国外海上风电机组发展趋势分析

中国农业机械工业协会风能设备分会 ■ 沈德昌

国外海上风电机组发展趋势分析

中国农业机械工业协会风能设备分会 ■ 沈德昌

0 引言

从1991年第一个海上风电场建成到现在已有25年，海上风电一直在缓慢发展。近年来，海上风电成为世界关注的热点，发展速度有所加快，但人们预期的海上风电起飞至今还未发生。截至2015年底，全球海上风电累计装机容量达到1100万kW，仅占全球风电累计装机容量的2.56%；我国海上风电累计装机容量达到100万kW，仅占全国风电累计装机容量的0.7%。

海上风电机组是建设海上风电场最主要的设备，其单机容量从25年前的450 kW增长到当前的7 MW，仍然在向大型化发展。海上风电机组的技术类型也从单一的高速传动式风电机组发展到高速传动双馈式风电机组、高速传动异步发电机全功率变流风电机组、半直驱永磁发电机全功率变流风电机组和直驱式永磁发电机全功率变流风电机组并存的阶段。主流机型从5年前的2～3 MW发展到如今的3.6～6 MW，当前正在向8 MW，甚至10 MW发展。本文介绍并分析了国外各主要风电机组生产厂家研制的海上风电机组的技术路线，并指出了国外海上风电机组技术今后发展的主要趋势。

1 国外已经应用的海上风电机组

在18世纪90年代，Bonus的450 kW和Vestas的500 kW、550 kW、600 kW风电机组都曾经在早期的近海风电场应用；2000年以后就没有安装过2 MW以下的海上风电机组。

1) Vestas公司的2 MW和3 MW双馈式海上风电机组已在欧洲海上风电场大批量应用，是经受住考验的成熟机型。Vestas公司的海上风电机组装机容量约占全球海上风电机组的30%。

2) 西门子公司的2.3 MW和3.6 MW海上风电机组已在海上风电场大批量应用，也是目前海上风电场的主流机型。西门子公司的海上风电机组装机容量约占全球海上风电机组的60%以上。

3) 德国Repower公司研制的5 MW双馈式异步风电机组已成功应用于海上风电场，是传统双馈式风电机组大型化的典范，目前在爱尔兰、比利时和德国海上风电场安装运行。该机组风轮直径126 m，轮毂高度120 m，额定功率5 MW，已批量安装使用。在其基础上扩容的Repower 6 MW也已少量安装。

4) 德国BARD公司5 MW海上风电机组的风轮直径为122 m；机舱部分重达425 t；叶片长度为60 m，重28.5 t。该机组由德国Areodyn公司设计，属于双馈式风电机组大型化的又一个范例。轮毂重量(包括轴承座和其他附加设备)达70 t，机舱 (包括发电机，但不包括叶片和轮毂)重280 t。德国BARD公司5 MW海上风电机组已在海上风电场批量安装。

5) 法-德合资的Areva Multibrid半直驱型

5 MW风电机组也已在海上风电场投入运行，安装数量超过10台。该机组额定功率为5 MW，风轮直径为116 m。机组采用集成化设计，将风力机的主轴、齿轮箱、高速轴和发电机集成在一起，以减少重量，从而降低成本；传动链为“风轮+单级齿轮箱(1∶9.92)+多级永磁发电机”；系统采用折中方案，兼顾了双馈式风电机组和直驱式风电机组的优点，折中考虑了性能与价格的关系。

6) 2003年GE 风能公司的3.6 MW双馈式海上风电机组也已在海上风电场投入运行，安装数量为7台；芬兰Winwind公司生产的3 MW半直驱海上风电机组于2009年在海上风电场投入运行，安装数量达10台。但后来这两个产品都没有继续进入海上风电场，说明它们的性能还不能适应海上风电场的恶劣环境。

2 欧美重点企业新研制海上大功率风电机组的技术特点

2.1 日本三菱重工和丹麦Vestas公司的海上风电机组

面向未来，两公司正在合作研制164-8.0 MW Vestas 8 MW半直驱永磁发电机全新功率变流海上风电机组。该机组采用了1个中速齿轮箱、永磁发动机和全功率变流器。

随着164-8.0 MW Vestas的引进设计将推动业主的海上风电收益率达到一个新的水平。该机组可最大化捕获能量，不仅是因为其拥有164 m直径的巨大风轮，还因为其优化了风轮与发电机的比例；采用较少数量的大型风力机，从而减少了运行和管理的成本，也减少了投资风险的规模，因为较少数量的风力机也意味着较少的基础和电缆。由于164-8.0 MW Vestas的结构设计寿命是25年，产业标准突出，因而使投资商的投资回报实现最大化，这会给业主一个更长的发电期限，并增加业主的商业效益。该机组的设计理念为可靠性高、可预测、保障寿命期性能、尽可能减少维修次数；需要维修时，可做到安全、快捷和低成本。

2.2 德国西门子公司的海上风电机组

作为世界海上风电领域的领军者，西门子2010年在上海建立了风机叶片制造基地；2011年赢得中国首个海上风电订单；同年10月，西门子风力发电集团亚太区总部落户上海。西门子将为中国带来先进的风电机组技术、国际化项目管理，以及海上风电领域的运行经验。

该公司已经研制出SWT-6.0-154直驱式新型海上风电机组，该机组风轮直径为154 m，风轮轴后倾6°，机组的额定功率为6 MW；风轮直接驱动永磁发电机，结构紧凑，塔架上部重量仅为360 t。该机组主要特点如下：

1) 量子(力学)叶片。独特的设计和制造程序，采用一体化叶片。为获得最大的强度，实行一体化浇注；为中高速风况优化气动特性；为更高的输出能量增长了叶片长度；为使根部气流泄漏最小化并增加升力而设计了叶片根部。

2)直驱发电机永磁设计。全封闭、容易接近、轻重量设计；在可靠性和效率之间优化设计。与带齿轮箱的风电机组比，整机零件数量减少50%。

3)机舱坚固重量轻。进行了宽敞、人体工程学设计，并具有最大的服务能力。

4)冷却系统。设计了简单、坚固、流畅连接的水冷系统；顶部安装的被动冷却散热器，高效的两级冷却保证了良好的效果。

推出SWT-6.0-154风电机组后，西门子在直驱海上风电技术领域大获成功，已被约10个项目选中。 西门子6 MW机组商业运营的第一个海上风电场，即位于英国东海岸的Westermost Rough海上风电场，共安装35台机组，装机容量210 MW，足以满足超过15万户英国家庭每年的电力需求，在2015年5月底已实现满功率运行。

此前，西门子全新推出了SWT-7.0-154机

组，这款设备将有力推动海上风电平准化成本的降低。在相似的运营成本条件下，SWT-7.0-154机组发电量比其前代产品SWT-6.0-154提高了10%，这是由于电气系统升级，新机组提高了无功功率容量，这对符合电网规范十分重要，立足于成熟平台的先进技术将确保机组的高可靠性和可维护性。现在，西门子又全新推出了SWT-8.0-154机组样机，在相似的运营成本条件下，SWT-8.0-154机组发电量比其前代产品SWT-7.0-154提高了14%。

2.3 西班牙Gamesa公司的G128型5 MW海上风电机组

西班牙Gamesa公司研制出风轮直径128 m、轮毂高度120 m的G128型5 MW中速传动永磁风电机组，机头重量为250 t，属于半直驱永磁风电机组大型化的一个范例。该机组采用两段式(碳纤维)叶片；混合式塔筒(混凝土+钢)，可减少投资；内置吊车，便于安装和拆卸部件；采用1个两级传动的行星齿轮箱、永磁发电机和全功率变流器，该变流器由6个并联的770 kW变流器(IGBT)组成，提高了可靠性。该机型已于2012年底完成认证测试，首台样机已于2013年在西班牙进行安装。

2.4 美国GE风能公司的海上风电机组

美国GE风能公司研制的GE 4.1-113型直驱式海上风电机组，风轮直径为113 m，额定功率为4.1 MW， 采用永磁发动机，是美国GE风能公司首次研制的大型直驱式海上风电机组。

2.5 德国Enercon公司的7 MW直驱励磁风电机组

德国Enercon公司安装在比利时的新一代E-126直驱风电机组，风轮直径为127 m，采用了1600 t的履带吊安装。单机容量为7 MW；采用2段式叶片，便于运输和现场组装；轮毂高度为198 m，采用混合式塔筒-钢制顶段，其余由混凝土建造，塔底直径为14.5 m。该机组采用“蛋形”机舱；新型叶片设计，与机舱罩和导流罩有机融合，使气流均匀地通过机舱，减少湍流和扰流，提高发电量；叶片采用了“小翼”叶尖，可在风轮平面内抑制生成扰流和旋涡，从而降低噪声，提高发电量；叶片法兰直径大，采用双列螺栓连接。该机组采用励磁发电机，是德国Enercon公司近年来研制的最大型直驱式风电机组。7 MW直驱励磁风电机组已安装3台，其前身6 MW直驱励磁风电机组已安装9台，在比利时陆上风电场的总安装量为11台。

但是，到目前为止，7 MW直驱励磁风电机组还没有在海上风电场安装。

2.6 法国阿尔斯通公司开发了6 MW直驱式海上风电机组

这款新一代海上风电机组采用无齿轮箱的直驱结构，并采用永磁发电机，所以设备内部的机械部件较少，故障率更低，使其运行更为可靠，也更有助于降低运行和维护成本。该机组额定功率为6 MW，采用液压冷却的永磁发电机，变流器置于塔架底部空间内；风轮直径150 m，叶片长度为73.5 m，没有使用碳纤维，叶片的表面由聚氨酯腹膜覆盖，叶片的迎风边做了抗腐蚀保护性处理。这款机型是专门针对海上环境而设计，所以其安装将有助于确认Haliade 150型机组在海上环境下的运行表现。

机组安装过程中，每个基点的桩基础被打入到海底平面下60 m以上，61 m长的导管桩基础安装在基点上，露出海平面约20 m；78 m长的3段式塔筒被安装在导管桩基础上以后，轮毂的高度在海平面100 m以上；机组及其附属结构的重量总计约1500 t。但是，美国GE风能公司已经收购了法国阿尔斯通公司的风电业务，所以阿尔斯通公司开发的6 MW直驱式海上风电机组的型号改为 GE-Haliade 150型6 MW直驱式海上风电机组。

2.7 德国Nordex公司研制了6 MW直驱式海上风电机组

根据德国Nordex公司的计划，风轮直径为150 m的N150/6000 风电机组样机已于2013年

在陆地上安装，2014年在海上安装，并于2015年投入批量生产。

表1 国外重点企业研制的大型海上大功率风电机组

从表1可以看出，国外重点企业2009年以后面向未来开发的海上风电机组大多数都采用了“直驱永磁风电机组+全功率变流器”的技术组合。部分企业采用了“中速齿轮箱+永磁风电机组+全功率变流器”的技术组合。

3 海上风电机组技术总结及展望

1) 2010～2015年，2～6 MW海上风电机组成为海上风电场的主流机型，西门子3.6 MW成为销量最多的海上风电机组，小批量直驱永磁式6 MW风电机组已经进入海上风电场。在这段时期，海上风电机组的主流技术类型是“高速齿轮箱+双馈式发电机”组成的风电机组和“高速齿轮箱+高速异步发电机”组成的风电机组；少量“中速齿轮箱+永磁式发电机”组成的风电机组已经进入海上风电场。除了我国在潮间带风电场应用了2.5 MW直驱永磁型风电机组外，欧洲海上风电场已经有6 MW直驱式风电机组投入应用。

2) 2016～2020年，3.6～8 MW海上风电机组将成为海上风电场的主流机型。2016年以后，6 MW直驱永磁式风电机组将批量进入海上风电场；单机功率6 MW以上的海上风电机组技术成熟、进入大批量生产销售时期，全球海上风电场建设进入高速发展新阶段。6～8 MW海上风电机组将成为海上风电场的主流机型，小批量10～15 MW风电机组将进入海上风电场。

3) 2021～2030年，海上风电机组的主要机型将是6～10 MW直驱永磁式风电机组，8～10 MW“中速齿轮箱+中速永磁式发电机”组成的风电机组、“高速齿轮箱+异步高速发电机”组成的风电机组和“高速齿轮箱+高速永磁式发电机”组成的风电机组也将在海上风电场得到批量应用，上述风电机组都将配备全功率变流器；小批量15～20 MW风电机组将进入海上风电场。总之，配备全功率变流器的各类大型风电机组将成为未来海上风电场的主流机型，而“高速齿轮箱+双馈式发电机”组成的风电机组将逐步退出海上风电市场。

2016-07-18

沈德昌(1947—)，男，本科、研究员，主要从事风能产业和技术发展方面的研究。shendc06@126.com