2035年完成15 GW浮式風電安裝、韓國計劃2030年前完成6 GW浮式海上風電投產(chǎn)、日本正在實施120 MW浮式風電示范項目。
（二）我國海上風電發(fā)展現(xiàn)狀
我國深遠海浮式風電發(fā)展起步較晚，但在“十三五”“十四五”行業(yè)發(fā)展規(guī)劃以及“雙碳”目標推動下發(fā)展迅速。截至2024年第三季度，我國海上風電累計建成的并網(wǎng)容量達到40 GW，約占全球總容量的50%。未來10年，我國將進一步擴大海上風電的開發(fā)規(guī)模。然而，受制于技術、成本等因素，我國海上風電項目集中在近海淺水區(qū)，而深遠海風電開發(fā)的累計裝機容量僅為數(shù)十兆瓦（僅占全球總容量的10%），遠低于固定式海上風電的規(guī)模。為此，“十四五”行業(yè)發(fā)展規(guī)劃明確提出，加快深遠海風電技術發(fā)展，加大對浮式風電示范項目的政策支持力度。整體上，我國海上風電特別是深遠海浮式風電具有廣闊的開發(fā)前景。
面對復雜的深遠海環(huán)境，大型化的浮式風力機具有更高的發(fā)電效率、更低的度電成本，成為必然的技術發(fā)展趨勢，由此引發(fā)了風電機組、浮式基礎的大型化。作為海上風電系統(tǒng)核心的風電機組，單機容量已從前期的5 MW提升至當前的20 MW，以整機規(guī)模的跨越式發(fā)展驅動風力機基礎、電纜、安裝、運維等方面成本的有效降低。在這一發(fā)展過程中，國內(nèi)企業(yè)和機構掌握了風力機組控制一體化、荷載優(yōu)化等關鍵技術，提高了整機和主要部件的制造水平，實現(xiàn)了風電技術從引進、消化吸收到自主創(chuàng)新。例如，中車啟航新能源技術有限公司研制的“啟航號”20 MW浮式海上風電機組，風輪直徑約為260 m、輪轂高度約為151 m，應用了智能化、系統(tǒng)模塊化、全鏈協(xié)同化等關鍵技術，在常規(guī)運行和極端工況下具有良好的平穩(wěn)性與安全性。
在現(xiàn)階段，我國海上風電項目集中在近海淺水區(qū)。為了適應海上風電走向深遠海的發(fā)展形勢，需要借鑒海上油氣平臺方面的成熟經(jīng)驗，開展深遠海浮式風電多類基礎形式的應用研究。我國投產(chǎn)的深遠海浮式風力機基礎形式以半潛型為主（見表1），高性能、經(jīng)濟型的TLP型基礎也獲得廣泛關注。我國浮式風電的開發(fā)模式有并網(wǎng)開發(fā)、離網(wǎng)供電兩類（見表2）。以陸上風力機設計經(jīng)驗、近海固定式風力機建設經(jīng)驗為基礎的浮式海上風電開發(fā)模式主要適用于近岸項目，而深遠海風能開發(fā)模式需要持續(xù)探索和積累。離網(wǎng)供電、多能協(xié)采是現(xiàn)階段國內(nèi)漂浮式風電實現(xiàn)盈利開發(fā)的有益探索，如中國海洋石油集團有限公司借鑒深水工程經(jīng)驗，建設了水深>100 m、離岸距離>100 km的離網(wǎng)深水浮式風力機示范項目（“海油觀瀾號”），實現(xiàn)海上風電與海上油氣多能協(xié)采。此外，突破跨海輸電技術以滿足深遠海的電力遠距離輸送要求，模塊化多級變頻器、電能存儲系統(tǒng)、非并網(wǎng)應用系統(tǒng)等技術可為深遠海浮式風電場的開發(fā)模式提供新思路。
表1 我國投產(chǎn)的漂浮式風力機樣機項目
表2 我國漂浮式風電開發(fā)模式對比
我國海上風電發(fā)展迅速、前景廣闊，對于深遠海風電開發(fā)而言則是挑戰(zhàn)與機遇并存。我國浮式風電已由科研探索階段轉入生產(chǎn)示范階段，但整體規(guī)模較小、基礎平臺型式較為單一、運維成本顯著高于傳統(tǒng)的固定式風電，尚未實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化。近年來，浮式風電在技術研發(fā)方面取得了一些進展，但整體上發(fā)展滯后、體系不夠完善；浮式風力機機理性研究有待深入開展并通過系統(tǒng)性的實驗驗證，浮式風力機一體化耦合與迭代優(yōu)化、海洋極端環(huán)境下浮式基礎總體設計與優(yōu)化等關鍵技術亟待突破。
我國海上風電開發(fā)整體上處于創(chuàng)新鏈培育階段，而高端產(chǎn)業(yè)鏈尚未完全建立；行業(yè)可持續(xù)、有序發(fā)展面臨挑戰(zhàn)，海上風電價格補貼機制的退出加劇了這一態(tài)勢。國內(nèi)海上風電整機市場競爭激烈，投資開發(fā)環(huán)境嚴峻，致使關鍵產(chǎn)品質量的長期可靠性面臨風險；熱點開發(fā)區(qū)域存在隱性“門檻”，不利于行業(yè)優(yōu)勢企業(yè)公平參與市場競爭，影響海上風電產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展；海上風電產(chǎn)業(yè)開發(fā)缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃與協(xié)同機制，研究課題重復立項、企業(yè)重復研發(fā)現(xiàn)象突出，未形成技術攻關合力；海上風電產(chǎn)業(yè)技術體系尚不成熟，風力機組與浮式基礎設計存在界面劃分，一體化設計優(yōu)化難以實現(xiàn)；建造、安裝、施工、運維技術及相關設備緊缺，導致海上風電開發(fā)項目的實施難度和綜合成本增加。
（三）我國深遠海風電發(fā)展面臨的困難和技術挑戰(zhàn)
我國海上風電產(chǎn)業(yè)的未來在深遠海，但漂浮式風電技術仍處于由樣機示范到小批量商業(yè)化示范的初級發(fā)展階段，深遠海風電開發(fā)存在的困難主要體現(xiàn)在以下方面。① 海上風電項目的審批核準流程相對復雜，政策的滯后性與連續(xù)性并存，相關影響評估體系不完善，需要優(yōu)化政策機制，保障深遠海風電開發(fā)健康有序發(fā)展。② 深遠海風資源分布不均、海況復雜，存在高風險概率的臺風、高波陡極端波浪等，對浮式風電機組技術裝備要求高，需要突破機組、基礎、系泊、建造、運維等一系列技術瓶頸。③ 浮式風電產(chǎn)業(yè)鏈長、關聯(lián)度高，浮式風力機的總裝受限于近岸碼頭和航道水深，使設計范圍受限，新型系泊產(chǎn)品、快速安裝裝備等高端配套產(chǎn)品的供應能力尚待完善。④ 我國綜合電價較歐洲、周邊國家偏低，對深遠海風電開發(fā)的經(jīng)濟性要求更高，而浮式風電造價高、距離商業(yè)化大規(guī)模開發(fā)仍有相當?shù)牟罹?，全面的降本增效成為迫切需求?/span>
我國可商業(yè)化應用的浮式風電技術體系尚未形成，深遠海浮式風電開發(fā)的技術挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在以下方面。① 單機裝機容量逐步加大，槳葉、塔體等風力機主要結構更為大型化、柔性化，導致結構體系在風浪流等動力荷載作用下的振動問題愈發(fā)突出，伴生了浮體縱搖與槳葉變槳耦合失穩(wěn)、負阻尼效應下浮式風力機控制系統(tǒng)失穩(wěn)、長柔槳葉的氣動彈性、固定式海上風電組在浮式結構中的適用性等技術問題。② 浮式基礎是深遠海浮式風力機穩(wěn)定運行的關鍵支撐，隨著浮式基礎的大型化，浮體剛度假定不再適用，流固耦合作用更加復雜，帶來了非線性程度增加，旋轉槳葉、塔體、基礎平臺耦合共振等問題，對大型浮式基礎在復雜海洋環(huán)境荷載下的穩(wěn)性、可靠性構成了挑戰(zhàn)，向風力機槳葉、控制系統(tǒng)、系泊系統(tǒng)等部件的設計可靠性提出了更高要求。③ 海上風電運維技術水平不匹配海上風電建設規(guī)模，風電裝備智能化水平不高，大型組件的海上故障維修與更換技術未能突破，大型運維裝備等資源存在不足，不適應未來深遠海風電大規(guī)模開發(fā)的需求。
三、深遠海浮式風電技術攻關剖析
（一）科學問題辨析
1. 浮體運動條件下大型風力機氣動荷載演變機理
浮式風力機的槳葉趨向輕質化、長柔化發(fā)展，在復雜海洋環(huán)境下的氣動問題更顯突出。細長柔性槳葉在旋轉離心力、交變氣動荷載的作用下可能發(fā)生突然偏轉以適應氣動荷載的變化，但這種偏轉可能不穩(wěn)定，進而導致槳葉失效或損壞。浮式平臺在浪流作用下會產(chǎn)生復雜的動態(tài)響應，可能加劇上述不穩(wěn)定現(xiàn)象；浮式平臺的小幅運動會因塔體的高柔特性而引起風力機的大幅運動，使風力機槳葉的動態(tài)特性變得更加顯著。特別地，浮式平臺運動會導致槳葉拍擊風輪尾跡場，致使槳葉與高度不穩(wěn)定的尾跡場耦合，甚至引發(fā)氣動載荷大幅波動，影響風力機的運行安全與發(fā)電效率。此外，浮式平臺的周期性運動會導致氣動載荷的周期性變化，將增大浮式風力機運行的不確定性。
需要探究浮式風力機槳葉與風輪尾跡的耦合機制，發(fā)展高效的風力機氣動性能分析方法，研究浮式平臺運動對大型浮式風力機槳葉繞流場、風輪尾跡、葉片彎矩、風輪推力的作用機制及影響規(guī)律，揭示浮式平臺運動條件下大型浮式風力機氣動荷載的演變機理，建立高效、高置信度的氣動載荷預測方法，確保浮式風力機系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運行。
2. 高波陡條件下半潛型基礎的運動抑制機理
中國海洋石油集團有限公司對南海環(huán)境條件開展了超過20年的監(jiān)測與分析，發(fā)現(xiàn)南海海域特別是深水區(qū)域的極端波浪呈現(xiàn)外海長周期涌浪與本地風浪疊加、極端波浪由臺風控制且波陡大、能量集中度高等特點。在高波陡條件下，浮式平臺易產(chǎn)生與波高線性相關的一階運動、與波高的平方成正比的二階運動。實踐表明，浮式平臺的二階運動總體貢獻度>50%，成為威脅浮式平臺長期安全服役的重要因素。對波致振動敏感的半潛浮式風力機，極端條件下的動力運動更加復雜，縱搖運動和機艙加速度應滿足補充的設計要求。
需要針對半潛浮式風力機的服役要求，結合南海海域極端波浪的高波陡特性，研究二階波浪載荷作用下半潛浮式風力機的運動響應特性，探討穩(wěn)性高、縱搖固有周期與一階縱搖的相互影響機制（見圖1），建立高波陡條件下半潛浮式風力機的縱搖抑制方法和相關設計準則，確保極端波浪作用下半潛浮式風力機仍能維持良好的縱搖運動特性。
圖1 半潛平臺低頻縱搖與穩(wěn)性高的非線性關系
3. 張力腿式基礎與葉片轉動激勵共振機理
TLP通過垂向的系泊張力平衡平臺浮體產(chǎn)生的超額浮力來保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，廣泛應用于深水油氣開發(fā)，全球在役和在建的TLP共有近30座。TLP具有半順應性、半剛性的運動性能，在縱蕩、橫蕩、首搖3個水平面內(nèi)的運動固有周期遠小于波浪主能量的周期范圍；在張力腿浮筒承受波浪力的較大水平分量作用下，通過張力腿在水平面內(nèi)的柔性實現(xiàn)平臺3個水平面內(nèi)的運動，表現(xiàn)為順應性；在縱搖、橫搖、垂蕩3個垂直面內(nèi)運動的固有周期遠小于波浪主能量的周期范圍，較大的張力腿預張力使3個垂直面內(nèi)（縱搖、橫搖、垂蕩）的運動較小，表現(xiàn)為半剛性，從而使TLP呈現(xiàn)出優(yōu)異的水動力性能（見圖2）。
圖2 浮式油氣平臺固有頻率與波浪能量關系
注：1P表示葉片轉動頻率；3P表示3倍葉片通過頻率。
對于張力腿浮式油氣平臺，共振現(xiàn)象主要體現(xiàn)在風浪環(huán)境載荷與系泊系統(tǒng)的耦合振動上，相關的振動響應求解方法、工程設計軟件、水池試驗較成熟。而在浮式風電領域，張力腿式基礎不僅需要應對風浪環(huán)境載荷激勵，而且需要考慮固有周期<5 s的多種高頻共振成分，如風力機葉輪3P、塔筒1階固有頻率、葉片1階固有頻率、基礎縱搖／橫搖固有頻率、垂蕩固有頻率等。為此，張力腿浮式風電機組仿真分析應采用一體化全耦合技術，以充分掌握共振響應特性并揭示共振機理。在此基礎上，研究避免或者抑制張力腿浮式風力機高頻共振的設計方法，以更好指導實際工程設計；采用一體化全耦合方法，分析張力腿浮式基礎系泊的張力響應譜，以直觀展示此類基礎與風力機之間的復雜共振特性（見圖3）。
圖3 張力腿式風電機組系泊張力響應譜
4. 風場與波流場高精度保真測試技術
一體化縮尺模型試驗是驗證浮式風力機性能和經(jīng)濟可行性的有效方法，可提供較數(shù)值模擬、硬件在環(huán)測試更加可靠的結果，有利于在高成本海試前發(fā)現(xiàn)并解決潛在的技術問題。然而，模型中的風力機、浮體具有不同的相似準則（表征風力機空氣動力學特性的雷諾數(shù)相似準則、表征浮體水動力特性的弗勞德數(shù)相似準則），難以在同一個物理場中實現(xiàn)氣動力、水動力的精確匹配模擬，引發(fā)氣動 ? 水動荷載失調的問題。
浮式風力機的物理模型試驗系統(tǒng)需要以修正或等效的浮式風力機模型氣動載荷為基礎，主要分為全實物模型試驗、基于數(shù)值浮體的半實物模型試驗、基于數(shù)值風輪的半實物模型試驗。① 以性能相似風輪為基礎的全實物模型試驗，可較好地模擬風場旋轉采樣效應、陀螺效應、氣動荷載的動態(tài)特性匹配度等，但嚴重依賴造風風場的模擬能力、精細化的風輪模型設計能力。② 基于數(shù)值風輪的半實物模型試驗以驗證水動力特性為目的、以水池試驗為手段，采用近似方法進行模擬，犧牲風洞實驗中常用的雷諾數(shù)相似準則，僅保證風力發(fā)電機組的載荷相似。③ 基于數(shù)值浮體的半實物模型試驗忽略弗勞德數(shù)相似準則，而側重驗證風力機氣動性能特性。
然而，這3類方法忽略了風電機組與浮式基礎之間的動力耦合，難以真實反映浮式風力機的動力響應特性，無法支撐浮式基礎設計優(yōu)化、風電機組控制策略優(yōu)化；不同物理場條件下數(shù)據(jù)實時交互與耦合存在瓶頸，需要采取新技術手段予以突破；均以風輪氣動載荷匹配為約束準則，面向大型浮式風力機的適應性存在局限。因此，建立風場與波流場協(xié)同的縮尺測試理論以及相應的高精度保真測試技術，成為未來浮式風力機試驗測試技術的攻關方向。
（二）關鍵技術問題梳理
1. 大型浮式風力機高效保真氣動建模技術
良好的空氣動力學特性是確保大型浮式風力機安全可靠并提升發(fā)電效率的關鍵。由于受到浮式平臺的影響，大型浮式風力機的氣動性能趨于復雜，如浮式平臺的運動可引起槳葉的非定常效應（呈現(xiàn)高度動態(tài)和非線性特征）甚至失速風險，也會增強槳葉與風輪尾跡的耦合效應，造成氣動載荷發(fā)生較大波動，顯著影響風力機的運行安全。需要采用精細的數(shù)學模型和高效的計算方法，以精確捕捉浮式風力機的非定?？諝鈩恿W特性，進而可靠預測不同工況下的氣動荷載和輸出功率。
非定常空氣動力學數(shù)值模擬方法主要分為葉素動量理論方法（BEM）、渦流理論方法（FVM）、計算流體力學方法（CFD）。BEM建模簡單、計算效率高，但依賴工程修正模型，計算精度相對低，特別是對強陣風、浮式平臺振蕩、復雜尾流狀態(tài)等非定常因素的模擬精度不足。FVM的計算精度和適應性優(yōu)于BEM，可精確捕捉槳葉與風輪尾跡的耦合效應，但難以描述復雜運動狀態(tài)下風力機槳葉表面的分離流動、強三維流動特性。CFD方法可以較為真實地捕捉平臺運動狀態(tài)下浮式風力機局部翼型繞流、風輪尾跡的動態(tài)演化特征，但建模復雜、計算量大、成本高，難以支持浮式風力機氣動性能的優(yōu)化與控制。
需要發(fā)展現(xiàn)有的數(shù)值分析方法，開展浮式風力機非定常氣動特性試驗技術研究，開發(fā)實時監(jiān)測系統(tǒng)，建立基于物理 ? 數(shù)據(jù)驅動的高效浮式風力機氣動分析模型；深入揭示浮式平臺運動條件下風輪非定常氣動特性、氣動荷載變化規(guī)律、動態(tài)尾跡演化特性，進而提高浮式風力機的設計水平和運營成效。
2. 大型浮式風力機一體化耦合分析及迭代優(yōu)化技術
增加風力機的單機容量、風輪直徑、塔體高度，以更高的發(fā)電利用小時數(shù)更好地捕捉深遠海高空穩(wěn)定的風資源，據(jù)此提高海上風電開發(fā)的經(jīng)濟性并實現(xiàn)降本增效。風力機大型化、深遠海化是海上風電資源開發(fā)的發(fā)展趨勢，推動浮式基礎朝著大型化方向發(fā)展。相較小型浮式基礎，大型浮式基礎具有良好的穩(wěn)定性和耐波性，但剛體假設不再適用，即在波浪作用下可能產(chǎn)生復雜的動力響應，因而需要考慮浮式基礎的剛度、模態(tài)對整機模態(tài)及水動力載荷的影響。大型浮式基礎在復雜海洋環(huán)境荷載作用下需有高的穩(wěn)定性和可靠性，才能保障浮式風力機的長期安全穩(wěn)定運行。浮式風電機組作為多物理場、多體非線性耦合動力系統(tǒng)，需采用一體化耦合方法進行模擬（見圖4），以捕捉氣動力、結構彈性、風力機控制、浮體水動力、系泊系統(tǒng)的非線性耦合特性，準確模擬浮式風電機組的動力響應。
圖4 浮式風電一體化耦合方程
工程中主要采用分離式設計方法，由提供主機和塔筒的海上風電整機廠家、提供浮式基礎（浮體、系泊系統(tǒng)）的設計單位進行交互式迭代。對于固定式海上風電，整機廠家與設計單位采用相對成熟的法蘭交界面等效疲勞載荷迭代方法進行優(yōu)化，但該方法在浮式風電領域的適應性較差。因此，采用一體化耦合方式成為全行業(yè)的傾向性發(fā)展方向。國內(nèi)風電行業(yè)依然存在“卡點”：整機廠家對外不開放風力機數(shù)據(jù)，通常獨立完成浮式風電一體化耦合仿真分析；相關載荷再傳遞至設計單位，由設計單位進行浮式基礎設計優(yōu)化。在這一過程中，整機廠家應用的設計軟件側重風力機和塔筒，而對浮式基礎的水動力、系泊系統(tǒng)仿真能力不足，難以準確反映浮式基礎的動力響應，也就影響一體化耦合設計的準確性和效率。
深遠海風資源的經(jīng)濟性開發(fā)價值明確，漂浮式風電降本需求凸顯。中國海洋石油集團有限公司結合深遠海浮式設施方面的工程經(jīng)驗，提出了風電機組設計重構技術，在半潛、TLP風力機研究中基本解決了整機廠家風力機核心數(shù)據(jù)不對外開放的“卡點”，也認為當前的風電機組設計缺乏對浮式基礎運動特性的深入了解而致載荷預報存在誤差。
3. 浮式風力機基礎結構疲勞時域分析技術
浮式風力機基礎結構的疲勞響應直接受到風力機載荷、波浪載荷、基礎運動的耦合作用，頻域響應涉及多個頻率范圍（如波浪頻率、運動頻率、風力機葉輪轉動頻率、風力機塔筒固有頻率），呈現(xiàn)非窄帶譜特征，導致傳統(tǒng)的頻域疲勞分析方法不再適用。然而，非傳統(tǒng)的頻域疲勞分析方法（如Dirlik方法）在浮式風力機上的應用尚不成熟，難以支持工程實踐。
需要采用時域疲勞分析技術作為浮式風力機基礎結構疲勞設計的核心方法，以綜合考慮風載荷、波浪載荷、基礎運動的耦合作用對結構疲勞損傷的影響。浮式風力機基礎的時域結構疲勞分析主要有兩種思路：在一體化耦合分析的基礎上，考慮時域內(nèi)風力機、波浪、系泊、慣性載荷之間的傳遞關系，通過時域結構分析獲得時域疲勞應力響應，再推導出疲勞損傷和壽命，整體計算效率偏低；將風力機載荷與其他載荷分開考慮，即采用時域方法計算風力機載荷造成的疲勞損傷、利用傳統(tǒng)頻域方法計算其余部分的疲勞損傷，再疊加得到總的疲勞損傷，整體計算效率較高。
4. 大型浮式風力機系統(tǒng)的運動抑制技術
浮式風力機的大型化發(fā)展驅動風電結構的柔性化，致使結構體系在復雜海洋環(huán)境動力荷載作用下的振動問題更為突出。結構控制技術可有效抑制浮式風力機系統(tǒng)的運動，延長風力機的服役壽命并提高運行效率：在浮式風力機系統(tǒng)中增加結構振動控制器，減少浮式風力機系統(tǒng)中不利的振動，實現(xiàn)系統(tǒng)的運動抑制和振動控制。減振裝置調諧質量阻尼器（TMD）適用于浮式風力機的槳葉、塔體以及浮式平臺的減振控制，但TMD附加質量大、運動行程遠，在安裝空間受限的風力機系統(tǒng)中難以普及應用。浮式風力機具有寬頻和非平穩(wěn)振動特性，而TMD減振頻帶窄，實際的控制效果有限。
可引入慣容器，通過較小的物理質量即可實現(xiàn)較大的表觀質量。利用慣容器輕質、放大的特性，在基本不改變結構物理質量的前提下進行慣性的靈活調整和頻率調節(jié)，進而提高慣容器的減振性能。對于具有寬頻振動特征的浮式風力機系統(tǒng)，慣容器的控制適應性有待進一步研究，目前多為理論分析，缺乏試驗驗證和工程應用。浮式風力機具有大幅平臺運動、結構非線性振動耦合的特點，對結構控制設計提出了較高要求，需要設計更加精細和高效的控制策略。
5. 深水系泊疲勞分析技術
系泊系統(tǒng)事關深遠海浮式風電在復雜海洋環(huán)境下的安全穩(wěn)定運行，動力響應受上部風力機結構運動、浮體運動、風輪轉動、波流荷載等的顯著影響，面臨疲勞損傷、技術經(jīng)濟性等方面的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有的系泊設計分析主要以準靜態(tài)模型、有限元模型、細長桿模型為基礎。準靜態(tài)模型采用懸鏈線理論，適用于淺水系泊工況，但難以計及深水系泊的動剛度特性。有限元模型將系泊等效為集中質量 ? 剛度單元，可模擬系泊在張緊、高頻運動下的響應特征以及局部的應力疲勞損傷，但計算量大，難以支持實時仿真或快速響應的需求。細長桿理論將系泊模擬為具有彈性和任意幾何形狀的桿件，可捕捉系泊在不同荷載下的響應特征與張力疲勞情況，但分析精度依賴系泊繩為連續(xù)介質的假設，忽略了橫向和局部的復雜效應。
值得指出的是，現(xiàn)有的系泊設計分析方法難以模擬系泊單元的平面內(nèi)／外彎曲疲勞損傷，浮式風力機上部結構引起的高頻振動、二階和頻波浪力可能誘發(fā)的系泊共振等顯現(xiàn)，導致系泊疲勞壽命預測精度不佳。需要發(fā)展適用性強，兼顧分析精度、計算效率的系泊抗疲勞設計分析技術，開發(fā)抗疲勞性能優(yōu)異的新型系泊材料，以滿足深遠海浮式風電對系泊安全性和經(jīng)濟性的要求。
6. 高可靠性動態(tài)電纜分析技術
動態(tài)電纜用于傳輸電能和信號，承受復雜的海洋環(huán)境作用，易出現(xiàn)張拉、彎曲、扭轉等復雜變形，是浮式風力機與海底輸電系統(tǒng)之間的關鍵連接部件。特別是在風浪流長期循環(huán)載荷、浮式基礎耦合以及腐蝕的作用下，動態(tài)電纜易產(chǎn)生彎曲疲勞損傷甚至斷裂。常用的動態(tài)電纜分析方法是有限元方法、多體動力學方法。有限元方法可以計及動態(tài)電纜的非線性特征（如材料、幾何、接觸非線性），準確捕捉應力集中、局部疲勞特性，但難以處理動態(tài)電纜的大范圍運動（如漂移、懸垂大變形）。多體動力學方法將動態(tài)電纜簡化為多個剛性或柔性單元，建模簡單、計算效率高，支持快速分析動態(tài)電纜的整體運動特性，但難以捕捉非線性和局部特性。
有限元、多體動力學方法具有分析能力互補優(yōu)勢，結合后可兼顧動態(tài)電纜的整體動力學特性快速評估、局部關鍵部位精細化分析，將成為未來動態(tài)電纜可靠性分析的重要手段。也需開發(fā)新型和智能材料，發(fā)展智能化參數(shù)優(yōu)化設計、檢測與故障診斷技術，逐步構建高柔性、抗疲勞、耐腐蝕的高可靠性動態(tài)電纜技術體系，以切實增強復雜海洋環(huán)境下動態(tài)海纜的服役可靠性。
7. 浮式風力機錨固基礎承載力分析技術
半潛型、TLP型浮式風力機基礎通常需要配置多個高成本的系泊錨固基礎。為了探索降本增效，共享錨固基礎開始應用至半潛型基礎、TLP型基礎的概念設計方案。對于半潛型風力機基礎，系泊錨基礎的水平抗力是決定在位性能的主要控制因素。TLP風力機基礎采用垂直系泊系統(tǒng)，豎向抗力成為在位性能的主要控制因素。共享錨受到多向的復雜荷載作用，在位性能、設計方法同單根系泊纜的系泊基礎存在明顯差異，受力模式更為復雜。
需要形成面向風力機 ? 浮體 ? 系泊 ? 錨固基礎的一體化耦合分析方法，研究多向靜荷載和循環(huán)荷載作用下錨固基礎與地基土體的相互作用，分析抗水平、抗拔錨固基礎的承載機理與破壞模式，支持錨固基礎設計方案優(yōu)化。進一步提高錨固基礎的抗水平、抗拔性能，增強浮式平臺在復雜海洋環(huán)境下的穩(wěn)定性，建立智能監(jiān)測和控制技術，拓展深遠海浮式風力機錨固基礎技術體系，為錨固基礎設計提供依據(jù)。
8. 浮式風力機先進材料開發(fā)與測試技術
半潛型、TLP型的浮式風力機，其基礎多為鋼結構。浮式基礎尺寸進一步加大，對經(jīng)濟性、耐久性、可靠性的要求越來越高。以混凝土結構作為浮式基礎具有較好的經(jīng)濟性和耐腐蝕性，但重心偏高導致俯仰運動更明顯，可能因承受較高的塔基荷載、機艙加速度而引發(fā)波致疲勞或損壞。因此，開展輕質高強混凝土、高性能復合材料的研發(fā)與測試，是未來浮式風力機基礎方面的重要技術方向。
在系泊系統(tǒng)材料方面，國內(nèi)服役的半潛型浮式風力機均采用傳統(tǒng)的錨鏈或者錨鏈與鋼纜組合，如系泊鋼纜首次應用于FPSO、浮式風力機系泊項目。然而，錨鏈、鋼纜的質量相對大，不利于提高浮式平臺的性能，材料成本也較高。纖維系泊纜成本低、密度小、可提供較大的恢復力，開始在海洋油氣平臺的系泊系統(tǒng)中獲得應用，也成為浮式風力機的應用趨勢之一。對于浮式風力機系泊纜繩采用的纖維材料，需要應用綜合性能測試技術，優(yōu)選高強度、低蠕變、耐磨、抗紫外線的纖維材料；在保障浮式風力機系泊系統(tǒng)在位安全的基礎上，減少纖維系泊纜海上安裝和張緊流程，降低安裝施工的資源需求，提升作業(yè)安全性。
9. 浮式基礎結構大規(guī)模定制技術
深遠海漂浮式風電機組的大型化、定制化發(fā)展趨勢明確，安裝費用在相關項目總投資中的占比將逐步降低。結合當前試點項目的良好進展，預計未來5年我國深遠海漂浮式風電將進入商業(yè)化推廣階段。為此，需要建立浮式基礎結構的大規(guī)模定制技術，與大兆瓦、定制化風電機組相匹配，利于開展規(guī)模化建造、集成、拖航、安裝。
針對各類海域環(huán)境，采用一體化耦合分析技術，確定與大兆瓦定制化風電機組相匹配的浮式基礎類型，開展兼顧結構輕量化與強度的一體化基礎強度設計；解決設計多樣性與環(huán)境適配性問題，形成適應不同海域、大型基礎結構形式的標準化設計分析模塊。突破模塊化生產(chǎn)瓶頸技術，構建浮式基礎模塊化、同步化、智能化的制造與裝配能力，形成包含前端設計、后端制造與裝配在內(nèi)的全鏈條定制技術，利于大批次合攏組裝、風力機集成以及多座浮式基礎成批次地拖航與安裝。
10. 高效集成與海上安裝回接技術
浮式風力機單機裝機容量趨向大兆瓦級，引發(fā)海上風電機組及結構朝著大型化、柔性化方向發(fā)展，也使浮式風力機的集成難度加大，對于離岸較遠的深遠海項目而言更是如此。工程上通常在碼頭將上部風力機與下部基礎進行集成，再整體拖放至安裝地點。這一過程涉及風電機組與浮式基礎安裝的靜對動、動對動問題，也需開展整體拖航分析。根據(jù)數(shù)值模擬、荷載響應分析結果，確定海上集成安裝的可作業(yè)工況，提高安裝船性能預報的準確性，再采用船體運動補償裝置、配有主動控制系統(tǒng)的舉升裝置開展集成。針對安裝過程特性，發(fā)展數(shù)值模擬、荷載響應分析、運動控制等技術，形成海上風電安裝短期性能預報技術，抑制風浪流作用下葉片、安裝船、風力機基礎之間的相對運動，減少高柔風力機結構的疲勞損傷。開發(fā)適應大型浮式風力機的新型安裝船，保障深遠海風電規(guī)?；_發(fā)需求。復雜海況下的長距離拖航顯著影響浮式風力機系統(tǒng)的運動狀態(tài)，精確捕捉拖航運動中風力機的非線性振動特性、托纜繩的動態(tài)效應等是關鍵內(nèi)容；需要建立浮式風力機 ? 拖纜繩 ? 拖船一體化的拖航系統(tǒng)數(shù)值模型，進行不同拖航方式下拖航系統(tǒng)的穩(wěn)性和安全性分析。
浮式風力機海上安裝回接流程操作復雜，對安裝精度要求高；半潛型基礎相對簡單且風險較低，而TLP風力機需要與拖航進行統(tǒng)籌考慮。可考慮僅具有拖航穩(wěn)性、采用錨機實現(xiàn)系泊系統(tǒng)的回接張緊及平臺吃水調整，也可考慮采用臨時浮筒來同步確保安裝回接期間的穩(wěn)性，通過壓排載調節(jié)風力機吃水實現(xiàn)系泊系統(tǒng)的回接及預張力調整（需要設計安全可靠、易于拆卸的臨時浮筒與風力機基礎的連接方式）。國內(nèi)的安裝操作經(jīng)驗積累不足，安裝技術應用風險較高，需要對安裝回接過程開展一體化耦合仿真分析論證，以明確合適的安裝回接海況及方式。
11. 深遠海風電海上智慧運維技術
目前國內(nèi)浮式風電運維存在諸多難點問題；浮式風電處于從單機示范到規(guī)?；O計的發(fā)展過程，運維應用場景和工程經(jīng)驗不足，運維技術體系不夠完善；機位可達性差，可作業(yè)船只少，運維裝備無法滿足深遠海浮式風電的運維要求；浮式風電系統(tǒng)的大部件更換通常采用拖航回港口的方式，成本較高、技術難度偏大。在海上風電場的全生命周期成本構成中，運維費用占比約為20%。深遠海域的浮式風電場離岸距離較遠，人員可達性差，惡劣的風浪等環(huán)境條件導致人員可駐留時間短；我國東南沿海地區(qū)易受臺風影響，增加了人員安全的風險。傳統(tǒng)的風電運維方式以“人員”為核心，效率和可靠性等存在不足，因而開展風電運維體系的數(shù)字化、智能化轉型（見圖6）較為迫切。本研究結合中國海洋石油集團有限公司在深水油氣運維、浮式風電開發(fā)方面的工程經(jīng)驗，提出了浮式風電智慧運維總體方案構想：以涵蓋機組、核心部件的全域感知智能監(jiān)測系統(tǒng)為基礎，監(jiān)測機艙與平臺運動、關鍵結構應力、螺栓預緊力、潤滑油品、傳動鏈震動、腐蝕電位、柔性結構振動等，發(fā)展海上浮式風電裝備智能控制技術體系，構建故障在線診斷與預測及主動響應系統(tǒng)，建立包含集控中心、智能決策、智能生產(chǎn)管理在內(nèi)的預防性智慧運維體系，以提升運維效率并降低運維成本。
圖6 海上風電運維數(shù)字化、智能化轉型示意圖
（三）基礎軟件能力瓶頸
1. 浮式風力機一體化耦合設計分析軟件
浮式風力機系統(tǒng)較為復雜，內(nèi)部各模塊之間存在強耦合作用，不宜直接采用各模塊獨立進行分析的處理方式。例如，直接采用固定式風電機組載荷作為浮式基礎動力響應的輸入，將會忽略基礎運動對風力載荷的影響，造成結構運動與機組載荷不同步，引起分析結果的偏差；這些偏差受海洋環(huán)境條件影響較大，難以直接量化，可能會誤導風電系統(tǒng)的設計與優(yōu)化方向。需將浮式基礎、風力機組置于同一系統(tǒng)，開展同步建模，進行一體化分析，才能準確把握浮式風電系統(tǒng)的動力響應特性。
當前，浮式風力機一體化分析多采用浮體模塊、風力機組模塊之間進行實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶幚矸绞剑杂蜌馄脚_為代表的傳統(tǒng)浮式結構、陸上固定式風電機組的動力分析理論及數(shù)值工具均較為成熟。在此背景下，浮式風力機一體化分析的關鍵在于融合水動力、風力機組的計算方法；兩方面獨立計算并進行數(shù)據(jù)實時傳遞，可對雙頭機、共享系泊等復雜結構進行耦合分析。① 最初用于固定式風力機組分析的軟件，在引入水動力及系泊模塊后實現(xiàn)一體化耦合分析功能，如OpenFAST軟件中的HydroDyn、MoorDyn模塊。② 最初用于油氣平臺等傳統(tǒng)浮式結構動力響應分析的軟件，引入風力機組分析模塊而形成風力機氣動分析能力，如Orcaflex軟件中的氣動分析程序AeroDyn。③ 通過創(chuàng)建界面方式可實現(xiàn)一體化耦合分析功能，如FAST軟件整合到AQWA軟件的子程序user_force中，在FAST、AQWA獨立計算的基礎上，經(jīng)由user_force界面實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳遞。
盡管上述做法解決了一體化分析工具的可用性問題，但相關模塊開發(fā)尚不成熟、整合不夠完善，在功能完備性、分析準確性、計算效率上遠未達到成熟水平，仍需結合工程實際需求進行持續(xù)性的改進和提升。
2. 實時數(shù)字孿生系統(tǒng)
深海風電平臺遠離陸地，長期在惡劣的海洋環(huán)境下服役，安全運營更多依賴自身的結構安全性。數(shù)字孿生作為海洋開發(fā)智能化轉型的重要支撐技術，可在保障深遠海浮式風電安全和可持續(xù)開發(fā)方面發(fā)揮積極作用。
實時孿生技術通過構建系統(tǒng)機理模型并結合現(xiàn)場可測數(shù)據(jù)、海洋氣象預報數(shù)據(jù)，形成矢量化的風電平臺荷載模型，繼而通過數(shù)據(jù)反演進行平臺在役參數(shù)的實時修正，在數(shù)字空間中同步重構真實風電平臺，建立機理性數(shù)字孿生體，實現(xiàn)風電平臺預測預警、物性參數(shù)評估、船體姿態(tài)控制等智能化運維保障功能。相關技術應用得到的集合分析結果，直接支持設計參數(shù)優(yōu)化，串聯(lián)起浮式風力機方案設計、現(xiàn)場作業(yè)保障等工程環(huán)節(jié)；也可通過機理性模型開發(fā)，解決目前簡化模型、機器學習存在的低可解釋性、弱泛化能力等問題。需要注意到，受制于海洋環(huán)境的非穩(wěn)態(tài)特征、平臺弱模態(tài)特征等因素，現(xiàn)階段的深遠海浮式風電實時孿生系統(tǒng)存在反演理論不完善、控制系統(tǒng)協(xié)調性差等問題，仍需開發(fā)并集成新的理論和技術，才能滿足深遠海風電智能化發(fā)展要求。
四、深遠海浮式風電技術發(fā)展方向探析
（一）不同型式浮式風力機的發(fā)展方向
漂浮式風電基礎具有4種基本類型：駁船型、Spar型、半潛型、張力腿型（見表3）。駁船型式建造簡單，可進行整體拖航安裝，但運動性能較差，不適應深遠海惡劣的環(huán)境條件。Spar型式建造簡便但安裝復雜，需要大水深的遮蔽海域來進行扶正作業(yè)、風力發(fā)電機組與基礎的集成作業(yè)，不適應我國產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展、航道、海域等條件。張力腿浮式風力機的在位性能接近固定式風力機，整體發(fā)電量更高，相應的系泊纜覆蓋面積小、布置簡潔，電纜抗疲勞特性更好，易于布置送出走向。綜合來看，半潛型、張力腿型浮式風力機是我國漂浮式風電的主要發(fā)展方向。
表3 不同類型浮式風力機基礎的特點
對比5.5 MW半潛浮式風力機、16 MW半潛浮式風力機、16 MW張力腿浮式風力機的用鋼量組成（見表4）可見：隨著單機容量的增加，鋼材利用率由5 MW水平的800 t/MW下降至16 MW水平的350 t/MW，綜合建設成本由5萬元/kW下降至2.3萬元/kW；下降后的綜合建設成本接近廣東地區(qū)的固定式風力機平價上網(wǎng)成本（1.5~1.8萬元/kW），賦予了小規(guī)模商業(yè)化開發(fā)的條件。如果僅考慮一次性建設投入，現(xiàn)階段張力腿浮式風力機的建設成本已與半潛浮式風力機基本相當；而張力腿浮式風力機的用鋼成本更低，加之規(guī)?；_發(fā)可共享安裝資源，表明降低安裝成本的前景良好。
表4 百米水深16 MW風力機建設用鋼量對比
浮式風力機的裝機容量不斷升高，搭載的塔筒、槳葉等部件規(guī)模相應增大，伴生的高頻振動、結構失穩(wěn)等問題進一步顯現(xiàn)。為此，一些創(chuàng)新型風力機結構應運而生。例如，在單一浮式基礎上搭載多個風力機，可提高整體裝機容量；采用桁架、拉索等結構加強傳統(tǒng)形式的塔筒，可克服塔筒柔性過大的問題。針對傳統(tǒng)浮式基礎結構的改進工作也在持續(xù)開展，如增加立柱以支持多塔筒結構等。整體來看，發(fā)展新型浮式風電結構有望攻克現(xiàn)有的技術瓶頸，但成熟度普遍不足，多處于概念設計及驗證階段。
（二）浮式風力機共性技術發(fā)展方向
漂浮式風電的規(guī)?；l(fā)展，重在降本增效。面向全產(chǎn)業(yè)鏈高質量發(fā)展需求，辨識出浮式風力機共性技術發(fā)展方向，據(jù)此加快突破關鍵核心技術，實質性提升漂浮式風電開發(fā)的技術經(jīng)濟性。提出適合我國海域環(huán)境、產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展條件的浮式風力機基礎方案，攻克制約我國漂浮式風電商業(yè)化面臨的技術難題，是本領域先進技術發(fā)展的目標牽引。
1. 提高浮式風電總體設計能力
掌握大型浮式風力機的非定?？諝鈩恿W特性，揭示風力機葉片 ? 風輪尾流耦合機理。開發(fā)葉片顫振抑制技術，構建精確氣動載荷計算和發(fā)電性能預測技術。形成大型浮式風力機葉片設計體系，支持開展大型浮式風力機的基礎設計研發(fā)，構建高效一體化耦合分析方法，明晰大型機組的極限載荷與運行疲勞載荷。優(yōu)化浮式基礎結構型式，科學降低船體用鋼量并提高鋼材利用率。結合海洋環(huán)境特點、特定海域惡劣海況下浮式平臺的運動作用機理，開展浮式風力機總體優(yōu)化設計，有效降低系泊纜數(shù)量與安裝成本。發(fā)展高保真模型試驗技術，支持風電機組與浮式基礎的耦合測試，反映接近真實條件下的整體動力響應特性，為總體設計優(yōu)化、方案驗證提供堅實基礎。
2. 研制國產(chǎn)關鍵產(chǎn)品
加快關鍵部件產(chǎn)品的國產(chǎn)化進程，以耐疲勞高性能鋼材和玻璃纖維等新型材料、新型低成本系泊纜的研發(fā)與測試、關鍵系泊部件研制等為布局重點，加快突破快速系泊連接張緊裝置、高效安裝機具、新型系泊定位錨等關鍵部件，構建適應中長期發(fā)展需求的漂浮式風電產(chǎn)品鏈。同步推動高端產(chǎn)品國產(chǎn)化進程，攻關深海環(huán)境適應性材料與智能監(jiān)測系統(tǒng)集成技術，通過模塊化設計、數(shù)字化制造提升供應鏈韌性，增強產(chǎn)業(yè)核心競爭力，實現(xiàn)低成本、高可靠替代，促進配套產(chǎn)業(yè)鏈升級。
3. 研發(fā)核心工業(yè)軟件
國內(nèi)工業(yè)部門采用的設計軟件基本依賴國外產(chǎn)品，如漂浮式風電耦合分析商業(yè)軟件DNV Sima、Orcaflex、OpenFAST等。國內(nèi)高校和科研院所開發(fā)了系泊系統(tǒng)、浮體運動、風力機載荷計算、耦合分析等方面的軟件／模塊，但通用性有待加強、適應性需要驗證。后續(xù)，可建立高校、科研院所、企業(yè)研發(fā)部門協(xié)同的發(fā)展機制，聯(lián)合研制和優(yōu)化浮式風電通用設計軟件。嵌入我國海域環(huán)境特征和浮式平臺研發(fā)經(jīng)驗，支持風電機組載荷、浮式基礎水動力、撓性部件動力學、時域一體化耦合、時域結構強度、穩(wěn)性提升及載荷抑制等關鍵技術攻關和研究需求，掌握浮式風力機全系統(tǒng)作用機制與設計核心技術。
4. 開展高效建造和海上安裝
加快革新漂浮式風電建造模式及技術，采用新型建造工藝，建立模塊化、智能化建造技術流程，開發(fā)基于數(shù)字孿生的預制構件協(xié)同設計平臺，實現(xiàn)結構組裝與質量控制的實時動態(tài)優(yōu)化，提高建造效率、場地周轉率，促進漂浮式風電的低成本、規(guī)?；_發(fā)；同步構建覆蓋基礎制造、合攏總裝、海上運維的全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同機制，培育專業(yè)化運維保障力量。研究高效海上安裝技術工法，降低對大型安裝資源的依賴性；研制配套工／機具，集成智能傳感與故障預測系統(tǒng)，建立極端海況下的智能操作模式，降低海上操作故障率，綜合性降低海上安裝成本。
5. 建立智能化運維技術體系
在高端運維船舶方面加大建造資源投入，開發(fā)智能化運維產(chǎn)品，構建基于區(qū)塊鏈技術的運維數(shù)據(jù)共享平臺，實現(xiàn)備件供應鏈與故障診斷的智能聯(lián)動，增強海上風電設施運維的智能化水平，全面提高運維效率與可達性；同步建設近海運維母港與深遠海移動補給基地網(wǎng)絡，培育專業(yè)化運維服務產(chǎn)業(yè)集群。發(fā)展浮式風力機在線監(jiān)測技術并提高應用水平，研發(fā)融合數(shù)字孿生與邊緣計算的壽命預測算法，建立全生命周期性能數(shù)據(jù)庫，為工程設計、運維作業(yè)優(yōu)化提供科學指導。研究大容量風電機組的大部件在位安裝、檢修、更換技術，解決批量性漂浮式風電機組長期服役面臨的關鍵技術難點。
五、深遠海浮式風電技術發(fā)展建議
（一）構建深遠海風電技術創(chuàng)新鏈
建議優(yōu)選具有深遠海風電研發(fā)經(jīng)驗的科研院所、高校、企業(yè)，組建深遠海浮式風電總體設計“國家隊”。參研單位共享技術資源、實現(xiàn)優(yōu)勢互補，瞄準行業(yè)發(fā)展的瓶頸技術和重點關鍵技術，形成創(chuàng)新合力，實施高質量研發(fā)，牽頭推動我國深遠海風電技術創(chuàng)新與發(fā)展。加強浮式風力機的基礎理論研究、軟件系統(tǒng)研制，提高風力機槳葉設計、空氣動力學、風場分布等方面的理論和應用水平，增強風力機技術水平和產(chǎn)業(yè)競爭力。探索輕質、高強、耐腐蝕的新型材料及其工程應用，提高浮式風力機的使用壽命并降低維護成本。開展浮式基礎與機組一體化設計研究，實現(xiàn)基礎運動與上部機組匹配控制，提升浮式風力機的運行可靠性。開發(fā)國產(chǎn)的浮式風力機設計軟件，建立浮式風力機設計數(shù)據(jù)庫和仿真平臺，增強浮式風力機設計能力。
（二）組建深遠海風電智能建造與安裝產(chǎn)業(yè)鏈
發(fā)展浮式風電智能建造技術、浮式風電機組及基礎的大規(guī)模定制技術、安裝過程精細化分析技術、高精度安裝裝備，支撐深遠海浮式風電的模塊化建造、智能化發(fā)展。在浮式風電系統(tǒng)智能制造方面，突破模塊化生產(chǎn)技術，形成包含前端設計、后端制造及裝配在內(nèi)的鏈條式定制技術；完善產(chǎn)業(yè)鏈配套設施條件，建設深遠海風電裝備制造基地，提高我國裝備制造能力和水平。在浮式風電安裝方面，發(fā)展短時波浪預測技術、整體拖航分析方法，開發(fā)配備高性能運動補償裝置、高效智能控制技術的安裝船以及高效系泊安裝回接技術，適應大型、高柔風力機結構的安裝需求。
（三）拓展深遠海風電產(chǎn)業(yè)智能運維體系
運維技術與設備的先進程度直接決定復雜海況下深遠海風電系統(tǒng)長時間自主運行的可靠性。發(fā)展深遠海風電場風功率預測技術、短時風速預測技術、極端工況（如臺風、海嘯）預報技術，形成面向功率、荷載、運動等目標的控制技術能力，支持浮式風力機運行狀態(tài)的智能調整。提升浮式風力機結構的智能檢測、故障診斷等技術，開發(fā)實時孿生系統(tǒng)，構建實時監(jiān)測浮式風電系統(tǒng)健康狀態(tài)的能力。開發(fā)高性能的抗風浪運維船、具有自主規(guī)劃能力的水下機器人、可多機協(xié)同作業(yè)的智能巡檢無人機等智能設備，支撐深遠海浮式風電智能運維體系的建設和應用。
注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調整，若需可查看原文。
