半直驅永磁式海上風電機組的發展

中國農機工業協會風力機械分會 ■ 沈德昌

0 引言

半直驅永磁式全功率變流風電機組是由變槳距風輪驅動中速齒輪箱，再由齒輪箱驅動中速永磁發電機發電，通過全功率變流器向電網饋電的風電機組。目前，這種風電機組在陸上風電場和海上風電場都有應用。陸上風電場應用的主要是5 MW以下功率的半直驅永磁式全功率風電機組，海上風電場應用的主要是5 MW及以上功率的半直驅永磁式風電機組。近年來，歐洲海上風電場已批量應用8 MW及以上功率的半直驅永磁式全功率變流發電機組。

1 早期的半直驅永磁式海上風電機組

2010 年以前，芬蘭Winwind風電公司研制了3 MW半直驅永磁式全功率變流風電機組，并曾有少量樣機在風電場安裝運行，是最早應用于風電場的半直驅永磁式風電機組。

法德合資的Areva Multibrid公司研制了5 MW半直驅永磁式風電機組，并已于2015年在海上風電場批量投入運行。該風電機組的額定功率為5 MW，風輪直徑為116 m；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，減輕了重量，從而降低了成本；其傳動鏈為“風輪+單級齒輪箱(增速比為1:9.92)+多級永磁發電機”。該系統采用折中方案，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。

西班牙Gamesa公司研制出了G128型5 MW中速傳動永磁式風電機組。該機組的風輪直徑為128 m，輪轂高度為120 m，機頭重量為250 t，屬于一種大型化的半直驅永磁式風電機組。該機組采用兩段式葉片(碳纖維)及混合式塔筒(混凝土+鋼筒)，減少了設備材料投資；內置吊車，便于安裝和拆卸部件；采用1個2級傳動的行星齒輪箱、永磁發電機和全功率變流器，變流器由6個并聯的770 kW變流器(IGBT)組成，提高了可靠性。該機型于2012年底完成認證測試，并于2013年在西班牙進行了首臺樣機的安裝。

2 半直驅永磁式海上風電機組在應用方面取得的實質性進展

2.1 國外技術發展與應用情況

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半直驅永磁式海上風電機組，采用了中速齒輪箱、永磁發電機和全功率變流器。該機組在海上風電場的成功并網運行，使業主的海上風電收益率提高到了一個新的水平。能最大化捕獲能量不僅是因為其擁有直徑為164 m的巨大風輪，還因為其優化了風輪與發電機的比例，因此風電場可以采用較少數量的大型風電機組，進而減少了運行和管理成本；較少數量的風電機組也意味著較少的基礎和電纜，由此也相應減少了投資風險。由于V 164-8.0 MW半直驅永磁式海上風電機組的結構設計壽命為25年，可以給風電場業主一個更長的發電期限，并增加業主的商業效益，因而可使投資商的投資回報實現最大化。該機組的設計理念為：可靠性高、可預測、保障壽命期機組性能先進；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。2017年，32臺V 164-8.0 MW半直驅永磁式海上風電機組已在英國海上風電場成功并網運行。

2018 年，由MHI Vestas公司研制的8.8 MW半直驅永磁式海上風電機組也已并網運行，成為目前歐洲大型海上風電場安裝運行的最大的海上風電機組。同時，MHI Vestas公司又設計研發了10 MW半直驅永磁式海上風電機組，并預計于2021年投入海上風電場建設。

2.2 國內技術發展與應用情況

近年來，中國廣東明陽智能公司(下文簡稱“明陽智能”)研制了MySE5.5/7 MW 緊湊型半直驅永磁式海上風電機組。該機組采用中速齒輪箱驅動永磁同步發電機的發電技術，發出的電通過全功率變流器饋入電網，采用液壓獨立變槳；具有高發電量、高可靠性、低度電成本、防鹽霧、抗雷擊、抗臺風等獨特優勢。

明陽智能采用的半直驅永磁式發電機技術路線具備如下競爭優勢：

1)采用半直驅中速永磁的傳動鏈結構：綜合了雙饋式風電機組和直驅永磁式風電機組的優點，風輪轉速范圍寬，低風速性能好，中、高風速發電機效率高。

2)緊湊傳動鏈：主軸軸承及齒輪箱與發電機設計為一個緊湊整體，縮短了風輪與塔架之間的距離。

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

4)密封性好：采用全封閉式的傳動鏈結構，空氣過濾處理，隔絕水氣、鹽分及沙塵，避免或減少了其對機艙和塔筒內部零部件和電氣部件的影響。

5)采用中速永磁發電機：重量比同功率低速永磁發電機輕，便于運輸。

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

7)大數據平臺：依托大數據平臺，采用全球領先的基于模型的控制(MBC)實現機組運行的自尋優，成就海上無人值守的智能化風電場。

明陽智能研制的MySE5.5-155緊湊型半直驅永磁式海上風電機組(Y8號)于2018年5月在三峽福建福清興化灣海上試驗風電場成功吊裝。截至2019年6月8日，在此前的1個自然年內，該機組共發電2408萬kWh，等效滿發小時數4378 h，可利用率達99%以上，發電量在該試驗風電場處于領跑地位。

2019年1 月，明陽智能在廣東省揭陽市海上風電場安裝了7.25 MW緊湊型半直驅永磁式海上風電機組，是迄今為止在我國安裝的最大功率的海上風電機組。

目前我國在建的海上風電場中，已中標200臺明陽智能制造的單機功率在5 MW以上的半直驅永磁式海上風電機組，總裝機容量超過110萬kW。

3 已采用半直驅永磁式海上風電機組的海上風電場

下文介紹了幾個已采用半直驅永磁式海上風電機組的海上風電場。

3.1 英國256 MW Burbo Bank Extension 項目

該項目由丹麥Dong Energy公司承建。Burbo Bank Extension 風電場位于英國利物浦灣的布爾波海岸，由32臺MHI Vestas公司提供的V164-8.0 MW 半直驅永磁式海上風電機組組成。該機組葉片長度為80 m，每個葉片重35 t，輪轂高度為105 m，葉尖最高點可高于海平面195 m。由丹麥海上風電場安裝和服務公司A2Sea采用A2Sea自升式(jack-up)海上風電機組安裝船進行安裝。2017年6月，32臺機組全部安裝及并網，且已投入商業運行。該風電場可向23萬戶家庭提供電力，每年減排二氧化碳36萬t，減排二氧化硫8462 t。

3.2 德國 440 MW Borkum Riffgrund 2 海上風電項目

該項目地點距德國西北部海岸57 km，水深約30 m，由MHI Vestas公司提供的55臺V164-8.0 MW半直驅永磁式海上風電機組組成。該項目的預組裝在丹麥的 Esbjerg 完成，并計劃于2019年完成安裝和調試，屆時將成為德國裝機容量最大的海上風電項目，可為46萬戶德國家庭送去清潔電力。

3.3 中國中廣核廣東陽江南鵬島40萬kW海上風電項目

該項目地點位于我國廣東省陽江市陽東區東平鎮南側海域，北距南鵬島約4.6 km，中心距離陽江市陸域約28.5 km，水深20～30 m。項目總容量為40萬kW，由明陽智能提供的73臺MySE5.5-155 緊湊型半直驅永磁式海上風電機組組成。項目于2017年底開工，預計2019年完成安裝調試。

3.4 中國粵電陽江沙扒一期30萬kW海上風電項目

該項目地點位于廣東省陽西縣沙扒鎮海域，離岸最近距離約15 km，涉海面積約48 km2。項目工程規劃總裝機容量為90萬kW，分期建設，一期裝機容量為30萬kW，投資約60億元，由明陽智能提供的55臺MySE5.5-155緊湊型半直驅永磁式海上風電機組組成。項目2017年10月開工，預計于2019年10月首批機組并網發電，2020年年底一期30萬kW風電項目全部建成投產。

4 結論

近年來，隨著海上風電機組大型化發展，歐洲已成功地利用8 MW及以上功率的半直驅永磁式海上風電機組進行了海上風電場的建設。我國半直驅永磁式海上風電機組采用模塊化設計理念，機組齒輪箱模塊、發電機模塊和液壓系統模塊等都采用了標準通用聯接，可在同系列機組中自由切換，供應鏈資源可在內部靈活調配。同時，基于半直驅技術路線，明陽智能現已培育起獨特的供應鏈體系，且關鍵部件的供應鏈體系與行業不存在競爭。由于半直驅永磁式海上風電機組的優勢明顯，隨著全球海上風電場快速建設的步伐，將有越來越多的大型半直驅永磁式海上風電機組投放我國海上風電市場。