北車風(fēng)電海上風(fēng)電機(jī)組概念設(shè)計(jì)研究

摘 要:針對北車風(fēng)電發(fā)展戰(zhàn)略及發(fā)展現(xiàn)狀;分析了國內(nèi)外現(xiàn)有大功率海上風(fēng)電機(jī)組的情況;分析了海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的技術(shù)難點(diǎn)、設(shè)計(jì)要求;提出了北車風(fēng)電海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組概念設(shè)計(jì)的途徑和方法，并對幾種海上風(fēng)電機(jī)組概念進(jìn)行了分析;對北車風(fēng)電海上風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)提供思路和建議。

關(guān)鍵詞:海上風(fēng)電風(fēng)機(jī)概念設(shè)計(jì)研究北車風(fēng)電

中圖分類號:TM614文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1674-098X(2011)09(a)-0119-04

1 引言

隨著世界性能源危機(jī)的加劇和全球環(huán)境日趨污染，世界各國家都更加重視清潔的新能源和可再生能源的研究、開發(fā)和利用。因此，開發(fā)風(fēng)能資源已經(jīng)成為國內(nèi)外的共識。我國有延綿1.8萬km的大陸海岸線和1.4萬km的島嶼海岸線，海洋國土面積達(dá)300萬平方公里，發(fā)展海上風(fēng)能的空間巨大，且海上風(fēng)能資源總量達(dá)7.5億kw，開發(fā)海上風(fēng)能資源的潛力巨大。此外，海上風(fēng)能對于從廣東到山東的東部沿海地區(qū)人口密集省份尤其具有意義。這些省份擁有大量海上風(fēng)能資源。同時(shí)，這些省份的城市也是中國制造業(yè)企業(yè)集中之地。通過在電力需求量最大的沿海地區(qū)附近發(fā)展海上風(fēng)電場，可以避免建設(shè)一系列遠(yuǎn)距離輸電線路，風(fēng)電并網(wǎng)難、送出難的瓶頸在海上風(fēng)電領(lǐng)域幾乎不存在。

我國的陸上風(fēng)電場開發(fā)建設(shè)已經(jīng)具有一定的規(guī)模，但海上風(fēng)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段。2010年上海東海大橋海上風(fēng)電示范項(xiàng)目的成功并網(wǎng)，才使我國有了第一個(gè)100MW的海上風(fēng)電裝機(jī)。隨后我國第一期海上風(fēng)電特許權(quán)招標(biāo)的開展，推動(dòng)我國海上風(fēng)電進(jìn)入了規(guī)模化開發(fā)及商業(yè)化運(yùn)作的階段。從2010年國家能源局的規(guī)劃及各部委頒布的一系列政策及示范風(fēng)場、特許權(quán)招標(biāo)等工作的開展來看，海上風(fēng)電已經(jīng)成為我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新領(lǐng)域。

北車風(fēng)電有限公司是北車股份有限公司投資30億元打造的國內(nèi)一流的大型風(fēng)電裝備制造企業(yè)，專業(yè)從事風(fēng)力發(fā)電設(shè)備及主要部件的研發(fā)、制造及銷售，風(fēng)力發(fā)電裝備工程的設(shè)計(jì)、建設(shè)和技術(shù)服務(wù)。北車風(fēng)電依托中國北車集團(tuán)技術(shù)、人才、資金優(yōu)勢，在立足自主研發(fā)的基礎(chǔ)上廣泛與國際知名風(fēng)機(jī)研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行合作，成功開發(fā)研制了1.5MW雙饋與高速永磁兩種機(jī)型，并計(jì)劃于2011年底完成2.0MW和3.0MW兩個(gè)系列風(fēng)電整機(jī)的研發(fā)試制工作。2011年上半年，針對我國海上風(fēng)電規(guī)劃和海上風(fēng)電裝備制造現(xiàn)狀，北車風(fēng)電決定開展大功率海上風(fēng)電機(jī)組的研發(fā)。

2 國內(nèi)外海上風(fēng)電機(jī)組情況

由于海上風(fēng)電機(jī)組的基礎(chǔ)需承受海上的強(qiáng)風(fēng)載荷、海水腐蝕和波浪沖擊等，海上風(fēng)電機(jī)組的基礎(chǔ)遠(yuǎn)比陸上的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)難度高、建設(shè)成本高;加之海上風(fēng)機(jī)安裝工程施工難度遠(yuǎn)高于陸上，施工成本高;因此風(fēng)機(jī)的功率越高，專項(xiàng)投資就越低。為了應(yīng)對這一需求，國外各大風(fēng)機(jī)制造廠商競相開發(fā)大功率的海上風(fēng)電機(jī)組。其中最具代表性的是德國REPOWER公司的5M機(jī)型和法國AREVA公司的MULTIBRID M5000機(jī)型。這兩種機(jī)型已在德國Alpha-Ventus海上風(fēng)電場并網(wǎng)發(fā)電。這是現(xiàn)在商業(yè)化運(yùn)行于海上的最大容量的機(jī)組。截止目前為止，GE推出了GE-4.0MW機(jī)型，機(jī)組額定功率4.0MW，風(fēng)輪直徑110m;GAMESA公司推出了G128-4.5MW機(jī)型，額定功率4.5MW，風(fēng)輪直徑128米;ENERCON公司推出了E126機(jī)組，該機(jī)組額定功率6MW，最大可升級至7.5MW;REPOWER也將他們的5M機(jī)組升級到了6MW級別，風(fēng)輪直徑126m;Windtec推出WT5000FC機(jī)型，額定功率5MW，風(fēng)輪直徑有127m和140m兩種。值得一提的是，Windtec公司和Clipper Windpower公司都提出了他們的10MW風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)方案。由此可見，5MW機(jī)型已經(jīng)成為國際海上風(fēng)電機(jī)組的主流機(jī)型。國際各大廠商也競相推出了此功率段的機(jī)型，并繼續(xù)致力于更大容量機(jī)組的研發(fā)中。

國內(nèi)現(xiàn)在擁有風(fēng)電機(jī)組海裝并網(wǎng)經(jīng)驗(yàn)的僅有華銳和金風(fēng)兩家;另外上海電氣與湘電風(fēng)能的3.6MW、5.0MW機(jī)組也于2010年下線。華銳風(fēng)電是目前我國第一，世界第三的風(fēng)電裝備企業(yè)。我國的第一個(gè)海上示范風(fēng)電場就采用了華銳SL3000機(jī)型。該機(jī)型采用雙饋技術(shù)，額定功率3MW，提供90米、100米、105米、113米四種規(guī)格的風(fēng)輪直徑以適應(yīng)不同風(fēng)況的使用要求。應(yīng)該說華銳風(fēng)電是國內(nèi)唯一一家有海上風(fēng)電工程經(jīng)驗(yàn)的企業(yè)。但由于機(jī)組剛剛并網(wǎng)發(fā)電，技術(shù)的可靠性還需要進(jìn)一步的驗(yàn)證。據(jù)悉華銳風(fēng)電已經(jīng)投入5MW海上風(fēng)電機(jī)組的研發(fā)，并預(yù)計(jì)于2011完成樣機(jī)的試制。金風(fēng)科技早在2007年11月就利用渤海綏中SZ36-1油田中閑置系泊平臺作為海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，安裝了一臺1. 5MW風(fēng)機(jī)，所發(fā)電能在海上并入柴油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，為海上風(fēng)電的開發(fā)進(jìn)行了探索。今年金風(fēng)科技推出了2.5MW海上風(fēng)機(jī)。該機(jī)型采用直驅(qū)技術(shù)。直驅(qū)技術(shù)由于省去了齒輪箱和滑環(huán)系統(tǒng)，省去了風(fēng)機(jī)兩個(gè)較大的故障隱患點(diǎn)，降低了風(fēng)機(jī)的故障率和運(yùn)維成本，被認(rèn)為是海上風(fēng)電的發(fā)展方向之一。金風(fēng)科技也已經(jīng)開始了對6MW功率等級風(fēng)電機(jī)組的研發(fā)工作。2010年7月1日，上海電氣3.6MW海上風(fēng)機(jī)樣機(jī)成功下線，標(biāo)志著上海電氣正式進(jìn)入海上風(fēng)電領(lǐng)域。在隨后的我國第一期海上風(fēng)電特許權(quán)招標(biāo)中，上海電氣與華銳、金風(fēng)一起中標(biāo)，這將推動(dòng)上海電氣海上風(fēng)電的發(fā)展。湘電風(fēng)能通過買入荷蘭風(fēng)機(jī)制造商Darwind資產(chǎn)，直接獲得了5MW直驅(qū)風(fēng)機(jī)的技術(shù)。其5MW樣機(jī)發(fā)電機(jī)已于2010年10月份下線。該機(jī)組采用永磁直驅(qū)技術(shù)，風(fēng)輪直徑115m，是我國現(xiàn)有國產(chǎn)機(jī)組中單機(jī)容量最大的風(fēng)機(jī)。

表中，列出了國內(nèi)外各主要海上風(fēng)電機(jī)組制造商機(jī)型的主要參數(shù)及設(shè)計(jì)概念。

由此可見，現(xiàn)階段國際海上風(fēng)電機(jī)組功率等級一般在5MW左右，最大的已經(jīng)達(dá)到7MW以上。機(jī)組類型主要有齒輪配高速發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)、直驅(qū)結(jié)構(gòu)和混合傳動(dòng)結(jié)構(gòu)三種。截至目前，量產(chǎn)的大功率海上風(fēng)電機(jī)組全部采用3葉片上風(fēng)向水平軸設(shè)計(jì)，傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)較陸上風(fēng)電沒有太大的差別。在歐洲，部分風(fēng)機(jī)研究設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)也開始就海上風(fēng)電特點(diǎn)展開了一些突破性的風(fēng)機(jī)概念設(shè)計(jì)，如采用兩葉片結(jié)構(gòu)，下風(fēng)向，桁架式塔筒結(jié)構(gòu)等，但目前尚無成熟的應(yīng)用案例。

3 海上風(fēng)電機(jī)組技術(shù)難點(diǎn)

由于海上環(huán)境氣候多變，海浪潮汐情況復(fù)雜，海上風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行環(huán)境惡劣。而且由于機(jī)組都位于海上，維修人員只能通過工作艇或直升飛機(jī)到達(dá)指定地點(diǎn)進(jìn)行設(shè)備維修或更換，所以維護(hù)的成本很高。因此對海上風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的可靠性提出了很高的要求；而設(shè)備的可靠性和可利用率需要在機(jī)組設(shè)計(jì)中予以保證。據(jù)統(tǒng)計(jì)，海上風(fēng)電場運(yùn)行中設(shè)備故障主要以機(jī)組葉片損壞、電纜疲勞損壞、齒輪箱損壞和變壓器故障等問題最為常見；這就要求在海上風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)中避免上述故障的發(fā)生，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，合理配置冗余系統(tǒng)；并對主要部件進(jìn)行有效監(jiān)控、故障預(yù)判和故障診斷。這就對海上機(jī)組設(shè)計(jì)及監(jiān)控水平提出了更高要求。

3.1 適用于海上風(fēng)電的大功率風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)

風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是有效分擔(dān)風(fēng)機(jī)載荷，是實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。同時(shí)，風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要兼顧風(fēng)機(jī)的運(yùn)輸、安裝的便利性和風(fēng)機(jī)的可維護(hù)性。由于海上風(fēng)機(jī)與陸上風(fēng)機(jī)工作的風(fēng)況有很大差異，且海上風(fēng)機(jī)安裝及維護(hù)費(fèi)用遠(yuǎn)高于陸上風(fēng)機(jī)，故此風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)相比陸上風(fēng)機(jī)有較大的不同。有資料表明，未來海上風(fēng)機(jī)的技術(shù)發(fā)展的趨勢是：更大容量、新型結(jié)構(gòu)和新材料。

風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括風(fēng)輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、各系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)等方面。由于海上風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜、惡劣，且大型風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪直徑巨大，如何對風(fēng)輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)使其能夠在機(jī)組生命周期內(nèi)有效承受強(qiáng)風(fēng)載荷、疲勞載荷和風(fēng)輪不平衡載荷；如何優(yōu)化塔筒結(jié)構(gòu)和機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使其在滿足海上風(fēng)機(jī)載荷要求的情況下盡量減輕整機(jī)重量；如何合理設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)傳動(dòng)鏈和各系統(tǒng)布局以提高風(fēng)機(jī)可靠性和可維護(hù)性是海上大功率風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

3.2 抗臺風(fēng)、抗地震、抗海浪設(shè)計(jì)

受地球自轉(zhuǎn)及大氣環(huán)流的影響，在太平洋西岸及大西洋西岸是臺風(fēng)及颶風(fēng)生成和活動(dòng)的地方。臺風(fēng)與颶風(fēng)極具破壞力，其極限風(fēng)速能達(dá)到90m/s甚至更大，這對沿海風(fēng)電場危害極大。2006年，臺風(fēng)“桑美”登陸時(shí)，臺風(fēng)中心正面襲擊蒼南風(fēng)電場，導(dǎo)致28臺風(fēng)機(jī)倒了20臺，對風(fēng)電場幾乎造成毀滅性打擊。

因此，增強(qiáng)海上風(fēng)機(jī)的抗臺風(fēng)能力是一個(gè)重要課題。另外，我國處于亞歐大陸與非洲大陸板塊結(jié)合部，地質(zhì)活動(dòng)較劇烈，地震時(shí)常發(fā)生。而海浪和洋流的活動(dòng)會(huì)使風(fēng)機(jī)承受額外的沖擊、震動(dòng)及疲勞載荷。這些主要體現(xiàn)在槳葉、塔架和基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)上。第一要采用柔性槳葉設(shè)計(jì)，當(dāng)臺風(fēng)來襲時(shí)，槳葉變形，使其受力大大減小，保護(hù)機(jī)組不受損壞。第二要考慮剛性塔架設(shè)計(jì)，增加塔架壁厚，避免塔架局部發(fā)生缺陷而引發(fā)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，導(dǎo)致折斷。第三要考慮整機(jī)基礎(chǔ)及整機(jī)的震動(dòng)模態(tài)，避免引起共振。第四要考慮塔筒及基礎(chǔ)的疲勞特性，防止疲勞引起的破壞。另外，我國北部冬季的浮冰也將是海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，如何設(shè)計(jì)合理的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，抵抗浮冰碰撞，避免浮冰的堆積和侵蝕需要進(jìn)行大量的研究、借鑒和試驗(yàn)工作。

3.3 防腐蝕設(shè)計(jì)

在海上大氣的高濕度、高鹽霧的腐蝕環(huán)境下，保護(hù)風(fēng)機(jī)在整個(gè)設(shè)計(jì)壽命中不受到腐蝕的破壞是很重要的。防腐保護(hù)系統(tǒng)的任何一點(diǎn)瑕疵都可能會(huì)影響風(fēng)機(jī)的可利用率。由于風(fēng)機(jī)安置于海上，維護(hù)困難且安置于強(qiáng)腐蝕的大氣環(huán)境中，如何搭建機(jī)械結(jié)構(gòu)件和電氣系統(tǒng)的防腐系統(tǒng)，處理好防護(hù)與冷卻散熱之間的關(guān)系需要深入的研究、借鑒和試驗(yàn)工作。

我國東南沿海地區(qū)氣候濕潤，空氣濕度大，沿海風(fēng)場電氣設(shè)備受鹽霧腐蝕嚴(yán)重，因此對電氣設(shè)備的可靠性要求比較高。一般不采用內(nèi)陸風(fēng)場常用的干式機(jī)組變壓器，必須采用箱式機(jī)組變壓器提高防潮能力。主開關(guān)一般采用氣體絕緣開關(guān)，使元件全部密封不受環(huán)境干擾。

3.4 風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)和監(jiān)控

海上風(fēng)電機(jī)組在控制原理上與陸地風(fēng)力機(jī)相似，但由于海上風(fēng)機(jī)現(xiàn)場操作與維護(hù)上的不便，因此對控制系統(tǒng)的安全可靠、遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程維護(hù)等性能提出了更高的要求。在設(shè)計(jì)上需要大量采用冗余技術(shù)。比如控制器，傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、通信線路等，都采用多重備用方案。對機(jī)組的每個(gè)設(shè)備都配備傳感器，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通過通信線路(光纜或無線通信)不間斷監(jiān)測機(jī)組和設(shè)備的狀態(tài);并進(jìn)行在線診斷，指導(dǎo)控制器預(yù)先動(dòng)作，避免故障發(fā)生，從而提高機(jī)組可靠性。基于冗余設(shè)置的高可靠性監(jiān)控系統(tǒng)配置和配套軟件的開發(fā)是海上風(fēng)機(jī)的核心技術(shù)之一。

3.5 電網(wǎng)接入

近海風(fēng)電場電氣接線和接入系統(tǒng)方式與陸地風(fēng)電場基本相同。每個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需用電纜與相鄰的機(jī)組連接，經(jīng)1個(gè)或多個(gè)中壓集控開關(guān)組件及電纜單元匯集，并進(jìn)一步升壓送至更高電壓的電網(wǎng)。當(dāng)風(fēng)電場容量大于100MW時(shí)，一般采用36kV以上的高壓系統(tǒng)，以盡可能減少風(fēng)電場內(nèi)部風(fēng)力發(fā)電機(jī)間互連所產(chǎn)生的損耗。

海底電纜一般采用三芯電纜設(shè)計(jì)，因?yàn)楹Ｉ巷L(fēng)場面積較大，需要長距離輸電。而三芯電纜來自三相的充電電流是短路的，所以在外部的金屬層沒有反向電流引起的損耗，同樣設(shè)計(jì)的鎧裝海底電纜的外金屬件損耗也很低。

在海底電纜鋪裝時(shí)，風(fēng)電場內(nèi)部以及送出電纜均由敷設(shè)船放入海底，使用高壓噴水沖擊海床，然后使電纜埋入海床下1 m深處。如果海底表面為堅(jiān)硬巖石，可在電纜上鋪設(shè)石頭或砂礫層。這樣，可以減少捕魚工具、錨以及海水沖刷對海底電纜造成破壞的風(fēng)險(xiǎn)。隨著近海風(fēng)電場規(guī)模的不斷擴(kuò)大，場址距離陸地的主電網(wǎng)越來越遠(yuǎn)。輕型高壓直流輸電(VSC-HVDC)技術(shù)，以其在成本、維護(hù)、輸電質(zhì)量等方面的優(yōu)越性，越來越受到風(fēng)力發(fā)電輸電系統(tǒng)尤其是海上輸電的青睞。

4 風(fēng)機(jī)概念設(shè)計(jì)

4.1 目標(biāo)環(huán)境定義

風(fēng)電機(jī)組的高效運(yùn)行離不開精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)，而設(shè)計(jì)在很大程度上源于對目標(biāo)地域的風(fēng)能、環(huán)境等資源的深刻了解。陸上風(fēng)電場資源由風(fēng)速、盛行風(fēng)向、風(fēng)功率密度、氣溫(包括極端溫度)、濕度、風(fēng)沙以及其他地理環(huán)境構(gòu)成;海上風(fēng)電場則還要考慮波浪、潮流、水位、海底附著物等因素，這些都是風(fēng)機(jī)載荷計(jì)算、材料選擇等方面的重要參考內(nèi)容。因此，在海上風(fēng)電機(jī)組概念設(shè)計(jì)前期準(zhǔn)確有效的對目標(biāo)環(huán)境進(jìn)行分析定義十分重要。

2010年，上海、江蘇、浙江、山東和福建五省市已經(jīng)提交了海上風(fēng)電規(guī)劃，至“十二五”末時(shí)，上海、江蘇、浙江、山東和福建的海上風(fēng)電裝機(jī)分別是70萬kw、460萬kw、150萬kw、300萬kw和40萬kw。北車風(fēng)電以山東省海上風(fēng)電規(guī)劃為主，結(jié)合其他省市海上風(fēng)電規(guī)劃資源及海洋水文資料對北車風(fēng)電海上風(fēng)機(jī)的目標(biāo)環(huán)境進(jìn)行了定義。

4.2 風(fēng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)確定

風(fēng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)的確定是風(fēng)機(jī)概念設(shè)計(jì)的第一步，也是風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的前提條件。合理的確定風(fēng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)關(guān)系到風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行維護(hù)整個(gè)運(yùn)行周期甚至整個(gè)產(chǎn)品周期的可用性。風(fēng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)主要包括額定功率、風(fēng)況等級、風(fēng)輪直徑、整機(jī)質(zhì)量、整機(jī)尺寸等。在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮目標(biāo)環(huán)境、生產(chǎn)制造限制、運(yùn)輸限制、供應(yīng)商情況、市場情況等各方面的需求和限制，取得平衡，最終確定合理的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

4.3 安裝及運(yùn)行維護(hù)策略設(shè)定

安裝及運(yùn)行維護(hù)策略定義了怎樣吊裝，采用何種類型的安裝船，如何組織場內(nèi)物料的運(yùn)輸，如何組織風(fēng)機(jī)的運(yùn)行維護(hù)等。在策略定義的過程中還要考慮目標(biāo)風(fēng)電場的容量、離岸或港口的距離、海洋氣候及水文條件等。安裝及運(yùn)行維護(hù)策略的定義將在很大程度上影響風(fēng)機(jī)總體布置方案及各部件和系統(tǒng)的布置方案。

海上風(fēng)電機(jī)組安裝方式主要有2種:海上分體安裝和海上整體安裝。

海上分體安裝是采用與陸上相似的方法進(jìn)行，整個(gè)機(jī)組分為四個(gè)部分運(yùn)輸并安裝:下部塔筒、上部塔筒、機(jī)艙+輪轂+2片葉片、葉片。其中風(fēng)機(jī)機(jī)艙、輪轂及兩個(gè)葉片是吊裝環(huán)節(jié)最重要的一部分。風(fēng)機(jī)分體吊裝需預(yù)先在規(guī)劃風(fēng)電場場址附近陸上基地完成前期的拼裝作業(yè)。分體安裝是目前最為常見的海上風(fēng)機(jī)安裝方式。為保證分體安裝時(shí)的穩(wěn)定性，國外的風(fēng)機(jī)安裝船舶和安裝平臺均裝備了自升支腿系統(tǒng)。

海上整體安裝是選擇碼頭作為拼裝場地，在碼頭完成風(fēng)電機(jī)組的組裝和調(diào)試;然后將風(fēng)機(jī)整體調(diào)運(yùn)至風(fēng)機(jī)安裝點(diǎn);由起重船將風(fēng)機(jī)整體吊裝到風(fēng)機(jī)平臺上。由于起重船將風(fēng)機(jī)整體吊裝到風(fēng)機(jī)平臺上時(shí)采用錨泊定位，為避免風(fēng)機(jī)塔筒與風(fēng)機(jī)平臺發(fā)生嚴(yán)重碰撞和確保風(fēng)機(jī)塔筒與平臺對中的準(zhǔn)確度，需要特殊設(shè)置軟著陸系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)整體平移對中系統(tǒng)。該安裝方法應(yīng)用在英國的Beatrice風(fēng)場和國內(nèi)中海油渤海風(fēng)場及東海大橋海上風(fēng)電示范項(xiàng)目。

北車風(fēng)電風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)考慮靈活的安裝及維護(hù)方案，適應(yīng)海上整體安裝及分體安裝的需要，對海上大型吊裝船施工和海上小型吊裝施工均作出相應(yīng)的安裝及維護(hù)方案。設(shè)定合理的維護(hù)周期，合理設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)冗余配置和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，增加風(fēng)機(jī)故障遠(yuǎn)程診斷功能。

4.4 風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)

風(fēng)電機(jī)組概念設(shè)計(jì)的最終落腳于風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在這個(gè)設(shè)計(jì)階段定義了風(fēng)電機(jī)組的總體模型并形成初步的三維模型;是風(fēng)機(jī)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)、控制策略設(shè)計(jì)和載荷仿真的基礎(chǔ)。

風(fēng)機(jī)概念設(shè)計(jì)階段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要集中于風(fēng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括風(fēng)機(jī)氣動(dòng)布局方案、風(fēng)機(jī)傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)方案、整機(jī)總體布局方案、整機(jī)總體結(jié)構(gòu)方案、各部件和各系統(tǒng)配置方案、塔架預(yù)設(shè)計(jì)。此階段的結(jié)果是應(yīng)給出風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整機(jī)三面圖，整機(jī)總體布置圖，重心定位圖，整機(jī)重量和重心計(jì)算報(bào)告，性能計(jì)算報(bào)告，初步的外載荷計(jì)算報(bào)告，整機(jī)結(jié)構(gòu)承力初步分析報(bào)告，各部件和系統(tǒng)的初步技術(shù)要求，部件理論圖，系統(tǒng)原理圖，新工藝、新材料等協(xié)作要求等，以及其他有關(guān)經(jīng)濟(jì)性和使用性能等文件。

北車風(fēng)電定義了多種理論概念上的風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)，包含有各種氣動(dòng)布局、傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)配置方案。這些概念表示風(fēng)機(jī)各主要部件的主要位置和布置。所有這些風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)概念將根據(jù)目標(biāo)環(huán)境、限制條件、供應(yīng)商情況、可靠性、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、防護(hù)等級、成本分析等方面進(jìn)行評估，最終確定最適合的風(fēng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

5 幾種風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)概念分析

5.1 氣動(dòng)布局概念

氣動(dòng)布局的概念設(shè)計(jì)主要集中于風(fēng)輪葉片數(shù)的設(shè)計(jì)與風(fēng)輪上風(fēng)向與下風(fēng)向結(jié)構(gòu)的選擇。目前國內(nèi)外大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)大多為傳統(tǒng)的3葉片、上風(fēng)向設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)成熟可靠，有很多成功的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、較為成熟的設(shè)計(jì)模型和成熟有效的仿真計(jì)算手段，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)較小，有很強(qiáng)的可實(shí)施性。但是由于海上風(fēng)電施工特點(diǎn)，2葉片風(fēng)機(jī)在海上風(fēng)場運(yùn)輸及安裝上有3葉片風(fēng)機(jī)無法替代的優(yōu)勢，而且由于風(fēng)輪實(shí)度的降低，可以設(shè)計(jì)較高的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，這可以有效的降低傳動(dòng)鏈上齒輪箱的增速比或減小直驅(qū)發(fā)電機(jī)級數(shù);同時(shí)避免了2葉片風(fēng)機(jī)視覺效果差的缺點(diǎn)。

根據(jù)美國波音公司的研究結(jié)論:2葉片風(fēng)輪的動(dòng)態(tài)載荷比3葉片風(fēng)輪的動(dòng)態(tài)載荷大得多;3葉片使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，基本上消除了的周期載荷，輸出穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩。與3葉片風(fēng)輪相比，2葉片風(fēng)輪噪聲大、運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)、成本高。風(fēng)輪的氣動(dòng)效率大約降低2%～3%左右。同時(shí)，2葉片風(fēng)輪的輪轂通常比較復(fù)雜，為了限制風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)過程中的載荷波動(dòng)，輪轂具有蹺蹺板的特性(即采用柔性輪轂)。因此，2葉片風(fēng)輪輪轂設(shè)計(jì)較為困難，有較大的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

統(tǒng)計(jì)表明，減小齒輪箱的傳動(dòng)比有助于提高齒輪箱的可靠性，降低齒輪箱的故障率。而對于低速發(fā)電機(jī)，增大發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，減少發(fā)電機(jī)磁極數(shù)可以減小發(fā)電機(jī)徑向尺寸。因此，提高風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪轉(zhuǎn)速成為一個(gè)好的選擇。但是風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的提高會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)運(yùn)行噪聲的增強(qiáng)，這是一個(gè)矛盾。由于海上風(fēng)電遠(yuǎn)離居民區(qū)，可以放大噪聲限制，因此可以設(shè)計(jì)較高的葉尖速比以提高風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。但是隨著葉尖速度的增加，風(fēng)輪實(shí)度隨著葉尖速度的平方遞減。例如一個(gè)按120m/s葉尖速度優(yōu)化設(shè)計(jì)的葉片寬度僅為按60m/s葉尖速度設(shè)計(jì)的葉片寬度的1/4。這就造成了葉片會(huì)更加柔軟，將很難運(yùn)用于塔架上風(fēng)向的風(fēng)輪設(shè)計(jì)。下風(fēng)向風(fēng)輪則更加適合。但是由于塔影效應(yīng)的影響，下風(fēng)向風(fēng)輪對風(fēng)機(jī)的疲勞載荷提出更高的要求，而且國內(nèi)風(fēng)電制造企業(yè)沒有下風(fēng)向風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，會(huì)導(dǎo)致較大的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

5.2 傳動(dòng)鏈布局概念

齒輪箱配高速發(fā)電機(jī)。齒輪箱配高速發(fā)電機(jī)是傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)概念，REPOWER-5M/6M、Wintec-WT5000fc機(jī)型即采用此種傳動(dòng)鏈布局方案。這種方案技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)低，傳動(dòng)鏈布局清晰，發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)制造較簡單，結(jié)構(gòu)緊湊。但是由于高速齒輪箱的故障率較高，對齒輪箱設(shè)計(jì)制造有較高的要求，且整機(jī)運(yùn)行維護(hù)工作量較大。（如圖1）

直驅(qū)風(fēng)機(jī)。直驅(qū)結(jié)構(gòu)的風(fēng)機(jī)省去了風(fēng)機(jī)傳動(dòng)鏈的齒輪箱，避免了齒輪箱故障引起的風(fēng)機(jī)故障，被認(rèn)為是海上風(fēng)機(jī)發(fā)展的方向之一。但是由于低速發(fā)電機(jī)磁極數(shù)的增加，造成發(fā)電機(jī)徑向尺寸巨大，設(shè)計(jì)和制造困難。同時(shí)，機(jī)組重量較大，對于機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出更高的要求。GE-4.0-110、ENERCON-E126、Darwind-DD115機(jī)型為此類型傳動(dòng)鏈布局概念。(如圖2）

混合傳動(dòng)。混合傳動(dòng)是將齒輪箱配高速發(fā)電機(jī)概念與直驅(qū)概念進(jìn)行了綜合，平衡了兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)。該方案采用單級齒輪箱和中速發(fā)電機(jī)，既避免了齒輪箱高速部分故障率較高的缺陷，又解決了直驅(qū)風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)尺寸巨大的問題，被認(rèn)為是海上風(fēng)電發(fā)展的一個(gè)方向。但是由于中速齒輪箱和發(fā)電機(jī)綜合成本較高，該方案的機(jī)組成本較高。AREVA-MULTIBRID M5000、Gamesa-G128-4.5、VESTAS-V164-7.0機(jī)型采用此布局方案。（如圖3）

多發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。多發(fā)電機(jī)系統(tǒng)是一種較新的海上大功率風(fēng)電機(jī)組的傳動(dòng)鏈設(shè)計(jì)概念。該方案采用單輸入、多輸出軸的齒輪箱，后部配套多組發(fā)電機(jī)及變流器系統(tǒng)。該方案能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)及變流器部分的冗余設(shè)計(jì)，當(dāng)一組發(fā)電機(jī)或變流器出現(xiàn)故障時(shí)風(fēng)機(jī)仍可限功率運(yùn)行，提高了風(fēng)機(jī)的可利用率，對于維護(hù)困難的海上風(fēng)電機(jī)組有很大的價(jià)值。但是，由于多輸出軸齒箱的負(fù)載平衡問題難以解決，多輸出軸齒輪箱設(shè)計(jì)制造困難，故障率較高。兼之該布局方案的成本較高，因此目前國內(nèi)外尚無批量的該方案的應(yīng)用案例。（如圖4）

6 結(jié)語

風(fēng)電機(jī)組概念設(shè)計(jì)是風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)的第一步，將確定風(fēng)機(jī)全局性重大問題的解決方案，必須精心和慎重地進(jìn)行，要盡可能充分利用已有的經(jīng)驗(yàn)，以求總體設(shè)計(jì)階段中的重大決策建立在可靠的理論分析和試驗(yàn)基礎(chǔ)上，避免以后出現(xiàn)不應(yīng)有的重大反復(fù)。北車風(fēng)電在充分吸收世界先進(jìn)海上風(fēng)機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上，充分調(diào)研、分析我國海上風(fēng)電資源，有針對性的開展了海上風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)研究工作，以開發(fā)出適合我國國情的大功率海上風(fēng)電機(jī)組，促進(jìn)我國海上風(fēng)電事業(yè)快速、健康發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]肖運(yùn)啟，賈淑娟.我國海上風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀與技術(shù)分析[J].華北電力，2010，38(2).

[2]熊禮儉.風(fēng)力發(fā)電新技術(shù)與發(fā)電工程設(shè)計(jì)、運(yùn)行、維護(hù)及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范實(shí)用手冊[M].中國科技文化出版社，2005.

[3]中南勘探設(shè)計(jì)研究院、山東電力工程咨詢院、山東省氣候中心.山東省千萬千瓦級風(fēng)電基地規(guī)劃報(bào)告.