风力发电是世界上发展最快的绿色能源技术，目前陆上风电已经发展成熟，并颇具规模；随着陆上风电的逐渐饱和，加之海上丰富的风能资源、不占用土地面积，靠近电力消纳中心，海上风电成为了未来电力市场和清洁能源的重要组成部分。海上风电不同于陆上风电，由于海上风电大型化的特点，对于风电技术要求更加严格，因此研究并掌握所涉及的关键技术至关重要。
海上风力发电技术
风力发电是将风能转换成电能，风能推动叶轮旋转，叶轮带动转动轴和增速机，增速机带动发电机，而发电机通过输电电缆将电能输送地面控制系统和负荷。风力发电技术是一项涉及空气动力学、结构动力学、材料学、电力电子等多学科的、可持续发展的、绿色环保的综合技术。海上风力发电技术是在目前已经成熟的陆上风电技术的基础上，结合特殊的海洋环境和工程实际情况，能够满足海上风能转化为电能的一项发电技术。
1基本工作原理
海上风力发电技术是通过对风力发电设备中的叶片、轮毂、传动系统进行创造性改变，大大提高发电设备的发电效率、降低发电成本，该技术的核心是将三项技术相结合后制造出效率非常高、容量特别大的发电机组。该发电机的柱型分流挡板，使气流直吹风轮叶片。通过塔架上的组合长轴，组合风轮转子构成一个发电单元，单元长度可根据设计功率灵活调整，同时多个单元可上下平行安装在一个塔架上，构成一个单元组。单元或单元组可采取卧式安装方式，既可单独发电也可组合发电。该机由多个单元或单元组驱动输出轴，通过链条或直轴传动做功驱动带有飞轮的小齿轮转动，多个小齿轮均匀分布安装在大齿轮上，共同驱动一个大齿轮，集小力成大力，利用杠杆原理在不同角度上旋转加力，驱动变速箱和大齿轮旋转，再通过离合器驱动发电机工作。
2控制系统原理
风力发电机组的控制系统是综合性的控制系统，它是机组安全运行的指挥中心，影响着机组的每个部分。控制系统在正常运行过程中，对机组的运行参数进行实时监测和对机组进行并网与脱网控制。在监测到风速和风向发生变化时，进行优化控制，在保证机组安全、稳定运行的前提下，提高能量转化的效率。
1、总体控制
风力发电机控制系统的控制目标大体有偏航控制、转速控制、信号的数据采集和处理、变桨控制、最大功率点跟踪控制、自动解缆、并网和停机制动控制、安全保护系统、监控等。在整个控制过程中，系统必须能够对风的可变性、间歇性和不可预测性做出及时有效的应对策略。
图1 总体控制逻辑图
2、风力发电系统中的辅助控制系统
辅助控制系统由风力发电系统的主控制器控制，主要包括：偏航控制系统、风机制动系统、其他安全保护系统，三者共同对风电机组进行控制，使风电机组处于安全状态，同时保证海上风电的输出功率。
（1）偏航控制系统
偏航系统有两个主要目的：一是使风轮跟踪变化稳定的风向，二是当风力发电机组由于偏航作用，机舱内引出的电缆发生缠绕时，自动解除缠绕，偏航系统一般通过控制电机实现，偏航系统的控制主要有以下几个方面：
a.自动对风
正常运行时风向标始终对风进行监测，并将数据以脉冲的方式反馈给控制器，如果检测到风向角与偏航角之差超过5度时，进行风机的自动对风；当风机回到设定的范围内时对风停止。
b.自动解缆
当风机偏航超过3圈时，则需要进行解缆控制，设计解缆控制程序，使机组回到原来的位置，若风机累计偏转达到 4 圈时，则需要设计控制算法，使风机执行停机操作，如果此时风机发生故障，没有成功解缆，则需要设计停机控制算法，使风机自动停机，此时执行人工解缆程序。
c.风轮保护
由于海上风电场的不确定性比较多，所以设计风轮保护程序是必要的，当系统监测有特大强风时，系统自动将桨距角调到最大，风机偏航 90°背风，保护风轮免受损坏。
其中，自动对风的要求较为重要，风力发电机组不管是在运行状态还是待机状态，均要求能够主动对风。因为偏航系统是随动系统，当系统检测到风向和风轮轴线偏离一个角度时，控制器经过处理，驱动电机将风轮正面迎风。由于机组在运行过程中是整体在转动的，要求系统必须具备很大的转动惯量。在机舱两侧装有风向标装置，当检测到偏差角时，控制器发出指令驱动电机开始工作。另外还在电缆处安装有计数器，当系统检测到电缆扭转次数达到系统设计值时，系统进行解缆控制。很容易理解，当风轮轴线与风向的夹角为零时，机组吸收的功率最大，因此需要风轮叶片正面迎风。
（2）风机制动系统
风机的制动系统采用液压的盘式刹车系统，一般安排在高速轴上。具有三种刹车方式：正常停机方式、安全停车方式和紧急停车方式。
（3）其他安全保护系统
其他安全保护系统主要有：超速保护、电网失电保护、电气保护(过压，过流等)、雷击保护、机舱机械保护、桨叶保护、紧急安全链保护等等。
海上风力发电应用的特点
1风机设计技术特点
海上风机是在现有陆地风机基础上针对海上风环境进行适应性“海洋化”发展起来的。具有以下特点：
(1) 高翼尖速度。陆地风机更多的是以降低噪声来进行优化设计的，而海上则以更大地发挥空气动力效益来优化，高翼尖速度、小的桨叶面积将给风机的结构和传动系统带来一些设计上的有利变化。
(2) 变桨速运行。高翼尖速度桨叶设计，可提高风机起始工作风速并带来较大的气动力损失，采用变桨速设计技术可以解决这个问题，它能使风机在额定转速附近以最大速度工作。
(3) 减少桨叶数量。现在大多数风机采用3桨叶设计，存在噪声和视觉污染。采用2桨叶设计会带来气动力损失，但可降低制造、安装等成本，因此也是研究的一个方向。
(4) 新型高效发电机。研制结构简单、高效的发电机，如直接驱动同步环式发电机、直接驱动永磁式发电机、线绕高压发电机等。
(5) 海洋环境下风机其他部件。海洋环境下要考虑风机部件对海水和高潮湿气候的防腐问题；塔中具有升降设备满足维护需要；变压器和其他电器设备可安放在上部吊舱或离海面一定高度的下部平台上；控制系统要具备岸上重置和重新启动功能；备用电源用来在特殊情况下置风机于安全停止位置。
2电力传输和接入电网的技术特点
风力电网在并入正常电网存在许多难点。由于风力发电机组输出功率的波动，直接影响电网的有功功率的平衡及频率的变化。这样，现有燃气发电机的AVR和GOV的调节性能是否能够与风电机输出的波动性功率及电压变化相协调、互补，是能否保证电网电能质量及其可靠运行的关键所在。正常运行时，风力发电机的投入和退出以及风功率的波动都会影响电网的电压和频率，因此，励磁调节器AVR和调速器GOV的调节能力和反应速度对于保持系统的稳定运行也是至关重要的。为尽量减少风电机及其连线的故障对于正常主电网的供电影响，并且提高风电机的故障切除速度，在海底电缆的两侧均应配置继电保护装置，同时风电机组本身也需要设置相关保护功能，以实现过流、速断及差动保护功能，也只有这样才能最大限度地保证主电网的正常运行。
随着海上风电场规模不断扩大且逐渐远离陆地，使输电并网面临巨大挑战。海上风场的集电系统包括风机和变电站2部分。风机一般分为多组，每组采用星型或串型方式连接，串型连接方式中每个风机都有独立的变压器，多台风机连接形成串型或叉型支路连至变站。星型连接的风机先与临近的装有变压器的集电平台相连，再集中连接至变电站。星型连接的风机不需要安装单独的升压变压器，成本低，但稳定性差，且要建多重集电平台，施工不便，目前海上风机只采用串型连接。考虑到海底电缆铺设和风机连接，原则上将变电站的位置定于海上风场的几何中心，但建设陆上变电站更容易，成本更低，目前海上和陆上变电站平台都有使用。
结语
目前在国家碳中和目标和海洋强国的发展战略下，海上风电在我国已颇具一定的规模，但由于海上风电环境的特殊性及海上风电大型化的技术特点，相比陆上风电，对于技术要求更加的苛刻；同时伴随着海上风电平价压力，在海上风电新材料、新结构、设计及控制策略方面均需进行突破，降低海上风电开发成本，使海上风电效益最佳。
