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模開發，陸地上經濟可開發的風能資源越來越少，全球風電場建設已出現從陸地向近海發展的趨勢。與陸地風電相比，海上風電具有風能資源豐富、發電利用小時數高、不占用土地、不消耗水資源和適宜大規模開發的優勢。因此，海上風電已經成為未來風電開發的主戰場。

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，具有自身特殊的環境條件。海上氣候環境惡劣，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，產品可靠性是決定海上風電產品成功與否的關鍵，而如何選擇一款環境適應性強、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。

風力發電系統的主要類型

目前兆瓦級并網型風力發電系統都采用變速機型，這樣可以實現變速恒頻發電和最大風能的跟蹤。變速型風力發電系統按照有無齒輪箱增速，可分為直驅、半直驅和多級增速型；按照所用功率變換器與發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電系統的主要機型。

一、直驅風力發電系統

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

二、多級增速風力發電系統

多級增速風力發電系統在風力機與發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電機同步轉速附近（6極發電機為1200r/min），因此發電機的體積可以大大縮小。應用于多級增速風力發電系統的發電機主要包括雙饋異步風力發電機、高速永磁同步風力發電機和鼠籠式異步風力發電機三種。

雙饋風力發電系統結構示意圖如圖2所示。發電機定子直接接入電網，轉子通過一個功率變換器與電網相連，通過控制轉子電流的幅值和頻率，實現變速恒頻發電。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電機容量較小，一般為發電機容量的30%－40%。這就大大降低了變流器的體積、重量和成本。

表1 變速型風力發電系統主要機型

圖1 直驅永磁風力發電系統

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

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

三、半直驅風力發電系統

半直驅風力發電系統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電機的體積都有所減小，是直驅風力發電和多級增速風力發電方案之間的折中選擇。圖4為半直驅永磁風力發電系統結構示意圖。

海上風電機組應用情況

作為陸上風電的先驅，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%，具有絕對的優勢。

基于我國海上風能資源與歐洲的差異，需要開發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 雙饋風力發電系統

圖3 高速永磁/鼠籠異步風力發電系統

圖4 半直驅永磁風力發電系統

表2 我國重點企業正在研制的海上大功率風電機組

海上風電機組所處的環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，要充分考慮海上環境，選擇適合海上環境的技術路線。表3從系統可靠性、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別進行了分析。

由表3可知，從系統可靠性角度考慮，高速雙饋故障率最高，直驅永磁機械可靠性最高，但發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、環境適應性設計

海上風電機組運行環境惡劣，對關鍵部件發電機而言，影響最大的是鹽霧腐蝕。因此實現發電機較高的環境適應性，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。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不同部件采用相應的防腐措施，同時根據發電機本身在機組所處的環境來確定防腐標準。對于鼠籠異步或部分半直驅永磁風電機組，發電機全部位于機艙內，因此可按C3或C4等級腐蝕環境進行防腐處理；而對于直驅、部分半直驅永磁風電機組，發電機部分部件直接暴露在外部大氣，這部分部件則需按C5等級腐蝕環境進行防腐處理。

對于永磁特別是直驅永磁風電機組，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氧。

二、可靠性設計

發電機可靠性設計根據各部件的特性、運行環境不同而不同，主要有機械系統裕度設計、電氣絕緣冗余設計等。

機械系統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，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或發生故障后進行維修，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，適當的可維護性方案可以減少維護工時，降低維護工人的技能水平，節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展的方向，但是海洋惡劣的自然環境條件給海上風電的發展帶來了嚴峻挑戰。本文通過對海上風電機組的各種技術路線進行對比分析，結合目前國內外海上風電機組的應用現狀，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電機的設計制造質量，提高海上風電產品的高環境適應性、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）