海上风电机组的概念设计.doc

1、海上风电机组的概念设计目前，海上风力发电机组的主流机型是 2.35MW 双馈或半直驱机型，已交付或已有订单的机型主要如下表所示：公司名称 机组型号 已交付使用 正在安装 已有订单丹麦 vestas V90 /3MW 257 台260 台（含V112）西门子公司 SWT-2.3 311 台 90 台西门子公司 SWT-3.6 151 台 593 台德国 REpower 5M 8 台 351 台德国 Multibrid M5000 27 台 245 台德国 Enercon E-126/6MW 8 台GE 公司 GE 3.6sl 7 台 130 台华锐公司 3MW 34 台德国 BARD VM5MW

2、 5 台 80 台德国 Nordex 2MW 8 台德国 Nordex 2.5MW 11 台芬兰 WinWind 3MW 10 台由上表可见丹麦 vestas 的 V90 /3MW，西门子公司的 SWT-3.6，德国 REpower 的 5M，德国Multibrid 的 M5000，GE 公司的 GE 3.6sl 和德国 BARD 公司的 VM5MW 机组被市场认可，由此可见 3MW 以上风电机组是最近几年海上风力发电机组的主力机型。V90 /3MW 机组是 vestas 在2002 年 5 月开始试制的，右图为V90 /3MW 的示意图。V90 /3MW 机组是首台采用紧凑型结构的风力发电机

3、组，可以认为是取消了低速轴。2009 年 9 月 vestas 又研制出了 V112-3.0MW离岸型风力发电机组，这是 V90-3.0MW 的改进型，其安全等级为 IECS，适于在平均风速 9.5m/s的海上使用，这种机组采用三级增速齿轮箱，永磁同步发电机，短低速轴。该机型应该是维斯塔斯准备大批量生产的产品，下图为 V112-3.0MW 的外形图。V112-3.0MW 机组计划安装在英国沃尔尼第二海上风力发电场，2011 年年底交付使用。V112-3.0MW 技术参数如下表所示：序号 部件 单位 数值1 机组数据1.1 制造厂家/型号 V1123.0MW1.2 额定功率 kW 30001.3

4、 轮毂高度（推荐方案） m 84.94/1191.4 切入风速 m/s 31.5 额定风速 m/s 121.6 切出风速（10 分钟平均值） m/s 251.7 极端（生存）风速（3 秒最大值） m/s 59.5(IECIIA)52.5（IECIIIA）1.8 预期寿命 y 202 风轮2.1 叶片生产商2.2 叶片型号 （54.6m）2.3 风轮扫掠面积 m2 98522.4 功率调节方式 变桨距序号 部件 单位 数值2.5 转轮直径 m 1192.6 根部弦长 m 43 发电机 MW 3 永磁同步发电机4 变速箱 三级行星齿轮传动/斜齿轮其内部结构如下图所示：西门子公司的 SWT-3.6-

5、107 是海上和陆上两用型机组，SWT-3.6-107 技术参数如下表所示：序号 部件 单位 数值1 机组数据1.1 制造厂家/型号 SWT-3.6-1071.2 额定功率 kW 36001.3 轮毂高度（推荐方案） m 801.4 切入风速 m/s 351.5 额定风速 m/s 13141.6 切出风速（10 分钟平均值） m/s 25序号 部件 单位 数值1.7 极端（生存）风速（3 秒最大值） m/s 50(标准型)70（加强型）1.8 预期寿命 y 202 风轮2.1 叶片生产商 Siemens Wind Power A/S2.2 叶片型号 B52（52m）2.3 叶片材料 GRE（增

6、强型玻璃纤维环氧树脂）2.4 叶片端线速度 m/s 60.480.62.5 风轮扫掠面积 m2 9,000 2.6 风轮转速 rpm 5132.7 功率调节方式 变桨距2.8 转轮直径 m 1072.9 风轮倾角 度 62.10 根部弦长 m 4.22.11 叶形 NACA 63.xxx, FFAxxx2.12 光泽 亚光面，30、ISO28132.13 颜色 暗灰色，RAL 70353 齿轮箱3.1 制造厂家/型号 Winergy AG/PZAB35403.2 齿轮级数 3 级行星3.3 齿轮传动比率 1：1193.4 润滑油容量 L 7503.5 与发电机的连接 柔性轴连接4 发电机4.1

7、 制造厂家/类型 异步 AMB 506L4A4.2 额定功率 36004.3 额定电压 V 6904.4 额定转数及转数范围 R/min 15004.5 绝缘等级 F/F4.6 防护等级 IP54序号 部件 单位 数值4.7 冷却方式 综合热交换器5 制动系统5.1 主制动系统 叶片全翼展变桨距 5.2 第二制动系统 高速轴液压盘式制动器6 偏航系统6.1 控制方式 主动对风6.2 偏航驱动 6 个电动减速齿轮6.3 偏航制动 主动磨擦和 6 个电动减速齿轮6.4 远程控制 WebWPS SCADA 系统7 控制系统7.1 型号/设计 KK WTC 3/微处理机8 重量8.1 机舱 t 125

8、8.2 风轮 t 95下图为 SWT-3.6-107 结构示意图：图中 1整流罩，2整流罩托板，3桨叶，4变桨轴承，5轮毂，6主轴承，7主轴，8齿轮箱，9起重轨道，10制动器，11联轴器，12发电机，13偏航减速电机，14塔架，15偏航轴承，16齿轮润滑油过滤器，17冷却装置，18机舱罩。德国 REpower 公司的 5M 海上风力发电机组是 2004 年开发的，其核心技术是能在强风区或弱风区、平原或山脉、陆上或海上都能可靠地工作，LM Glasfiber 公司参与了此机组的研制工作。下图为 5M 机组的照片。5M 机组的主要技术参数如下表所示：序号 部件 单位 数值1 机组数据1.1 制造厂

9、家/型号 5M1.2 额定功率 kW 50001.3 轮毂高度（推荐方案） m陆上风机 117 米，海上约为 85-95米（取决于现场条件）1.4 切入风速 m/s 3.51.5 额定风速 m/s 131.6 切出风速（10 分钟平均值） m/s 陆上 25.0、海上 30.0 1.7 极端（生存）风速（3 秒最大值） m/sIEC Ib 或德国船级社海上 I 级风场要求1.8 风带 达到 DIBt 31.9 预期寿命 y 202 风轮2.1 叶片生产商玻璃钢增强型纤维塑料（GFRP）外壳，预弯曲型2.2 叶片型号 （61.5m）2.3 风轮扫掠面积 m2 12,469序号 部件 单位 数值2

10、.4 功率调节方式 电动独立变桨距2.5 转轮直径 m 1262.6 转速范围 rpm 6.912.1 (+15.0 %)3 偏航系统3.1 类型 外齿型四点轴承3.2 驱动系统 装有多个刹车盘的齿轮电机3.3 制动 液压盘式制动4 齿轮箱4.1 类型2 级行星(斜齿齿轮)加 1 级平行齿轮4.2 增速比 约为 975 发电机5.1 发电机类型 6 极双馈异步电机5.2 额定功率 5,000kW5.3 转子额定电压 660V5.4 定子额定电压 950V5.5 额定转速 rpm 670 1,170 (+15.0 %)5.6 发电机防护级别 IP 545.7 变流器类型 脉冲调制式 IGBT6

11、基础6.1 陆上风机 加固混凝土地基，取决于现场条件6.2 海上风机 建造符合现场实际条件7 安全系统7.1 温度和速度 嵌入式冗余温度和速度传感器7.2 雷电保护 全集成7.3 电缆 铠装7.4 防火系统 自动7.5 制动系统 液压盘式制动加全翼展气动德国 Multibrid 的 M5000 机组，也是 5MW 机 组 ， 这 种 机 组 为 半 直 驱 式 ， 这一设计综合了传统三级齿轮箱结构和直驱式技术的优点，即取消主轴，采用一级齿轮箱连接低转速永磁同步发电机，并且通过集成化设计，大大降低了机舱重量和尺寸，其主要技术特性如下：1. 采用一级齿轮箱（传动比为 1：9.92）和水冷式永磁同步

12、发电机（最大转速为 147rpm，出口电压 3000V）。与 5M 风机相比，大大地简化了传动系统结构，尺寸仅为 5M 的十分之一。2. 备用的数据采集设备减少了因这些设备的故障而导致的系统停机；传感器系统可提供维护预警。3. 良好的机舱密闭设计和空气过滤器使风机能够承受恶劣气候条件（如盐雾和潮湿空气侵蚀）的影响，适应于海上环境条件。4. 紧凑型设计使 M5000 风机相比于同级别特大型风机具有较轻的机舱和轮毂重量，便于运输和安装。M5000 的机舱总重量（包括轮毂和叶片）大约 310 吨，而 Repower 5M 为 420 吨，Enercon E-126 则达到 530 吨。当然，紧凑型设

13、计同时也带来部件维修的困难。5. 采用碳纤维结构的叶片，降低重量。6. 四象限的全容量变流器改善了电能质量，功率因数调节范围为 0.9（感性）0.9（容性）。2005 年法国 Atlantic coast 海上风电场选用了其产品，这 21 台风机在 2010 年投入运行。M5000 机组的主要技术参数如下表所示：序号 部件 单位 数值1 机组数据1.1 制造厂家/型号 M50001.2 额定功率 kW 50001.3 切入风速 m/s 41.4 额定风速 m/s 141.5 切出风速（10 分钟平均值） m/s 25.0 1.6 极端（生存）风速（1 秒最大值） m/s 351.7极端（生存）

14、风速（10 分钟最大值）m/s 251.8 预期寿命 y 202 风轮2.1 叶片生产商 EuRos2.2 叶片型号 （56.5m）2.3 风轮扫掠面积 m2 10568序号 部件 单位 数值2.4 功率调节方式 电动独立变桨距2.5 转轮直径 m 1162.6 最小工作转速 rpm 5.92.7 额定转速 rpm 14.83 偏航系统3.1 类型 外齿型四点轴承3.2 驱动系统 装有多个刹车盘的齿轮电机3.3 制动 液压盘式制动4 齿轮箱4.1 类型 一级行星轮齿轮箱4.2 增速比 992345 发电机5.1 发电机类型 永磁同步5.2 额定功率 5,315kW5.3 额定电压 3000V5

15、.4 额定转速 rpm 586146.9 (+15.0 %)5.5 发电机防护级别 IP 545.6 冷却方式 水冷却5.7 变流器类型 4 象限、GTO 变流6 重量6.1 叶片重量（含法兰） kg 165006.2 轮毂 kg 582006.3 机舱 （不含叶片、轮毂） kg 194090M5000 机组的结构图示于下图。其传动链是安装转子叶轮的双排园锥滚动轴承，一级行星齿轮箱和永磁同步发电机。主轴承由法兰盘直接连接在齿轮箱的输入轴端，齿轮箱和发电机的外径完全相同，并且由同心法兰连接，这样减小了轴线不重合的风险。这种传动链包括风轮在内仅有 5 个滚动轴承，齿轮箱输出端的最大转速为 148r

16、pm。M5000 风电机组的基本特点和传动链设计的直接效果是叶轮与机舱的总重量很小，仅有 310t，与其它有很大机舱质量的风轮机相比（如 REnower 5MW 风轮机近 400t） ，可显著减少塔架、基础与安装的费用。为了适应近海的环境条件，M5000 风电机组安装了空气净化系统，将盐粒子分离，并且塔架与机舱内建立较低的正压以阻止腐蚀性大气的进入，形成纯净的空气。在机舱下部装有 4 个空气水热交换器，由通风机促使空气流通，空气从机舱外壳与塔架之间流出。在水循环回路有发电机的定子和空气水热交换器以及齿轮箱的油水热交换器，有两台并联的泵单元工作，通过可单个接通的泵与通风机适应工作与环境条件，对水

17、箱环回路的温度与压力进行连续监测。水冷发电机由阿尔斯通公司制造。GE 公司在 2007 年推出 GE 3.6sl 样机，2009 年又对其进行了改进，这种 GE 3.6sl 系机组强调最合适重及较低成本，其风轮直径是 111m，风轮重 83 吨，机舱重 185 吨。机组配置了独特的“WindVAR”电子控制装置，可用于海上或内陆风电场。该机组的主要技术指标如下表所示：序号 部件 单位 数值1 机组数据1.1 制造厂家/型号 GE3.6sl序号 部件 单位 数值1.2 额定功率 kW 36001.3 切入风速 m/s 3.51.4 额定风速 m/s 141.5 切出风速（10 分钟平均值） m/

18、s 271.6 安全等级 IEC S2 风轮2.1 制造厂家 GFK, Epoxydharz2.2 风轮扫掠面积 m2 96772.3 功率调节方式 变桨距2.4 转轮直径 m 1112.5 转速范围 rpm 8.515.3GE 公司 3.6MW 机组示意图图中 1海上舱，2起重轨道，3发电机热交换器，4控制柜，5发电机，6齿轮润滑油冷却装置，7联轴器，8制动器，9机座，10噪声消除装置，11齿轮箱，12主轴锁止装置，13偏航减速电机，14低速轴，15轴承座，16轮毂，17变桨减速电机，18整流罩。华锐风电科技有限公司在 2008 年开始与奥地利 Windtec 公司合作研制 3MW 机组，现

19、有的3MW 全部机型均采用为大连天元电机公司研制的水冷双馈异步发电机，中复连众为其提供了部分叶片，叶片长度为 44m，叶轮直径 90 米，轮毂高度 90 米、整机是在江苏盐城基地装配，其特点是采用了大部件单元自维修系统，能够利用机舱内的起重设备自行拆装齿轮箱和发电机等。以下为该公司 3MW 机组的照片。德国 BARD 公司是由俄国石油天然气投资商 Thomas Bekke 以私人资本注册在德国的风电机生产企业。2007 年该公司开始研制“BARD VM“机组，这是专门为海洋风电场设计的 5MW 级风电机组，它是由 Rendsburg 的 Aerodyn Energiesysteme 公司设计的

20、。 “BARD V” 的机舱重约 280 吨，叶片旋转轴由双排球轴承座支撑，连同变速箱一起安装在整体铸造的流线型机壳上。叶片采用传统的三片构造，风轮直径 122 米，轮毂中心高 150 米。 “BARD VM” 在微风条件下就可以达到 5MW 的额定功率，而且在暴风的情况下，也可以智能的控制叶片，以最大限度的利用风力同时防止过载烧毁电机。第一台试验用 VM 的所有传动设备由 Voerde / Friedrichsfeld am Niederhein 的 Winergy 公司制造。 Winergy 是世界上制造风电机传动设备、变速箱的最大的公司。在支撑塔和机舱之间，有 5 个方位调节装置（偏航器

21、） ，它们会不断的调节风电机的方位，使它始终面对风向。风电机的效率也是可以通过偏航器的角度来调节的。除此之外，叶片的调节系统是由蓄电池驱动的，可以在没有外接电源的情况下调整叶片的角度和方位。发电机采用的是在兆瓦级发电机中常见的双馈异步发电机，变频器和变压器被模块化的整合到一起形成一个系统，以减少运行中的出错概率。这种设计结构可以最大限度的延长风电机的工作时间并方便维修维护。叶片由西格里集团 SGL Rotec GmbH & Co. KG 提供，与巴斯夫（BASF）公司合作使用RELIUS 涂层保护风机叶片。BARD 申请了两个海洋风电场项目并获得了批准。2008 年秋季，在 Wilhelmsh

22、aven 附近的风力发电场 5 台机组并网发电，2009 年 80 台机组开始在博尔库姆岛西北方大约 100 公里的北海上进行安装，预计到 2010 年才能安装完成。下图示出这种机型的照片。德国 Nordex 公司现已开发 N90（2.5MW）海上风力发电机组，并于 2006 年 2 月安装在德国距离海岸 500m 处的海面上。并已经开始了 35MW 海上风电机组的开发，样机将于 2010 年面世。挪威 ScanWind 公司 2003 年就开发成功 3MW 直驱式风力发电机组，并与西门子公司合作研制低速永磁发电机，将其安装在挪威 Nry 的海边上，此后不断改进到 2009 年已经有 15台

23、3MW3.5MW 的直驱式风力发电机组并网发电。其产品特点就是可靠性高，据称其每年只需要维护一次。右图为这种直驱式风力发电机组的照片。这种直驱机组的低速永磁发电机的技术方案是由芬兰 The Switch 公司提出，西门子公司制造的。该公司的另一种最新的概念设计是采用无级变速齿轮箱和外转子同步发电机，将主轴、主轴承、齿轮箱和机械制动系统组合成一体，发电机与风力机共用一个轴承，以减轻直驱式发电机的重量。这样的组合式机组结构简洁，具有较高的稳定性。这种机组将可以直接并网发电，不再需要变流装置，且有电能储存功能。德国 EnerconGmbH 公司 2007 年以后重点开发海上型风力发电机组，2007

24、年在 Enden 港口附近首次安装了 E-126/6MW 海上机组的样机， 2009 年初又在位于 Cuxhaven 附近的 DEWI-OCC 海上试验风电场安装了 8 台 E-126/6MW 机组，但是，这种体积笼大的直驱式机组并没有得到市场的认同。2009 年 9 月 29 日湘电股份以 1000 万欧元(人民币 9671.50 万元) 的价格收购原荷兰达尔文(Darwind)公司的资产。达尔文公司成立于 2005 年，其主要产品为 Darwind DD115 型 5MW 直驱式永磁海上风机的设计，湘电股份此次出手收购达尔文公司资产，最为看重的应该就是该公司的海上风机的设计技术。这种风力发

25、电机组的主要技术参数：风轮直径 115m，额定转速 18 r/min ，轮毂中心高 100m，额定启动风速 4 m/s，额定风速 12 m/s，切出风速达到 25m/s，50年一遇极限风速为 108 m/s 。机舱与风轮总重约 265 吨，效率 95.5%。2008 年 7 月，西 门 子 也 曾 经 开 发 了 一 种 3.6MW 的 直 驱 机 组 ， 但 这 种 机 型 却 迟 迟 没 有 投 入批 量 生 产 ， 究 其 原 因 可 能 与 海 上 基 础 和 安 装 有 关 。 由 此 可 见 体 积 过 大 的 直驱式机组是不太适合海上，最多只能安装在海边上。2008 年 11 月

26、中 国 东 方 电 气 集 团 公 司 下 属 的 东 方 电 机 有 限 公 司 投 资 成立东方电气新能源设备（杭州）有限公司，东方电机与芬兰 The Switch 公司、英国 GH 公司合作开发的首台 1.5MW 直驱式风力发电机样机组已在 2009 年 9 月完成形式试验，并将在 2009 年 11 月在内蒙古乌吉尔风场完成机组安装调试。其中永磁发电机是由东方电气新能源设备（杭州）有限公司在杭州自行生产的，这种电机是采用外转子结构，为空水密闭自循环冷却系统。定子上有 4 个风机，水路不进入电机内部，冷水先冷却变流器，形成次热水，再到达电机，通过空水冷却器与电机热空气交换，带走电机热量，形成高温水。此外，一种由芬兰 The Switch 公司提供的一体化直驱式发电机的外转子已经运抵杭州，现正在进行评估中。2010 年 1 月与芬兰 Moventas 公司合作 3MW 研制半直驱机组，芬兰 Moventas 公司为风力发电机组提供增速齿轮箱，其增速比为 1：29.5，为两级行星齿轮增速。章 玮