海上風(fēng)電機(jī)組大型化技術(shù)路線分析

文 | 長江三峽集團(tuán)福建能源投資有限公司 朱義蘇，劉東哲，項建強(qiáng)，張帥

自1991年全球首座海上風(fēng)電場—Vindeby風(fēng)電場在丹麥投運以來，海上風(fēng)電已走過了近30年的發(fā)展歷程。截至2018年底，全球海上風(fēng)電累計裝機(jī)已達(dá)23.1GW，約占全球風(fēng)電總裝機(jī)容量（591.1GW）的3.91%。我國海上風(fēng)電累計裝機(jī)也已達(dá)4.45GW，約占我國風(fēng)電總裝機(jī)量（209GW）的2.13%。我國海上風(fēng)電相比陸上風(fēng)電具有明顯的區(qū)位優(yōu)勢，海上風(fēng)電緊鄰負(fù)荷中心，沒有棄風(fēng)限電問題，但因施工難度、投資成本以及臺風(fēng)等因素的制約，我國海上風(fēng)電早期未能得到大的發(fā)展。隨著技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，目前我國海上風(fēng)電已基本形成了從勘測設(shè)計、裝備制造、安裝施工到運行維護(hù)的完整產(chǎn)業(yè)鏈，海上風(fēng)電的施工難度、運維成本等也已大幅降低。海上風(fēng)電具備了大規(guī)模開發(fā)的基礎(chǔ)，已成為未來新能源開發(fā)的熱土。

海上風(fēng)電機(jī)組大型化發(fā)展的步伐

海上風(fēng)電不受地形限制，大件海上運輸比較方便，海上風(fēng)電先天比陸上風(fēng)電更具備安裝更大單機(jī)容量機(jī)組的條件。上個世紀(jì)90年代，海上風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量以450kW、500kW、550kW、600kW為主；2000年以后，新投產(chǎn)的海上風(fēng)電場已沒有單機(jī)容量為2MW以下的機(jī)組，Vestas的2MW、3MW雙饋式海上風(fēng)電機(jī)組及西門子的2.3MW、3.6MW“高速齒輪箱+異步感應(yīng)式發(fā)電機(jī)+全功率變流器”海上風(fēng)電機(jī)組開始了持續(xù)十多年的大批量應(yīng)用；2008年以后，德國Repower公司的5MW雙饋異步式海上風(fēng)電機(jī)組開始應(yīng)用，海上風(fēng)電機(jī)組邁入5MW時代；2010年，上海東海大橋海上風(fēng)電場作為亞洲首個海上風(fēng)電場項目投運，也是歐洲以外第一個海上風(fēng)電場，標(biāo)志著中國正式邁入了海上風(fēng)電開發(fā)行列，該風(fēng)電場安裝了華銳風(fēng)電供貨的34臺套3MW風(fēng)電機(jī)組。

目前，中國海上風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量已發(fā)展到5～7MW時代，華銳風(fēng)電的 SL5000、SL6000于 2011年 底 投產(chǎn)；中國海裝、東方風(fēng)電的首臺5MW樣機(jī)、聯(lián)合動力的6MW樣機(jī)于2013年投產(chǎn)；風(fēng)輪直徑最大的中國海裝H171-5MW機(jī)型于2017年9月在江蘇如東投產(chǎn)；2017年9月至2018年6月，太原重工的TZ5000/153、中國海裝的H128-5.0MW、上海電氣的SWT-6.0-154DD、東方風(fēng)電的DEW-G5000、金風(fēng)科技的GW154/6700、明陽智能的MySE 5.X-155、湘電風(fēng)能的XE140-5000、GE的 Haliade150-6MW等 8個品牌、單機(jī)容量為5～6.7MW不等的14臺大容量海上風(fēng)電機(jī)組在三峽福建福清興化灣樣機(jī)試驗風(fēng)電場全部投產(chǎn)。據(jù)了解，國內(nèi)主流風(fēng)電企業(yè)均已著手研發(fā)8MW、10MW容量的海上風(fēng)電機(jī)組。在歐洲，西門子 歌美颯的 SWT-8.0-167，Vestas的 V164-8.0MW、V164-9.5MW已經(jīng)投產(chǎn)，西門子 歌美颯、GE正在研發(fā)10MW+的海上風(fēng)電機(jī)組，預(yù)計不遠(yuǎn)的將來，海上風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量有望達(dá)到20MW。大容量海上風(fēng)電機(jī)組可以有效降低機(jī)組基礎(chǔ)造價以及后期運維成本，使項目投資效益最大化。海上風(fēng)電機(jī)組大型化將是降低海上風(fēng)電投資成本，實現(xiàn)海上風(fēng)電電價具有市場競價能力的必由之路。海上風(fēng)電機(jī)組大型化是發(fā)展的必然趨勢，大型化的步伐將越來越快。伴隨著大型化的步伐和對海上風(fēng)電認(rèn)識的加深，海上風(fēng)電機(jī)組技術(shù)路線也發(fā)生著深刻的變化。

海上風(fēng)電機(jī)組技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

從國內(nèi)現(xiàn)狀看，三峽福建福清興化灣樣機(jī)試驗風(fēng)電場8個品牌14臺風(fēng)電機(jī)組的具體情況如表1所示。金風(fēng)科技、上海電氣、GE以及湘電風(fēng)能4個廠家的機(jī)組采用直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)、全功率變流器技術(shù)。其中，湘電風(fēng)能的機(jī)組采用中壓永磁發(fā)電機(jī)；明陽智能的機(jī)組為半直驅(qū)技術(shù)路線，采用中速齒輪箱、永磁發(fā)電機(jī)和全功率變流器的技術(shù)組合，齒輪箱傳動比為23.187；太原重工、中國海裝、東方風(fēng)電為高速永磁技術(shù)路線，采用高速齒輪箱、永磁發(fā)電機(jī)和全功率變流器的技術(shù)組合，齒輪箱傳動比均在100左右。

表1 三峽福建福清興化灣海上風(fēng)電樣機(jī)試驗風(fēng)電場樣機(jī)情況

國內(nèi)目前正在研發(fā)的8MW、10MW海上風(fēng)電機(jī)組技術(shù)路線大致如下：金風(fēng)科技、東方風(fēng)電、湘電風(fēng)能的8MW機(jī)型采用直驅(qū)路線，明陽智能、太原重工的8MW機(jī)型采用半直驅(qū)結(jié)構(gòu)，中國海裝的10MW機(jī)型采用半直驅(qū)結(jié)構(gòu)，山東瑞其能的10MW機(jī)型采用直驅(qū)路線。此外，“十二五”國家863計劃“超大型海上風(fēng)電機(jī)組設(shè)計技術(shù)研究”項目已于2017年底進(jìn)行了驗收。金風(fēng)科技采用直驅(qū)永磁技術(shù)完成了10MW海上風(fēng)電機(jī)組整機(jī)總體設(shè)計方案；國電聯(lián)合動力采用直驅(qū)超導(dǎo)技術(shù)完成了12MW海上風(fēng)電機(jī)組整機(jī)總體設(shè)計方案；華銳風(fēng)電采用增速傳動技術(shù)完成了10MW海上風(fēng)電機(jī)組整機(jī)總體設(shè)計方案，設(shè)計研究密切跟蹤國際前沿海上風(fēng)電技術(shù)，從不同技術(shù)方向進(jìn)行研究探索，為我國大型海上風(fēng)電機(jī)組的發(fā)展積累了技術(shù)經(jīng)驗。

從歐美的發(fā)展看，全球最大整機(jī)制造商Vestas以雙饋技術(shù)路線見長，但該公司的大容量海上風(fēng)電機(jī)組已改走半直驅(qū)技術(shù)路線，如V164-7.0MW、V164-8.0MW、V164-9.5MW等均采用“中速齒輪箱+永磁發(fā)動機(jī)+全功率變流器”的技術(shù)路線；西門子 歌美颯的大容量海上風(fēng)電機(jī)組，如SWT-6.0-154、SWT-7.0-154、SWT-8.0-167等機(jī)型及其正處于制造階段的10MW+機(jī)組，均采用“直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)+全功率變流器”的技術(shù)路線；Enorcon的7MW機(jī)型、GEAlstom的Haliade150-6MW及其正處于制造階段的12MW機(jī)型也均采用“直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)+全功率變流器”的技術(shù)路線；Senvion的6.15MW-126機(jī)組采用高速雙饋結(jié)構(gòu)，其正處于研發(fā)階段的10MW+機(jī)型技術(shù)路線不明。

不同技術(shù)路線的對比分析

發(fā)電機(jī)、齒輪箱、變流器等部件是直驅(qū)型、半直驅(qū)型、雙饋型三種技術(shù)路線海上風(fēng)電機(jī)組的主要區(qū)別，即雙饋型機(jī)組有齒輪箱、有碳刷滑環(huán)系統(tǒng)，半直驅(qū)型機(jī)組有齒輪箱、無碳刷滑環(huán)系統(tǒng)，直驅(qū)型機(jī)組無齒輪箱、無碳刷滑環(huán)系統(tǒng)。上述三種海上風(fēng)電機(jī)組技術(shù)路線對比具體情況見表2。

根據(jù)表2關(guān)于直驅(qū)型、半直驅(qū)型、雙饋型三種海上風(fēng)電機(jī)組技術(shù)路線在機(jī)組結(jié)構(gòu)、可靠性、造價及運維等方面的對比情況，并結(jié)合目前部分整機(jī)廠商的研發(fā)策略，進(jìn)一步總結(jié)分析如下：

發(fā)電機(jī)：直驅(qū)型永磁機(jī)組可靠性最高，但發(fā)電機(jī)體積較大、造價較高且維修難度較大，在一定程度上對海上風(fēng)電機(jī)組的進(jìn)一步大型化造成制約；半直驅(qū)型中速永磁機(jī)組齒輪箱傳動比低、可靠性較高，且發(fā)電機(jī)體積有效減小，有利于海上風(fēng)電機(jī)組進(jìn)一步大型化的推進(jìn)方向；雙饋型機(jī)組技術(shù)成熟、成本低、重量輕，但存在碳刷、滑環(huán)系統(tǒng)，可靠性較低、維護(hù)工作量大。針對直驅(qū)型永磁機(jī)組存在的上述問題，西門子將發(fā)電機(jī)組采用模塊化設(shè)計，較好地解決了直驅(qū)型永磁發(fā)電機(jī)不易拆解的問題，提高了發(fā)電機(jī)的可維護(hù)性。

齒輪箱：雙饋型、半直驅(qū)型機(jī)組均通過齒輪箱來將風(fēng)輪轉(zhuǎn)速實現(xiàn)增速傳動，以提高發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，但長期處于高速運轉(zhuǎn)的齒輪箱易存在磨損、膠合、斷齒、漏油等風(fēng)險，這也是該技術(shù)路線的最大隱患；直驅(qū)型機(jī)組無齒輪箱，風(fēng)輪直接驅(qū)動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，不存在齒輪箱故障，可靠性高。針對高速雙饋、高速永磁型機(jī)組存在的上述問題，采用中速齒輪箱、降低傳動比的中速永磁、中速雙饋型結(jié)構(gòu)可以有效提高齒輪箱的可靠性，從而有利于機(jī)組的長期安全穩(wěn)定運行。

變流器：雙饋型機(jī)組采用1/3全功率的變頻器，容量小、價格低；直驅(qū)型、半直驅(qū)型機(jī)組采用全功率變頻器，容量大、價格較高。但隨著電力電子元器件的高速發(fā)展，目前變流器技術(shù)更加成熟，價格逐步降低，其造價在機(jī)組整體價格中的比重已不大；同時，變流器也正朝著中壓方向發(fā)展，中壓變流器可進(jìn)一步減小體積，降低損耗，能更好地滿足海上風(fēng)電機(jī)組大型化的發(fā)展需求。

表2 三種海上風(fēng)電機(jī)組技術(shù)路線對比

興化灣樣機(jī)試驗風(fēng)電場運行情況

三峽福建福清興化灣樣機(jī)試驗風(fēng)電場的首臺機(jī)組于2017年9月底并網(wǎng)發(fā)電以來，至2018年中，14臺機(jī)組已全部投產(chǎn)，根據(jù)8個品牌機(jī)組目前運行情況，可初步得到如下幾個方面的結(jié)論：

從機(jī)組型式看，直驅(qū)型機(jī)組主設(shè)備可靠性高于帶齒輪箱的機(jī)組，齒輪箱容易發(fā)生故障且故障導(dǎo)致的停機(jī)時間較長。興化灣樣機(jī)試驗風(fēng)電場的某品牌機(jī)組投產(chǎn)初期就發(fā)生了齒輪箱故障，導(dǎo)致機(jī)組3個多月不能運行，造成較大電量損失。

從發(fā)電量看，單機(jī)容量較大、可靠性較高的機(jī)組，發(fā)電量表現(xiàn)較好，但在計算年利用小時數(shù)時，單位千瓦掃風(fēng)面積大的機(jī)組優(yōu)勢明顯。

從設(shè)備布置看，某品牌機(jī)組將變壓器、變流器等設(shè)備全部布置在機(jī)艙內(nèi)，一根35kV扭纜引至塔基柜，機(jī)艙對外接口簡單，主要調(diào)試工作在出廠前已完成，現(xiàn)場吊裝完成后，可以快速進(jìn)入整體調(diào)試階段。

從運維難度看，海上風(fēng)電出海交通易受天氣影響，檢修維護(hù)極不容易。興化灣樣機(jī)試驗風(fēng)電場屬于近岸海上風(fēng)電場，條件相對較好，但在季風(fēng)期也曾多次出現(xiàn)連續(xù)幾天無法出海處理故障機(jī)組的情況，未來遠(yuǎn)海天氣影響更大、不能出海作業(yè)的時段也正是風(fēng)能資源豐沛的時段，機(jī)組故障停機(jī)導(dǎo)致的電量損失很大。

從故障分布看，齒輪箱、變槳系統(tǒng)、變流器、輔助系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)是機(jī)組易發(fā)故障的系統(tǒng)。齒輪箱高速運轉(zhuǎn)，容易發(fā)生故障且故障導(dǎo)致的停機(jī)時間最長。變槳系統(tǒng)在機(jī)組運行時需要頻繁工作調(diào)節(jié)，易發(fā)故障，電動變槳變頻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)易出故障；液壓變槳系統(tǒng)則易出現(xiàn)漏油及液壓滑環(huán)故障。變流器的核心部件電力電子技術(shù)還有待進(jìn)一步發(fā)展，控制系統(tǒng)可靠性也有待進(jìn)一步提高。機(jī)組輔助系統(tǒng)還沒有全面采用冗余設(shè)計，輔助系統(tǒng)故障引起停機(jī)問題突出。機(jī)組停機(jī)故障信號多達(dá)幾百個，控制策略容錯有待進(jìn)一步優(yōu)化，對于設(shè)備出現(xiàn)的一些次要故障，控制系統(tǒng)應(yīng)能從多角度進(jìn)行甄別，以提高機(jī)組容錯運行水平。

海上風(fēng)電對機(jī)組的特殊要求

海上風(fēng)電可到達(dá)性差、運維難度大。運維工作不僅需借助專用設(shè)備、交通船只，甚至有時還需調(diào)用大型專用工程船舶。海上風(fēng)電運維成本高，機(jī)組設(shè)計理念應(yīng)追求日常維護(hù)“少而簡”。例如，一些品牌機(jī)組在設(shè)計階段已取消了半年維護(hù)，一個年度只需檢修一次。

海上作業(yè)受制于交通船只及天氣狀況，對于未來遠(yuǎn)海風(fēng)電場尤甚。盛風(fēng)期時可能連續(xù)數(shù)周都無法出海作業(yè)，如海上風(fēng)電機(jī)組設(shè)備出現(xiàn)遠(yuǎn)方無法處理的故障，則勢必造成機(jī)組長時間停發(fā)，風(fēng)能資源白白流失。海上作業(yè)窗口期短，機(jī)組故障修復(fù)時間長，停機(jī)損失大，必須將海上風(fēng)電機(jī)組可靠性、可利用率放在首位。

海上風(fēng)能資源豐富，我國個別地區(qū)的設(shè)備年利用小時數(shù)可達(dá)4000小時以上，假設(shè)機(jī)組具備滿發(fā)條件，按海上風(fēng)電現(xiàn)行0.85元/千瓦時的上網(wǎng)電價計算，一臺5MW機(jī)組日停發(fā)損失高達(dá)10萬元，且日停發(fā)損失隨機(jī)組容量的增大而增加。因此，為了提高設(shè)備可靠性，適當(dāng)增加設(shè)備配置、選用最優(yōu)部件而引起設(shè)備價格適度上升，是可以接受的。

海上風(fēng)電機(jī)組長期運行于高溫、高濕、強(qiáng)腐蝕的海洋環(huán)境，機(jī)組機(jī)械部件與電氣設(shè)備易受影響，易損件失效加快。因此，海上風(fēng)電機(jī)組防腐、除濕、冷卻設(shè)計十分重要。

海上風(fēng)電機(jī)組大型化過程中，風(fēng)輪直徑要跟上機(jī)組容量增加的步伐。國內(nèi)外風(fēng)電行業(yè)發(fā)展歷程表明，提高單位千瓦掃風(fēng)面積是提升年利用小時數(shù)最直接、最有效的手段。按照理論計算，I類風(fēng)能資源區(qū)的機(jī)組年利用小時數(shù)要達(dá)到3500小時以上，單位千瓦掃風(fēng)面積應(yīng)在3㎡以上。由于中國南部海域易受臺風(fēng)侵襲，風(fēng)輪直徑增大后，抗臺能力會受到一定影響，因此，一些品牌I類風(fēng)能資源區(qū)的機(jī)型單位千瓦掃風(fēng)面積低于3㎡。目前，我國風(fēng)電場是限容量核準(zhǔn)，不同于國外基本按機(jī)位核準(zhǔn)，對總?cè)萘繘]有太多限制。國外考慮的是提高特定機(jī)位機(jī)組的投入產(chǎn)出比，以Vestas的 V164-7.0MW、V164-8.0MW、V164-9.5MW為例，其風(fēng)輪直徑均為164m，只用相對少量的投入對電氣系統(tǒng)進(jìn)行升級，其他部件略作改進(jìn)，以提升機(jī)組額定容量，實現(xiàn)特定機(jī)位發(fā)電量的提升。國內(nèi)海上風(fēng)電機(jī)組不能照搬國外技術(shù)路線，在限容量核準(zhǔn)環(huán)境下，風(fēng)輪直徑如果不能跟上機(jī)組容量增加的步伐，勢必影響整個風(fēng)電場的發(fā)電量。

結(jié)論

海上風(fēng)電可達(dá)性差，運維難度大；海上風(fēng)能資源豐富。設(shè)計機(jī)組時可靠性、可用率必須放在首位，設(shè)計應(yīng)追求日常維護(hù)“少而簡”。為了提高設(shè)備可靠性，引起設(shè)備價格適度上升是可以接受的，海上風(fēng)電對機(jī)組設(shè)備的價格差不是十分敏感。

海上風(fēng)電機(jī)組容錯運行具有顯著的經(jīng)濟(jì)意義，機(jī)組輔助設(shè)備將更普遍采用冗余設(shè)計方案，容錯控制策略有待進(jìn)一步發(fā)展優(yōu)化。

海上風(fēng)電機(jī)組大型化有利于進(jìn)一步降低海上風(fēng)電投資成本，是實現(xiàn)海上風(fēng)電電價具有市場競價能力的必由之路。伴隨著海上風(fēng)電機(jī)組大型化的步伐，應(yīng)充分重視風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪直徑的增加。在限容量核準(zhǔn)環(huán)境下，I類風(fēng)能資源區(qū)的海上風(fēng)電機(jī)組單位千瓦掃風(fēng)面積應(yīng)維持在3㎡及以上，否則勢必將影響整個風(fēng)電場的總發(fā)電量。