國外海上風電機組發展趨勢分析

中國農業機械工業協會風能設備分會 ■ 沈德昌

國外海上風電機組發展趨勢分析

中國農業機械工業協會風能設備分會 ■ 沈德昌

0 引言

從1991年第一個海上風電場建成到現在已有25年，海上風電一直在緩慢發展。近年來，海上風電成為世界關注的熱點，發展速度有所加快，但人們預期的海上風電起飛至今還未發生。截至2015年底，全球海上風電累計裝機容量達到1100萬kW，僅占全球風電累計裝機容量的2.56%；我國海上風電累計裝機容量達到100萬kW，僅占全國風電累計裝機容量的0.7%。

海上風電機組是建設海上風電場最主要的設備，其單機容量從25年前的450 kW增長到當前的7 MW，仍然在向大型化發展。海上風電機組的技術類型也從單一的高速傳動式風電機組發展到高速傳動雙饋式風電機組、高速傳動異步發電機全功率變流風電機組、半直驅永磁發電機全功率變流風電機組和直驅式永磁發電機全功率變流風電機組并存的階段。主流機型從5年前的2～3 MW發展到如今的3.6～6 MW，當前正在向8 MW，甚至10 MW發展。本文介紹并分析了國外各主要風電機組生產廠家研制的海上風電機組的技術路線，并指出了國外海上風電機組技術今后發展的主要趨勢。

1 國外已經應用的海上風電機組

在18世紀90年代，Bonus的450 kW和Vestas的500 kW、550 kW、600 kW風電機組都曾經在早期的近海風電場應用；2000年以后就沒有安裝過2 MW以下的海上風電機組。

1) Vestas公司的2 MW和3 MW雙饋式海上風電機組已在歐洲海上風電場大批量應用，是經受住考驗的成熟機型。Vestas公司的海上風電機組裝機容量約占全球海上風電機組的30%。

2) 西門子公司的2.3 MW和3.6 MW海上風電機組已在海上風電場大批量應用，也是目前海上風電場的主流機型。西門子公司的海上風電機組裝機容量約占全球海上風電機組的60%以上。

3) 德國Repower公司研制的5 MW雙饋式異步風電機組已成功應用于海上風電場，是傳統雙饋式風電機組大型化的典范，目前在愛爾蘭、比利時和德國海上風電場安裝運行。該機組風輪直徑126 m，輪轂高度120 m，額定功率5 MW，已批量安裝使用。在其基礎上擴容的Repower 6 MW也已少量安裝。

4) 德國BARD公司5 MW海上風電機組的風輪直徑為122 m；機艙部分重達425 t；葉片長度為60 m，重28.5 t。該機組由德國Areodyn公司設計，屬于雙饋式風電機組大型化的又一個范例。輪轂重量(包括軸承座和其他附加設備)達70 t，機艙 (包括發電機，但不包括葉片和輪轂)重280 t。德國BARD公司5 MW海上風電機組已在海上風電場批量安裝。

5) 法-德合資的Areva Multibrid半直驅型

5 MW風電機組也已在海上風電場投入運行，安裝數量超過10臺。該機組額定功率為5 MW，風輪直徑為116 m。機組采用集成化設計，將風力機的主軸、齒輪箱、高速軸和發電機集成在一起，以減少重量，從而降低成本；傳動鏈為“風輪+單級齒輪箱(1∶9.92)+多級永磁發電機”；系統采用折中方案，兼顧了雙饋式風電機組和直驅式風電機組的優點，折中考慮了性能與價格的關系。

6) 2003年GE 風能公司的3.6 MW雙饋式海上風電機組也已在海上風電場投入運行，安裝數量為7臺；芬蘭Winwind公司生產的3 MW半直驅海上風電機組于2009年在海上風電場投入運行，安裝數量達10臺。但后來這兩個產品都沒有繼續進入海上風電場，說明它們的性能還不能適應海上風電場的惡劣環境。

2 歐美重點企業新研制海上大功率風電機組的技術特點

2.1 日本三菱重工和丹麥Vestas公司的海上風電機組

面向未來，兩公司正在合作研制164-8.0 MW Vestas 8 MW半直驅永磁發電機全新功率變流海上風電機組。該機組采用了1個中速齒輪箱、永磁發動機和全功率變流器。

隨著164-8.0 MW Vestas的引進設計將推動業主的海上風電收益率達到一個新的水平。該機組可最大化捕獲能量，不僅是因為其擁有164 m直徑的巨大風輪，還因為其優化了風輪與發電機的比例；采用較少數量的大型風力機，從而減少了運行和管理的成本，也減少了投資風險的規模，因為較少數量的風力機也意味著較少的基礎和電纜。由于164-8.0 MW Vestas的結構設計壽命是25年，產業標準突出，因而使投資商的投資回報實現最大化，這會給業主一個更長的發電期限，并增加業主的商業效益。該機組的設計理念為可靠性高、可預測、保障壽命期性能、盡可能減少維修次數；需要維修時，可做到安全、快捷和低成本。

2.2 德國西門子公司的海上風電機組

作為世界海上風電領域的領軍者，西門子2010年在上海建立了風機葉片制造基地；2011年贏得中國首個海上風電訂單；同年10月，西門子風力發電集團亞太區總部落戶上海。西門子將為中國帶來先進的風電機組技術、國際化項目管理，以及海上風電領域的運行經驗。

該公司已經研制出SWT-6.0-154直驅式新型海上風電機組，該機組風輪直徑為154 m，風輪軸后傾6°，機組的額定功率為6 MW；風輪直接驅動永磁發電機，結構緊湊，塔架上部重量僅為360 t。該機組主要特點如下：

1) 量子(力學)葉片。獨特的設計和制造程序，采用一體化葉片。為獲得最大的強度，實行一體化澆注；為中高速風況優化氣動特性；為更高的輸出能量增長了葉片長度；為使根部氣流泄漏最小化并增加升力而設計了葉片根部。

2)直驅發電機永磁設計。全封閉、容易接近、輕重量設計；在可靠性和效率之間優化設計。與帶齒輪箱的風電機組比，整機零件數量減少50%。

3)機艙堅固重量輕。進行了寬敞、人體工程學設計，并具有最大的服務能力。

4)冷卻系統。設計了簡單、堅固、流暢連接的水冷系統；頂部安裝的被動冷卻散熱器，高效的兩級冷卻保證了良好的效果。

推出SWT-6.0-154風電機組后，西門子在直驅海上風電技術領域大獲成功，已被約10個項目選中。 西門子6 MW機組商業運營的第一個海上風電場，即位于英國東海岸的Westermost Rough海上風電場，共安裝35臺機組，裝機容量210 MW，足以滿足超過15萬戶英國家庭每年的電力需求，在2015年5月底已實現滿功率運行。

此前，西門子全新推出了SWT-7.0-154機

組，這款設備將有力推動海上風電平準化成本的降低。在相似的運營成本條件下，SWT-7.0-154機組發電量比其前代產品SWT-6.0-154提高了10%，這是由于電氣系統升級，新機組提高了無功功率容量，這對符合電網規范十分重要，立足于成熟平臺的先進技術將確保機組的高可靠性和可維護性?，F在，西門子又全新推出了SWT-8.0-154機組樣機，在相似的運營成本條件下，SWT-8.0-154機組發電量比其前代產品SWT-7.0-154提高了14%。

2.3 西班牙Gamesa公司的G128型5 MW海上風電機組

西班牙Gamesa公司研制出風輪直徑128 m、輪轂高度120 m的G128型5 MW中速傳動永磁風電機組，機頭重量為250 t，屬于半直驅永磁風電機組大型化的一個范例。該機組采用兩段式(碳纖維)葉片；混合式塔筒(混凝土+鋼)，可減少投資；內置吊車，便于安裝和拆卸部件；采用1個兩級傳動的行星齒輪箱、永磁發電機和全功率變流器，該變流器由6個并聯的770 kW變流器(IGBT)組成，提高了可靠性。該機型已于2012年底完成認證測試，首臺樣機已于2013年在西班牙進行安裝。

2.4 美國GE風能公司的海上風電機組

美國GE風能公司研制的GE 4.1-113型直驅式海上風電機組，風輪直徑為113 m，額定功率為4.1 MW， 采用永磁發動機，是美國GE風能公司首次研制的大型直驅式海上風電機組。

2.5 德國Enercon公司的7 MW直驅勵磁風電機組

德國Enercon公司安裝在比利時的新一代E-126直驅風電機組，風輪直徑為127 m，采用了1600 t的履帶吊安裝。單機容量為7 MW；采用2段式葉片，便于運輸和現場組裝；輪轂高度為198 m，采用混合式塔筒-鋼制頂段，其余由混凝土建造，塔底直徑為14.5 m。該機組采用“蛋形”機艙；新型葉片設計，與機艙罩和導流罩有機融合，使氣流均勻地通過機艙，減少湍流和擾流，提高發電量；葉片采用了“小翼”葉尖，可在風輪平面內抑制生成擾流和旋渦，從而降低噪聲，提高發電量；葉片法蘭直徑大，采用雙列螺栓連接。該機組采用勵磁發電機，是德國Enercon公司近年來研制的最大型直驅式風電機組。7 MW直驅勵磁風電機組已安裝3臺，其前身6 MW直驅勵磁風電機組已安裝9臺，在比利時陸上風電場的總安裝量為11臺。

但是，到目前為止，7 MW直驅勵磁風電機組還沒有在海上風電場安裝。

2.6 法國阿爾斯通公司開發了6 MW直驅式海上風電機組

這款新一代海上風電機組采用無齒輪箱的直驅結構，并采用永磁發電機，所以設備內部的機械部件較少，故障率更低，使其運行更為可靠，也更有助于降低運行和維護成本。該機組額定功率為6 MW，采用液壓冷卻的永磁發電機，變流器置于塔架底部空間內；風輪直徑150 m，葉片長度為73.5 m，沒有使用碳纖維，葉片的表面由聚氨酯腹膜覆蓋，葉片的迎風邊做了抗腐蝕保護性處理。這款機型是專門針對海上環境而設計，所以其安裝將有助于確認Haliade 150型機組在海上環境下的運行表現。

機組安裝過程中，每個基點的樁基礎被打入到海底平面下60 m以上，61 m長的導管樁基礎安裝在基點上，露出海平面約20 m；78 m長的3段式塔筒被安裝在導管樁基礎上以后，輪轂的高度在海平面100 m以上；機組及其附屬結構的重量總計約1500 t。但是，美國GE風能公司已經收購了法國阿爾斯通公司的風電業務，所以阿爾斯通公司開發的6 MW直驅式海上風電機組的型號改為 GE-Haliade 150型6 MW直驅式海上風電機組。

2.7 德國Nordex公司研制了6 MW直驅式海上風電機組

根據德國Nordex公司的計劃，風輪直徑為150 m的N150/6000 風電機組樣機已于2013年

在陸地上安裝，2014年在海上安裝，并于2015年投入批量生產。

表1 國外重點企業研制的大型海上大功率風電機組

從表1可以看出，國外重點企業2009年以后面向未來開發的海上風電機組大多數都采用了“直驅永磁風電機組+全功率變流器”的技術組合。部分企業采用了“中速齒輪箱+永磁風電機組+全功率變流器”的技術組合。

3 海上風電機組技術總結及展望

1) 2010～2015年，2～6 MW海上風電機組成為海上風電場的主流機型，西門子3.6 MW成為銷量最多的海上風電機組，小批量直驅永磁式6 MW風電機組已經進入海上風電場。在這段時期，海上風電機組的主流技術類型是“高速齒輪箱+雙饋式發電機”組成的風電機組和“高速齒輪箱+高速異步發電機”組成的風電機組；少量“中速齒輪箱+永磁式發電機”組成的風電機組已經進入海上風電場。除了我國在潮間帶風電場應用了2.5 MW直驅永磁型風電機組外，歐洲海上風電場已經有6 MW直驅式風電機組投入應用。

2) 2016～2020年，3.6～8 MW海上風電機組將成為海上風電場的主流機型。2016年以后，6 MW直驅永磁式風電機組將批量進入海上風電場；單機功率6 MW以上的海上風電機組技術成熟、進入大批量生產銷售時期，全球海上風電場建設進入高速發展新階段。6～8 MW海上風電機組將成為海上風電場的主流機型，小批量10～15 MW風電機組將進入海上風電場。

3) 2021～2030年，海上風電機組的主要機型將是6～10 MW直驅永磁式風電機組，8～10 MW“中速齒輪箱+中速永磁式發電機”組成的風電機組、“高速齒輪箱+異步高速發電機”組成的風電機組和“高速齒輪箱+高速永磁式發電機”組成的風電機組也將在海上風電場得到批量應用，上述風電機組都將配備全功率變流器；小批量15～20 MW風電機組將進入海上風電場。總之，配備全功率變流器的各類大型風電機組將成為未來海上風電場的主流機型，而“高速齒輪箱+雙饋式發電機”組成的風電機組將逐步退出海上風電市場。

2016-07-18

沈德昌(1947—)，男，本科、研究員，主要從事風能產業和技術發展方面的研究。shendc06@126.com