海上风电变流器应用环境因素分析

余建宏（艾默生网络能源（西安）有限公司，西安 710075）

海上风电变流器应用环境因素分析

余建宏
（艾默生网络能源（西安）有限公司，西安 710075）

为了清晰认识风电变流器海上应用环境，阐述了海上风电的困难及生命周期可遇的环境因素，并选取对风电变流器有危害和影响的主要环境因素进行了分析，以便开发人员提前识别海上风电变流器的环境应力并作出相应的设计。

海上应用；风电变流器；环境因素

背景

随着我国对沿海经济发展的大力支持，加之陆上土地资源的日益紧张，各类沿海及海上工程建设项目的确立实施，以及海洋资源的开发和利用。如海洋可再生能源的开发，海洋风力资源作为新能源开发受到诸多国家的青睐，风力发电不仅能够减少环境污染，还会缓解能源供应系统的压力。我国大陆海岸线总长约1.8万公里，岛屿海岸线约1.4万公里。而近海区域、海平面以上50 m高度能够利用并可开发的风电容量约2亿千瓦，仅近海风场的可开发资源就是陆地上的3倍。

由于我国陆地资源宝贵，且通常陆地风力资源在经济欠发达的偏僻区域，这使风电传输成本较高。然而沿海近岸的良好风力资源环境，促使海上风力发电系统的设计开发有了较快发展，使得风电开发从陆地向海洋转移，进而由浅海向深海的发展。从风电行业发展现状看，我国的海上风电从2014年得到较大突破，从相关数据可知我国在2015年新增约36万kW，累计装机容量从世界排名第五位升至第四位。借力海上资源和政策扶持，我国提出了到 2020 年完成海上风电累计装机量或将达到40.3 GW，我国有望成为海上风电发展的中坚力量。

2015年全球海上新增装机容量见图1，全球海上风电实现快速发展，产能刷新纪录新增达4 GW，全球总产能达11 GW。截至2015年底，中国已建成的海上风电项目装机容量共计1 014.68 m W，其中，潮间带累计风电装机容量达到611.98 m W，占海上装机容量的60.31 %，近海风电装机容量402.7 m W占39.69 %。据有关方面预计未来10年，全球海上风电装机容量年增长率将高达19 %，其中，全球海上风电高速增长将主要集中在欧洲和中国市场。

1 海上风电面临的困难

海上风电并不是简单地将陆地风电移到海上，海上风电所处的服役环境相对陆上风电更为严酷。对海上风电设备的设计制程、产品的可靠性、环境适应性、基建施工和运营维护等都提出了更高更严酷的要求。目前，我国海上风电各项技术整体还处于起步阶段，还面临许多的技术难题。

1）海上风电行业基本上还没有形成一套独立的设计制造方法、标准、检测、安装、运行、维护体系，海上风电产业体系有待健全。

2）海上风电应用环境条件恶劣，风电系统怎么适应严酷的自然环境条件，对于各个系统的海上环境适应性提出了较高的要求，必须要面临和解决海洋环境恶劣的潮湿和盐雾腐蚀问题。

3）在我国的四大海洋区域，不同海洋的地质条件差异很大，包括气候条件、海洋洋流、水文条件等，都给海上风电机组基础工程设计及施工带来更大挑战。

我国地域广大，风力发电设备在干热、湿热和亚湿热等典型气候环境条件下运行时，风电设备已经出现过短路停机、腐蚀失效、漏电流增加导致参数漂移等环境适应性问题。陆地上的风电设备已如此，何况海上风电系统面临的更加复杂和严酷的应用环境，不仅潜在影响整个风力发电设备的正常稳定运行，一旦出现故障不可估量的维护成本也会给风电企业带来重大的经济损失。所以对于海上风力发电设备的环境适应性问题研究刻不容缓。

2 海上环境因素

我国海域辽阔，主要分为渤海、黄海、东海和南海四大海域。不同海域的海上风电场气候特征也有很大差别，渤海主要属于暖温海洋气候，黄海涵盖了暖温海洋气候和亚湿热海洋气候，东海主要属于亚湿热海洋气候，南海主要属于湿热海洋气候。四个海域的最低温度、最高温度、台风次数、霜降日数、年降雨量、年平均相对湿度和盐雾浓度等指标均有差异。

中国船级社的《海上风力发电机组认证规范》中对海上风力发电机组环境条件的说明，可将海上环境条件划分为风况、海洋条件和其他环境条件。再依据国外标准IEC 60721系列和中国国家标准GB/T 4798系列对各种环境参数的分级方法，可将我国海上风电机组的环境条件分为气候、生物、化学活性物质、机械活性物质、水文和机械条件六大类，对应的环境因素见表1。

3 海上风电变流器生命周期可遇环境因素

功率变流器是风力发电系统中的核心部件，高可靠性的功率变流器是风力发电机组系统正常运行的重要保障。风力发电机组中风电变流器可以优化风力发电系统的运行，实现宽风速范围内的变速恒频发电，改善风机效率和传输链的工作状况，减少发电机损耗，提高运行效率，提升风能利用率。

图1 全球海上新增装机容量

表1 海上环境因素分类

海上风电变流器的生命周期不同于陆地风电变流器，生命周期内阶段和环境应力更多更复杂。海上风电变流器一般都是提前运输至陆地上港口或者码头附近“待命”，甚至会长时间在港口或者码头进行储存，然后在岸上进行预安装，包括风机底座与变电站，安装风电机组（管线和敷设电缆等），待变流器与塔筒安装在一起后，整个风电机组再由大型起重船整体起吊并运至海上风机基础平台，最终进行安装、调试监控和运行。变流器设备在海上运输、安装和使用过程中可遇的机械环境有冲击、振动、摇摆和吊装等；在港口贮存、海上运输、安装和使用过程中可遇的气候环境因素有温度、湿度、凝露，以及整个服役周期内的生物化学环境因素主要有盐雾和霉菌等。从到达港口或者码头后，一直到海上平台安装调试运行后，整个生命周期可遇的环境因素如图2。

4 主要环境因素对风电变流器的影响

风电机组是在户外长期服役的大型复杂装备，前面分析的六大类环境条件都会对其正常运行造成影响。除开安装调试前的转运环节，变流器一般都固定在塔筒内部或者是独立的空间内工作，能够对变流器产生影响的主要有机械环境、气候环境、化学环境和生物环境条件，结合前面生命周期可遇的环境因素，本文主要对温度、湿度、盐雾、霉菌和机械等环境因素进行分析。

4.1 温度

根据相关数据可知温度最低在渤海，温度最高在南海。变流器在运输和储存环节都避免不了温度对其的影响，即使安装在塔筒内工作，环境也属于简易气候防护场所（能够避免阳光直晒和雨水）。温度对变流器的影响包括低温、高温以及温度变化，具体影响见表2。

4.2 湿度

海域的湿度取决于温度、光照时间、风速和波浪等诸多因素，但海上的相对湿度会明显偏大，长期处于高的相对湿度环境。湿度往往是伴随着多种环境因素同时存在的，且常作为“诱导剂”会引起如吸湿性尘效应、霉菌滋生、腐蚀加速和加剧电化学反应等。在我国南海地区，常出现高相对湿度同时伴随高温的情况。在这种环境中，水汽可能会通过渗透作用进入IP54防护等级的柜体以及密封绝缘器件的内部，最终导致其失效。低相对湿度的影响不在此叙述，湿度对变流器的影响仅考虑高湿度的危害和影响，见表3。

4.3 盐雾

图2 海上风电变流器生命周期示意图

表2 温度对变流器的影响

海洋上的盐雾主要来自海水的蒸发，以及海浪冲击岩岸时飞溅的水沫成为雾状而进入大气中。海洋中的盐雾浓度与海水浓度、气温、风向和风速等均有关。海水的主要成分见表4，海水中主要成分就是NaCl，NaCl溶液为良好的电解液，其自身极易离解成Na+和Cl-，当电解液滞留在绝缘体表面，会显著降低绝缘体表面的绝缘电阻，流经该污染绝缘体表面的泄露电流明显增大，在绝缘体表面形成导电层，绝缘体两端电极形成通路，产生拉弧放电。

在我国南海地区，常年的平均温湿度都较大，还有高浓度的盐雾环境，风力发电设备很容易发生腐蚀。盐雾腐蚀破坏过程中起主要作用的是氯离子Cl-， Cl-半径很小，只有1.81*10-10 m。它具有很强的穿透能力，容易穿透金属氧化层和防护层进入金属内部，破坏金属的钝态。海上环境往往是高温高湿度伴随着盐雾存在，盐雾会加速风电设备的腐蚀，破坏产品涂镀层、器件管脚腐蚀、PCBA铜皮腐蚀、接触器触点腐蚀等，给设备安全运行带来严重后果，它们将导致电气设备故障或损坏。盐雾对产品的影响主要体现在腐蚀效应、电效应和物理效应三个方面。因此，盐雾对于沿海和海上的风力发电设备来说，是个必须重点考虑的因素。盐雾对变流器影响见表5。

4.4 霉菌营养源。经研究，霉菌的生长和繁殖需要一定的温度和湿度，绝大多数霉菌繁殖和生长的最适宜温度为22¯27 ℃，最适宜湿度95 %RH¯100 %RH。

海上变流器外围环境基本都属于一个长期潮湿环境，容易受到霉菌生长的危害。如柜体的密封胶条、塑胶件、PCB板等都是属于合成有机材料，很容易在这些部位滋生霉菌。霉菌对变流器的影响见表6。

4.5 机械

海上变流器产品耐受的机械应力从港口或者码头安装就开始了，在经历拆包后的吊装、跌落，海运过程中的振动和摇摆，到最后的海上塔基平台进行安装，如图3。在海上风机塔筒中长期运行后受到海浪和台风影响产生的振动或者地震应力等，机械应力对变流器的影响见表7。

5 总结

表3 湿度对变流器的影响

表4 海水主要成分

表5 盐雾对变流器的影响

表6 霉菌对变流器的影响

霉菌属于真菌中的一类，霉菌的产生必须要有菌种和存在促进其生长能被吸收的营养。几乎所有的含碳化合物和合成有机化合物都被霉菌用作

本文仅对海洋环境中变流器产品可遇的单一环境因素进行分析和产品影响介绍，但实际上由于海上应用环境复杂多变，单一环境因素的影响分析还不能等效综合环境因素作用于产品的影响。实际工程中环境因素对变流器的影响也绝不是单一，而是多种因素叠加的复合作用。这种复合作用效应远高于单一环境因素的作用水平。如适宜的温度和湿度易于霉菌繁殖生长，高温和高湿环境还会加速腐蚀和氧化，大风雨易于形成盐雾环境，在高湿环境下温度快速变化会凝露以及加深呼吸效应等。因此，海洋环境对风力发电设备的影响具有叠加性、综合性。对于海上风电变流器的应用环境还有待进一步深入的研究。

图3 海上风电机组安装

表7 机械应力对变流器的影响

［1］汪学华.自然环境试验技术［M］.北京：航空工业出版社， 2003.

［2］ 力学环境试验技术 编委委员会.力学试验技术［M］.西安：西北工业大学出版社， 2003.

［3］李婵，黄海军，王俊，揭敢新，黄开云，宋晓萍.风力发电设备在我国不同气候条件下环境适应性分析［J］.环境技术， 2013（2）.

［4］王帅.自然环境对风力发电机组安全运行的影响分析［J］.中国安全生产科学技术， 2009，5（6）：216-217.

［5］许雪冬，黄开云.我国海上风力发电设备环境条件与环境技术要求分析［J］.装备环境工程， 2013（5）.

余建宏（1984.10-），男，工程师，在艾默生网络能源从事7年电力电子产品的环境适应性与可靠性设计和试验研究。

Analysis of Application Environment Factors for Offshore Wind Power Converter

YU Jian-hong
（Emerson Network Power（Xi’an）Co.， Ltd.， Xi’an 710075）

In order to clearly understand the offshore wind power converter application environment， this paper expounds the difficulties of offshore wind power and the environmental factors of the life cycle，and then analyzes the harm and influence of the main environmental factors to the wind power converter，so that the developers are able to early identify the offshore wind power converter for environment stress and make corresponding design.

offshore application； wind power converter； environment factor

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1004-7204（2016）03-0051-05