半直驅(qū)永磁式海上風(fēng)電機(jī)組的發(fā)展

中國(guó)農(nóng)機(jī)工業(yè)協(xié)會(huì)風(fēng)力機(jī)械分會(huì) ■ 沈德昌

0 引言

半直驅(qū)永磁式全功率變流風(fēng)電機(jī)組是由變槳距風(fēng)輪驅(qū)動(dòng)中速齒輪箱，再由齒輪箱驅(qū)動(dòng)中速永磁發(fā)電機(jī)發(fā)電，通過(guò)全功率變流器向電網(wǎng)饋電的風(fēng)電機(jī)組。目前，這種風(fēng)電機(jī)組在陸上風(fēng)電場(chǎng)和海上風(fēng)電場(chǎng)都有應(yīng)用。陸上風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)用的主要是5 MW以下功率的半直驅(qū)永磁式全功率風(fēng)電機(jī)組，海上風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)用的主要是5 MW及以上功率的半直驅(qū)永磁式風(fēng)電機(jī)組。近年來(lái)，歐洲海上風(fēng)電場(chǎng)已批量應(yīng)用8 MW及以上功率的半直驅(qū)永磁式全功率變流發(fā)電機(jī)組。

1 早期的半直驅(qū)永磁式海上風(fēng)電機(jī)組

2010 年以前，芬蘭Winwind風(fēng)電公司研制了3 MW半直驅(qū)永磁式全功率變流風(fēng)電機(jī)組，并曾有少量樣機(jī)在風(fēng)電場(chǎng)安裝運(yùn)行，是最早應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)的半直驅(qū)永磁式風(fēng)電機(jī)組。

法德合資的Areva Multibrid公司研制了5 MW半直驅(qū)永磁式風(fēng)電機(jī)組，并已于2015年在海上風(fēng)電場(chǎng)批量投入運(yùn)行。該風(fēng)電機(jī)組的額定功率為5 MW，風(fēng)輪直徑為116 m；采用集成化設(shè)計(jì)，將風(fēng)力機(jī)的主軸、齒輪箱、高速軸和發(fā)電機(jī)集成在一起，減輕了重量，從而降低了成本；其傳動(dòng)鏈為“風(fēng)輪+單級(jí)齒輪箱(增速比為1:9.92)+多級(jí)永磁發(fā)電機(jī)”。該系統(tǒng)采用折中方案，兼顧了雙饋式風(fēng)電機(jī)組和直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)，折中考慮了性能與價(jià)格的關(guān)系。

西班牙Gamesa公司研制出了G128型5 MW中速傳動(dòng)永磁式風(fēng)電機(jī)組。該機(jī)組的風(fēng)輪直徑為128 m，輪轂高度為120 m，機(jī)頭重量為250 t，屬于一種大型化的半直驅(qū)永磁式風(fēng)電機(jī)組。該機(jī)組采用兩段式葉片(碳纖維)及混合式塔筒(混凝土+鋼筒)，減少了設(shè)備材料投資；內(nèi)置吊車，便于安裝和拆卸部件；采用1個(gè)2級(jí)傳動(dòng)的行星齒輪箱、永磁發(fā)電機(jī)和全功率變流器，變流器由6個(gè)并聯(lián)的770 kW變流器(IGBT)組成，提高了可靠性。該機(jī)型于2012年底完成認(rèn)證測(cè)試，并于2013年在西班牙進(jìn)行了首臺(tái)樣機(jī)的安裝。

2 半直驅(qū)永磁式海上風(fēng)電機(jī)組在應(yīng)用方面取得的實(shí)質(zhì)性進(jìn)展

2.1 國(guó)外技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用情況

2016 年，日本三菱重工和丹麥Vestas的合資公司MHI Vestas研制了新型V164-8.0 MW半直驅(qū)永磁式海上風(fēng)電機(jī)組，采用了中速齒輪箱、永磁發(fā)電機(jī)和全功率變流器。該機(jī)組在海上風(fēng)電場(chǎng)的成功并網(wǎng)運(yùn)行，使業(yè)主的海上風(fēng)電收益率提高到了一個(gè)新的水平。能最大化捕獲能量不僅是因?yàn)槠鋼碛兄睆綖?64 m的巨大風(fēng)輪，還因?yàn)槠鋬?yōu)化了風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)的比例，因此風(fēng)電場(chǎng)可以采用較少數(shù)量的大型風(fēng)電機(jī)組，進(jìn)而減少了運(yùn)行和管理成本；較少數(shù)量的風(fēng)電機(jī)組也意味著較少的基礎(chǔ)和電纜，由此也相應(yīng)減少了投資風(fēng)險(xiǎn)。由于V 164-8.0 MW半直驅(qū)永磁式海上風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壽命為25年，可以給風(fēng)電場(chǎng)業(yè)主一個(gè)更長(zhǎng)的發(fā)電期限，并增加業(yè)主的商業(yè)效益，因而可使投資商的投資回報(bào)實(shí)現(xiàn)最大化。該機(jī)組的設(shè)計(jì)理念為：可靠性高、可預(yù)測(cè)、保障壽命期機(jī)組性能先進(jìn)；盡可能減少維修次數(shù)，需要維修時(shí)，可做到安全、快捷和低成本。2017年，32臺(tái)V 164-8.0 MW半直驅(qū)永磁式海上風(fēng)電機(jī)組已在英國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)成功并網(wǎng)運(yùn)行。

2018 年，由MHI Vestas公司研制的8.8 MW半直驅(qū)永磁式海上風(fēng)電機(jī)組也已并網(wǎng)運(yùn)行，成為目前歐洲大型海上風(fēng)電場(chǎng)安裝運(yùn)行的最大的海上風(fēng)電機(jī)組。同時(shí)，MHI Vestas公司又設(shè)計(jì)研發(fā)了10 MW半直驅(qū)永磁式海上風(fēng)電機(jī)組，并預(yù)計(jì)于2021年投入海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)。

2.2 國(guó)內(nèi)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用情況

近年來(lái)，中國(guó)廣東明陽(yáng)智能公司(下文簡(jiǎn)稱“明陽(yáng)智能”)研制了MySE5.5/7 MW 緊湊型半直驅(qū)永磁式海上風(fēng)電機(jī)組。該機(jī)組采用中速齒輪箱驅(qū)動(dòng)永磁同步發(fā)電機(jī)的發(fā)電技術(shù)，發(fā)出的電通過(guò)全功率變流器饋入電網(wǎng)，采用液壓獨(dú)立變槳；具有高發(fā)電量、高可靠性、低度電成本、防鹽霧、抗雷擊、抗臺(tái)風(fēng)等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

明陽(yáng)智能采用的半直驅(qū)永磁式發(fā)電機(jī)技術(shù)路線具備如下競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)：

1)采用半直驅(qū)中速永磁的傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)：綜合了雙饋式風(fēng)電機(jī)組和直驅(qū)永磁式風(fēng)電機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速范圍寬，低風(fēng)速性能好，中、高風(fēng)速發(fā)電機(jī)效率高。

2)緊湊傳動(dòng)鏈：主軸軸承及齒輪箱與發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)為一個(gè)緊湊整體，縮短了風(fēng)輪與塔架之間的距離。

3)中速齒輪箱傳動(dòng)：減少了軸承及滑動(dòng)部件的磨損，提高了傳動(dòng)部件的可靠性，與高速齒輪箱傳動(dòng)相比，故障明顯減少。

4)密封性好：采用全封閉式的傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)，空氣過(guò)濾處理，隔絕水氣、鹽分及沙塵，避免或減少了其對(duì)機(jī)艙和塔筒內(nèi)部零部件和電氣部件的影響。

5)采用中速永磁發(fā)電機(jī)：重量比同功率低速永磁發(fā)電機(jī)輕，便于運(yùn)輸。

6)采用全功率變流器：具有更寬的轉(zhuǎn)速范圍、更好的發(fā)電效率，以及更友好的并網(wǎng)特性。

7)大數(shù)據(jù)平臺(tái)：依托大數(shù)據(jù)平臺(tái)，采用全球領(lǐng)先的基于模型的控制(MBC)實(shí)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行的自尋優(yōu)，成就海上無(wú)人值守的智能化風(fēng)電場(chǎng)。

明陽(yáng)智能研制的MySE5.5-155緊湊型半直驅(qū)永磁式海上風(fēng)電機(jī)組(Y8號(hào))于2018年5月在三峽福建福清興化灣海上試驗(yàn)風(fēng)電場(chǎng)成功吊裝。截至2019年6月8日，在此前的1個(gè)自然年內(nèi)，該機(jī)組共發(fā)電2408萬(wàn)kWh，等效滿發(fā)小時(shí)數(shù)4378 h，可利用率達(dá)99%以上，發(fā)電量在該試驗(yàn)風(fēng)電場(chǎng)處于領(lǐng)跑地位。

2019年1 月，明陽(yáng)智能在廣東省揭陽(yáng)市海上風(fēng)電場(chǎng)安裝了7.25 MW緊湊型半直驅(qū)永磁式海上風(fēng)電機(jī)組，是迄今為止在我國(guó)安裝的最大功率的海上風(fēng)電機(jī)組。

目前我國(guó)在建的海上風(fēng)電場(chǎng)中，已中標(biāo)200臺(tái)明陽(yáng)智能制造的單機(jī)功率在5 MW以上的半直驅(qū)永磁式海上風(fēng)電機(jī)組，總裝機(jī)容量超過(guò)110萬(wàn)kW。

3 已采用半直驅(qū)永磁式海上風(fēng)電機(jī)組的海上風(fēng)電場(chǎng)

下文介紹了幾個(gè)已采用半直驅(qū)永磁式海上風(fēng)電機(jī)組的海上風(fēng)電場(chǎng)。

3.1 英國(guó)256 MW Burbo Bank Extension 項(xiàng)目

該項(xiàng)目由丹麥Dong Energy公司承建。Burbo Bank Extension 風(fēng)電場(chǎng)位于英國(guó)利物浦灣的布爾波海岸，由32臺(tái)MHI Vestas公司提供的V164-8.0 MW 半直驅(qū)永磁式海上風(fēng)電機(jī)組組成。該機(jī)組葉片長(zhǎng)度為80 m，每個(gè)葉片重35 t，輪轂高度為105 m，葉尖最高點(diǎn)可高于海平面195 m。由丹麥海上風(fēng)電場(chǎng)安裝和服務(wù)公司A2Sea采用A2Sea自升式(jack-up)海上風(fēng)電機(jī)組安裝船進(jìn)行安裝。2017年6月，32臺(tái)機(jī)組全部安裝及并網(wǎng)，且已投入商業(yè)運(yùn)行。該風(fēng)電場(chǎng)可向23萬(wàn)戶家庭提供電力，每年減排二氧化碳36萬(wàn)t，減排二氧化硫8462 t。

3.2 德國(guó) 440 MW Borkum Riffgrund 2 海上風(fēng)電項(xiàng)目

該項(xiàng)目地點(diǎn)距德國(guó)西北部海岸57 km，水深約30 m，由MHI Vestas公司提供的55臺(tái)V164-8.0 MW半直驅(qū)永磁式海上風(fēng)電機(jī)組組成。該項(xiàng)目的預(yù)組裝在丹麥的 Esbjerg 完成，并計(jì)劃于2019年完成安裝和調(diào)試，屆時(shí)將成為德國(guó)裝機(jī)容量最大的海上風(fēng)電項(xiàng)目，可為46萬(wàn)戶德國(guó)家庭送去清潔電力。

3.3 中國(guó)中廣核廣東陽(yáng)江南鵬島40萬(wàn)kW海上風(fēng)電項(xiàng)目

該項(xiàng)目地點(diǎn)位于我國(guó)廣東省陽(yáng)江市陽(yáng)東區(qū)東平鎮(zhèn)南側(cè)海域，北距南鵬島約4.6 km，中心距離陽(yáng)江市陸域約28.5 km，水深20～30 m。項(xiàng)目總?cè)萘繛?0萬(wàn)kW，由明陽(yáng)智能提供的73臺(tái)MySE5.5-155 緊湊型半直驅(qū)永磁式海上風(fēng)電機(jī)組組成。項(xiàng)目于2017年底開(kāi)工，預(yù)計(jì)2019年完成安裝調(diào)試。

3.4 中國(guó)粵電陽(yáng)江沙扒一期30萬(wàn)kW海上風(fēng)電項(xiàng)目

該項(xiàng)目地點(diǎn)位于廣東省陽(yáng)西縣沙扒鎮(zhèn)海域，離岸最近距離約15 km，涉海面積約48 km2。項(xiàng)目工程規(guī)劃總裝機(jī)容量為90萬(wàn)kW，分期建設(shè)，一期裝機(jī)容量為30萬(wàn)kW，投資約60億元，由明陽(yáng)智能提供的55臺(tái)MySE5.5-155緊湊型半直驅(qū)永磁式海上風(fēng)電機(jī)組組成。項(xiàng)目2017年10月開(kāi)工，預(yù)計(jì)于2019年10月首批機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，2020年年底一期30萬(wàn)kW風(fēng)電項(xiàng)目全部建成投產(chǎn)。

4 結(jié)論

近年來(lái)，隨著海上風(fēng)電機(jī)組大型化發(fā)展，歐洲已成功地利用8 MW及以上功率的半直驅(qū)永磁式海上風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行了海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)。我國(guó)半直驅(qū)永磁式海上風(fēng)電機(jī)組采用模塊化設(shè)計(jì)理念，機(jī)組齒輪箱模塊、發(fā)電機(jī)模塊和液壓系統(tǒng)模塊等都采用了標(biāo)準(zhǔn)通用聯(lián)接，可在同系列機(jī)組中自由切換，供應(yīng)鏈資源可在內(nèi)部靈活調(diào)配。同時(shí)，基于半直驅(qū)技術(shù)路線，明陽(yáng)智能現(xiàn)已培育起獨(dú)特的供應(yīng)鏈體系，且關(guān)鍵部件的供應(yīng)鏈體系與行業(yè)不存在競(jìng)爭(zhēng)。由于半直驅(qū)永磁式海上風(fēng)電機(jī)組的優(yōu)勢(shì)明顯，隨著全球海上風(fēng)電場(chǎng)快速建設(shè)的步伐，將有越來(lái)越多的大型半直驅(qū)永磁式海上風(fēng)電機(jī)組投放我國(guó)海上風(fēng)電市場(chǎng)。