文 | 孫成剛，車三宏，鄧方林，劉暢

海上風(fēng)電機(jī)組技術(shù)路線分析及對(duì)策

文 | 孫成剛，車三宏，鄧方林，劉暢

隨著風(fēng)能資源的大規(guī)模開發(fā)，陸地上經(jīng)濟(jì)可開發(fā)的風(fēng)能資源越來越少，全球風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)已出現(xiàn)從陸地向近海發(fā)展的趨勢(shì)。與陸地風(fēng)電相比，海上風(fēng)電具有風(fēng)能資源豐富、發(fā)電利用小時(shí)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(shì)。因此，海上風(fēng)電已經(jīng)成為未來風(fēng)電開發(fā)的主戰(zhàn)場(chǎng)。

但是，海上風(fēng)電不只是陸上風(fēng)電的簡(jiǎn)單延伸，而是一項(xiàng)獨(dú)立的、高度復(fù)雜的技術(shù)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(duì)風(fēng)電機(jī)組防腐性能提出了更高的要求。同時(shí)由于海洋環(huán)境的特殊性，海上風(fēng)電機(jī)組維護(hù)非常困難，運(yùn)維成本也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于陸上風(fēng)電場(chǎng)。因此，產(chǎn)品可靠性是決定海上風(fēng)電產(chǎn)品成功與否的關(guān)鍵，而如何選擇一款環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高、運(yùn)維成本低的風(fēng)電機(jī)組，也就成為了海上風(fēng)電建設(shè)的關(guān)鍵。本文結(jié)合機(jī)組的應(yīng)用情況，對(duì)風(fēng)電機(jī)組技術(shù)路線進(jìn)行了對(duì)比分析，并提出了一些應(yīng)對(duì)措施。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主要類型

目前兆瓦級(jí)并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)都采用變速機(jī)型，這樣可以實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電和最大風(fēng)能的跟蹤。變速型風(fēng)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(jí)增速型；按照所用功率變換器與發(fā)電機(jī)容量的大小關(guān)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(chǎng)上變速型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主要機(jī)型。

一、直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。所采用的永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為永磁結(jié)構(gòu)，無需外部提供勵(lì)磁電源，提高了效率。永磁發(fā)電機(jī)發(fā)出的頻率變化的交流電通過交－直－交并網(wǎng)變流器轉(zhuǎn)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(jī)可做到與發(fā)電機(jī)的直接耦合，省去齒輪箱，即為直接驅(qū)動(dòng)式結(jié)構(gòu)，大大減小了系統(tǒng)運(yùn)行噪聲，提高了可靠性。由于運(yùn)行轉(zhuǎn)速低，致使發(fā)電機(jī)體積增大、成本增加，但由于不使用價(jià)格昂貴的齒輪箱，所以系統(tǒng)的總成本有所降低。

二、多級(jí)增速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

多級(jí)增速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)之間增加了一個(gè)3級(jí)增速齒輪箱，將風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速提高到了發(fā)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速附近（6極發(fā)電機(jī)為1200r/min），因此發(fā)電機(jī)的體積可以大大縮小。應(yīng)用于多級(jí)增速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)主要包括雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)、高速永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)和鼠籠式異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)三種。

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。發(fā)電機(jī)定子直接接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子通過一個(gè)功率變換器與電網(wǎng)相連，通過控制轉(zhuǎn)子電流的幅值和頻率，實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電。由于變流器接在轉(zhuǎn)子側(cè)，只需要轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)差功率，因此變流器容量相對(duì)發(fā)電機(jī)容量較小，一般為發(fā)電機(jī)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要機(jī)型

圖1 直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

高速永磁同步發(fā)電機(jī)的“高速”是相對(duì)于直驅(qū)永磁的低轉(zhuǎn)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(jī)的主要區(qū)別在于，其轉(zhuǎn)子采用永磁體勵(lì)磁，減少了勵(lì)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

鼠籠異步發(fā)電機(jī)與雙饋異步發(fā)電機(jī)相比，轉(zhuǎn)子采用鼠籠式銅棒結(jié)構(gòu)，省去了滑環(huán)系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)最大的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量容易實(shí)現(xiàn)。由于風(fēng)速的不斷變化，風(fēng)力機(jī)以及轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速也隨之變化，所以發(fā)電機(jī)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(gè)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(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)了變速恒頻，具有變速運(yùn)行范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，適用于風(fēng)速變化較大的環(huán)境，而且維護(hù)簡(jiǎn)便。

三、半直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

半直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)只采用一級(jí)或兩級(jí)齒輪增速，例如1:20增速齒輪箱。這種技術(shù)可以使齒輪箱和發(fā)電機(jī)的體積都有所減小，是直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電和多級(jí)增速風(fēng)力發(fā)電方案之間的折中選擇。圖4為半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

海上風(fēng)電機(jī)組應(yīng)用情況

作為陸上風(fēng)電的先驅(qū)，歐洲在海上風(fēng)電領(lǐng)域也走在前列，海上風(fēng)電機(jī)組的整機(jī)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(gè)海上風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量的93%，具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。

基于我國(guó)海上風(fēng)能資源與歐洲的差異，需要開發(fā)適合于我國(guó)海上風(fēng)況的抗臺(tái)風(fēng)、大葉輪低風(fēng)速風(fēng)電機(jī)組。表2為我國(guó)重點(diǎn)企業(yè)正在研制的海上大功率風(fēng)電機(jī)組。

從表2可以看出，各種技術(shù)類型的風(fēng)電機(jī)組在海上風(fēng)電均有應(yīng)用。福建福清興化灣海上風(fēng)電樣機(jī)試驗(yàn)風(fēng)電場(chǎng)首批14臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，除雙饋異步和鼠籠異步外，其他幾種機(jī)型均有涉及。

海上風(fēng)電機(jī)組技術(shù)路線選擇

圖2 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

圖3 高速永磁/鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

圖4 半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

表2 我國(guó)重點(diǎn)企業(yè)正在研制的海上大功率風(fēng)電機(jī)組

海上風(fēng)電機(jī)組所處的環(huán)境及載荷特點(diǎn)與陸上風(fēng)電機(jī)組有很大的不同，這也決定了進(jìn)行海上風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮海上環(huán)境，選擇適合海上環(huán)境的技術(shù)路線。表3從系統(tǒng)可靠性、可維護(hù)性和備品備件通用性等方面對(duì)不同技術(shù)路線的主要區(qū)別進(jìn)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(jī)械可靠性最高，但發(fā)電機(jī)需解決軸承及磁鋼防腐問題；從可維護(hù)性角度考慮，鼠籠異步具有一定的優(yōu)勢(shì)，且其備品備件通用性也較好。從近幾年我國(guó)海上風(fēng)電裝機(jī)情況來看，西門子4MW鼠籠異步發(fā)電機(jī)應(yīng)用最為廣泛。2016年我國(guó)風(fēng)電機(jī)組供應(yīng)商新增海上風(fēng)電市場(chǎng)占有情況顯示，西門子4MW鼠籠異步發(fā)電機(jī)的機(jī)組裝機(jī)容量占比為65%，處于市場(chǎng)主導(dǎo)地位。

海上風(fēng)電機(jī)組應(yīng)對(duì)策略

一、環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

海上風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行環(huán)境惡劣，對(duì)關(guān)鍵部件發(fā)電機(jī)而言，影響最大的是鹽霧腐蝕。因此實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)較高的環(huán)境適應(yīng)性，首要是提高防鹽霧腐蝕能力，包括緊固件防腐和機(jī)械結(jié)構(gòu)件防腐等。

緊固件防腐通過表面處理來實(shí)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(duì)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(shí)，也應(yīng)考慮緊固性能的因素，即安裝扭矩—預(yù)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(dá)克羅等，其中達(dá)克羅工藝不存在氫脆問題，并且扭矩－預(yù)緊力一致性能很好，是最適用于高防腐要求的高強(qiáng)度緊固件。

機(jī)械結(jié)構(gòu)件防腐需根據(jù)不同部件采用相應(yīng)的防腐措施，同時(shí)根據(jù)發(fā)電機(jī)本身在機(jī)組所處的環(huán)境來確定防腐標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于鼠籠異步或部分半直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)全部位于機(jī)艙內(nèi)，因此可按C3或C4等級(jí)腐蝕環(huán)境進(jìn)行防腐處理；而對(duì)于直驅(qū)、部分半直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)部分部件直接暴露在外部大氣，這部分部件則需按C5等級(jí)腐蝕環(huán)境進(jìn)行防腐處理。

對(duì)于永磁特別是直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組，還需要特別考慮轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)可靠性設(shè)計(jì)根據(jù)各部件的特性、運(yùn)行環(huán)境不同而不同，主要有機(jī)械系統(tǒng)裕度設(shè)計(jì)、電氣絕緣冗余設(shè)計(jì)等。

機(jī)械系統(tǒng)裕度設(shè)計(jì)主要針對(duì)風(fēng)電機(jī)組中比較重要、受載荷較多較復(fù)雜的部件，主要包括轉(zhuǎn)軸、軸承等。對(duì)于這些部件的安全系數(shù)，海上風(fēng)電機(jī)組一般要采取比陸上風(fēng)電機(jī)組略大的值。

電氣絕緣冗余設(shè)計(jì)，包括絕緣系統(tǒng)的壽命、耐熱等級(jí)和耐壓等，需具有一定的設(shè)計(jì)裕度；同時(shí)對(duì)一些電氣元件，如測(cè)溫元件及信號(hào)線匯集的端子排等，應(yīng)考慮備用。

三、可維護(hù)性設(shè)計(jì)

海上風(fēng)電機(jī)組的維護(hù)是指對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行保養(yǎng)或發(fā)生故障后進(jìn)行維修，使其恢復(fù)正常工作能力。機(jī)組的可維護(hù)性是維護(hù)時(shí)間的函數(shù)，適當(dāng)?shù)目删S護(hù)性方案可以減少維護(hù)工時(shí)，降低維護(hù)工人的技能水平，節(jié)約維護(hù)設(shè)備及維護(hù)費(fèi)用，并提高風(fēng)電機(jī)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(shù)路線風(fēng)電機(jī)組的對(duì)比分析

圖5 可維護(hù)性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

對(duì)于發(fā)電機(jī)而言，其可維護(hù)性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)時(shí)盡量簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)理念，同時(shí)采取防差錯(cuò)措施以及維護(hù)安全性措施?？删S護(hù)性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

結(jié)語

海上風(fēng)電是未來風(fēng)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(fēng)電的發(fā)展帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。本文通過對(duì)海上風(fēng)電機(jī)組的各種技術(shù)路線進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)合目前國(guó)內(nèi)外海上風(fēng)電機(jī)組的應(yīng)用現(xiàn)狀，總結(jié)了未來海上風(fēng)電的技術(shù)方向，對(duì)全面認(rèn)識(shí)海上風(fēng)電機(jī)組特別是關(guān)鍵部件發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)制造質(zhì)量，提高海上風(fēng)電產(chǎn)品的高環(huán)境適應(yīng)性、高可靠性、高可維護(hù)性具有重要意義。

（作者單位：江蘇中車電機(jī)有限公司）