海上風電機組技術路線分析及對策

文 | 孫成剛，車三宏，鄧方林，劉暢

海上風電機組技術路線分析及對策

文 | 孫成剛，車三宏，鄧方林，劉暢

隨著風能資源的大規(guī)模開發(fā)，陸地上經(jīng)濟可開發(fā)的風能資源越來越少，全球風電場建設已出現(xiàn)從陸地向近海發(fā)展的趨勢。與陸地風電相比，海上風電具有風能資源豐富、發(fā)電利用小時數(shù)高、不占用土地、不消耗水資源和適宜大規(guī)模開發(fā)的優(yōu)勢。因此，海上風電已經(jīng)成為未來風電開發(fā)的主戰(zhàn)場。

但是，海上風電不只是陸上風電的簡單延伸，而是一項獨立的、高度復雜的技術開發(fā)，具有自身特殊的環(huán)境條件。海上氣候環(huán)境惡劣，高溫、高濕、高鹽霧等因素對風電機組防腐性能提出了更高的要求。同時由于海洋環(huán)境的特殊性，海上風電機組維護非常困難，運維成本也遠遠高于陸上風電場。因此，產(chǎn)品可靠性是決定海上風電產(chǎn)品成功與否的關鍵，而如何選擇一款環(huán)境適應性強、可靠性高、運維成本低的風電機組，也就成為了海上風電建設的關鍵。本文結合機組的應用情況，對風電機組技術路線進行了對比分析，并提出了一些應對措施。

風力發(fā)電系統(tǒng)的主要類型

目前兆瓦級并網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)都采用變速機型，這樣可以實現(xiàn)變速恒頻發(fā)電和最大風能的跟蹤。變速型風力發(fā)電系統(tǒng)按照有無齒輪箱增速，可分為直驅(qū)、半直驅(qū)和多級增速型；按照所用功率變換器與發(fā)電機容量的大小關系，可分為全功率變流型和部分功率變流型。表1列出了目前市場上變速型風力發(fā)電系統(tǒng)的主要機型。

一、直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)

直驅(qū)永磁風力發(fā)電系統(tǒng)結構圖如圖1所示。所采用的永磁同步發(fā)電機轉子為永磁結構，無需外部提供勵磁電源，提高了效率。永磁發(fā)電機發(fā)出的頻率變化的交流電通過交－直－交并網(wǎng)變流器轉變?yōu)殡娋W(wǎng)頻率的交流電，因此變流器的容量與系統(tǒng)的額度容量相同。采用永磁發(fā)電機可做到與發(fā)電機的直接耦合，省去齒輪箱，即為直接驅(qū)動式結構，大大減小了系統(tǒng)運行噪聲，提高了可靠性。由于運行轉速低，致使發(fā)電機體積增大、成本增加，但由于不使用價格昂貴的齒輪箱，所以系統(tǒng)的總成本有所降低。

二、多級增速風力發(fā)電系統(tǒng)

多級增速風力發(fā)電系統(tǒng)在風力機與發(fā)電機之間增加了一個3級增速齒輪箱，將風力機的轉速提高到了發(fā)電機同步轉速附近（6極發(fā)電機為1200r/min），因此發(fā)電機的體積可以大大縮小。應用于多級增速風力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機主要包括雙饋異步風力發(fā)電機、高速永磁同步風力發(fā)電機和鼠籠式異步風力發(fā)電機三種。

雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)結構示意圖如圖2所示。發(fā)電機定子直接接入電網(wǎng)，轉子通過一個功率變換器與電網(wǎng)相連，通過控制轉子電流的幅值和頻率，實現(xiàn)變速恒頻發(fā)電。由于變流器接在轉子側，只需要轉換轉差功率，因此變流器容量相對發(fā)電機容量較小，一般為發(fā)電機容量的30%－40%。這就大大降低了變流器的體積、重量和成本。

表1 變速型風力發(fā)電系統(tǒng)主要機型

圖1 直驅(qū)永磁風力發(fā)電系統(tǒng)

高速永磁同步發(fā)電機的“高速”是相對于直驅(qū)永磁的低轉速而言的，定子繞組接全功率變流器。它與雙饋異步發(fā)電機的主要區(qū)別在于，其轉子采用永磁體勵磁，減少了勵磁損耗，效率高；省去了滑環(huán)系統(tǒng)，故障率降低，可靠性提高。高速永磁風力發(fā)電系統(tǒng)結構示意如圖3所示。

鼠籠異步發(fā)電機與雙饋異步發(fā)電機相比，轉子采用鼠籠式銅棒結構，省去了滑環(huán)系統(tǒng)。發(fā)電機最大的特點是結構簡單，質(zhì)量容易實現(xiàn)。由于風速的不斷變化，風力機以及轉子的轉速也隨之變化，所以發(fā)電機發(fā)出的電能頻率也是變化的。因此，在定子繞組與電網(wǎng)之間增加一個變流器環(huán)節(jié)，先整流再逆變就可以把頻率變化的電能轉換為與電網(wǎng)頻率相同的恒頻電能送入電網(wǎng)。這種方案實現(xiàn)了變速恒頻，具有變速運行范圍寬的優(yōu)點，適用于風速變化較大的環(huán)境，而且維護簡便。

三、半直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)

半直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)只采用一級或兩級齒輪增速，例如1:20增速齒輪箱。這種技術可以使齒輪箱和發(fā)電機的體積都有所減小，是直驅(qū)風力發(fā)電和多級增速風力發(fā)電方案之間的折中選擇。圖4為半直驅(qū)永磁風力發(fā)電系統(tǒng)結構示意圖。

海上風電機組應用情況

作為陸上風電的先驅(qū)，歐洲在海上風電領域也走在前列，海上風電機組的整機廠家主要包括Siemens－Gamesa、MHI Vestas、Senvion等，有近40款產(chǎn)品可供選擇，占整個海上風電機組裝機容量的93%，具有絕對的優(yōu)勢。

基于我國海上風能資源與歐洲的差異，需要開發(fā)適合于我國海上風況的抗臺風、大葉輪低風速風電機組。表2為我國重點企業(yè)正在研制的海上大功率風電機組。

從表2可以看出，各種技術類型的風電機組在海上風電均有應用。福建福清興化灣海上風電樣機試驗風電場首批14臺風電機組，除雙饋異步和鼠籠異步外，其他幾種機型均有涉及。

海上風電機組技術路線選擇

圖2 雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)

圖3 高速永磁/鼠籠異步風力發(fā)電系統(tǒng)

圖4 半直驅(qū)永磁風力發(fā)電系統(tǒng)

表2 我國重點企業(yè)正在研制的海上大功率風電機組

海上風電機組所處的環(huán)境及載荷特點與陸上風電機組有很大的不同，這也決定了進行海上風電機組的設計時，要充分考慮海上環(huán)境，選擇適合海上環(huán)境的技術路線。表3從系統(tǒng)可靠性、可維護性和備品備件通用性等方面對不同技術路線的主要區(qū)別進行了分析。

由表3可知，從系統(tǒng)可靠性角度考慮，高速雙饋故障率最高，直驅(qū)永磁機械可靠性最高，但發(fā)電機需解決軸承及磁鋼防腐問題；從可維護性角度考慮，鼠籠異步具有一定的優(yōu)勢，且其備品備件通用性也較好。從近幾年我國海上風電裝機情況來看，西門子4MW鼠籠異步發(fā)電機應用最為廣泛。2016年我國風電機組供應商新增海上風電市場占有情況顯示，西門子4MW鼠籠異步發(fā)電機的機組裝機容量占比為65%，處于市場主導地位。

海上風電機組應對策略

一、環(huán)境適應性設計

海上風電機組運行環(huán)境惡劣，對關鍵部件發(fā)電機而言，影響最大的是鹽霧腐蝕。因此實現(xiàn)發(fā)電機較高的環(huán)境適應性，首要是提高防鹽霧腐蝕能力，包括緊固件防腐和機械結構件防腐等。

緊固件防腐通過表面處理來實現(xiàn)。表面處理的鍍層必須附著牢固，不能在安裝和卸下的過程中脫落，對于螺紋緊固件，鍍層還需足夠薄，使得鍍后螺紋仍能旋合。選擇表面處理時，也應考慮緊固性能的因素，即安裝扭矩—預緊力的一致性。緊固件常見的表面處理工藝有電鍍鋅、熱浸鋅、磷化、氧化、達克羅等，其中達克羅工藝不存在氫脆問題，并且扭矩－預緊力一致性能很好，是最適用于高防腐要求的高強度緊固件。

機械結構件防腐需根據(jù)不同部件采用相應的防腐措施，同時根據(jù)發(fā)電機本身在機組所處的環(huán)境來確定防腐標準。對于鼠籠異步或部分半直驅(qū)永磁風電機組，發(fā)電機全部位于機艙內(nèi)，因此可按C3或C4等級腐蝕環(huán)境進行防腐處理；而對于直驅(qū)、部分半直驅(qū)永磁風電機組，發(fā)電機部分部件直接暴露在外部大氣，這部分部件則需按C5等級腐蝕環(huán)境進行防腐處理。

對于永磁特別是直驅(qū)永磁風電機組，還需要特別考慮轉子磁極的防腐，目前比較好的永磁體防腐涂層為鎳銅環(huán)氧。

二、可靠性設計

發(fā)電機可靠性設計根據(jù)各部件的特性、運行環(huán)境不同而不同，主要有機械系統(tǒng)裕度設計、電氣絕緣冗余設計等。

機械系統(tǒng)裕度設計主要針對風電機組中比較重要、受載荷較多較復雜的部件，主要包括轉軸、軸承等。對于這些部件的安全系數(shù)，海上風電機組一般要采取比陸上風電機組略大的值。

電氣絕緣冗余設計，包括絕緣系統(tǒng)的壽命、耐熱等級和耐壓等，需具有一定的設計裕度；同時對一些電氣元件，如測溫元件及信號線匯集的端子排等，應考慮備用。

三、可維護性設計

海上風電機組的維護是指對風電機組進行保養(yǎng)或發(fā)生故障后進行維修，使其恢復正常工作能力。機組的可維護性是維護時間的函數(shù)，適當?shù)目删S護性方案可以減少維護工時，降低維護工人的技能水平，節(jié)約維護設備及維護費用，并提高風電機組的有效性，使之最大限度地發(fā)揮工作效率。

表3 各種不同技術路線風電機組的對比分析

圖5 可維護性結構設計流程

對于發(fā)電機而言，其可維護性結構設計要求設計時盡量簡化結構，采用標準化、模塊化設計理念，同時采取防差錯措施以及維護安全性措施。可維護性結構設計流程如圖5所示。

結語

海上風電是未來風電發(fā)展的方向，但是海洋惡劣的自然環(huán)境條件給海上風電的發(fā)展帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。本文通過對海上風電機組的各種技術路線進行對比分析，結合目前國內(nèi)外海上風電機組的應用現(xiàn)狀，總結了未來海上風電的技術方向，對全面認識海上風電機組特別是關鍵部件發(fā)電機的設計制造質(zhì)量，提高海上風電產(chǎn)品的高環(huán)境適應性、高可靠性、高可維護性具有重要意義。

（作者單位：江蘇中車電機有限公司）