海上风电设备环境适应性系列标准解读

/机械工业北京电工技术经济研究所 果岩 中国电器科学研究院股份有限公司 刘鑫/

一、引言

新能源与可再生能源应用已成为我国能源供应的重要方式，其中，风力发电作为最成熟的发电技术，已成为我国电力供给的重要组成部分。截止到2019年底，全国风电累计装机容量为2.1亿千瓦，其中海上风电并网装机容量达到593万千瓦。

我国风电机组采取引进、消化、吸收、创新的技术路线，随着风电产业规模的不断扩大，风力发电机组事故率也呈现逐年增长态势，其质量和可靠性问题日益凸显。我国环境具有独特性，国外引进的技术和产品很难完全适用于我国所有地区的正常使用，在海上气候环境条件下运行时，环境不适应问题导致风力发电机组非正常稳定运行，而风力发电机组的故障率往往取决于其电气部分的环境适应性。

由国家能源局发布，全国电工电子产品环境条件与环境试验标准化技术委员会、能源行业风电标准化技术委员会风电电器设备分技术委员会归口的海上风力发电设备环境条件、关键设备耐久性技术要求系列标准，依据我国海上气候环境特点，结合我国风电技术发展现状，以我国自主研发技术为主，提出了海上环境条件下风力发电设备的性能、安全等技术要求以及相关测试方法，制定了能够有效指导我国相关单位开展自主研发、设计、制造、试验、检测等操作性强的标准规范。

二、海上风电电器设备环境适应性标准体系

海上风电电器设备环境适应性标准体系立足我国海上特殊环境要求，围绕基础通用类、设备技术要求类、耐久性试验类划分为三个层面。按照结构合理、层次清晰、覆盖全面、相互协调、适应需求的总体目标，满足系统性、协调性、兼容性、创新性、开放性的原则。

第一层：海上风电基础通用类标准1项，NB/T 31094—2016《风力发电设备海上特殊环境条件与技术要求》；

第二层：海上风电关键设备类标准，按照风力发电机组的关键部件构成，主要由风力发电机、风电变流器、风电主控制系统等关键设备组成。

风力发电机方面：包括NB/T 31063—2014《 海 上 永磁同步风力发电机》、NB/T 31064—2014《海上双馈风力发电机技术条件》；

风电变流器方面：包括NB/T 31042—2019《海上永磁风力发电机变流器技术规范》、NB/T 31041—2019《海上双馈风力发电机变流器技术规范》；

风电主控制系统方面：包括NB/T 31043—2019《海上风力发电机组主控制系统技术规范》。

第三层：海上风电耐久性试验方法，按照风力发电机、变流器、控制系统、结构件进行划分，如下：NB/T 31134—2018《海上用风力发电设备关键部件环境耐久性评价：发电机》、NB/T 31135—2018《海上用风力发电设备关键部件环境耐久性评价：控制系统》、NB/T 31136—2018《海上用风力发电设备关键部件环境耐久性评价：变流器》、NB/T 31137—2018《海上用风力发电设备关键部件环境耐久性评价：结构件》。

三、我国海上特殊环境条件要求

风力发电设备在不同的海洋气候类型下服役时，其所处的不同海域环境条件存在较大的差异，其中渤海属于温暖海洋气候、黄海涵盖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、南海属于湿热海洋气候。

根据我国四大海域的主要特点，即渤海和黄海气温较低，降霜日数较多；东海和南海气温较高，年降雨量较大，同时台风也更为频繁，要求风电电器设备在沿海地区应重点关注高温、高湿、盐雾、台风、雷电、水文条件等因素的影响。

对 此，NB/T 31094—2016《 风力发电设备 海上特殊环境条件与技术要求》规定了气候条件参数如表1所示。

与此同时，规定了风力发电设备在渤海、黄海、东海、南海等四大海域海上服役过程中所处的环境参数组分级、严酷程度、技术要求、试验方法、防护措施等，并对海上气候环境、机械环境、化学环境、生物条件、电磁环境、水文条件进行了规定，见下图。

同时在环境耐受性、凝露及耐潮适应性、防腐能力、防霉能力、振动试验、倾斜和摇摆试验、电磁兼容、雷电以及外壳防护等方面针对风向风速仪、发电机、变流器、主控制系统均做了相关验证试验要求。

四、我国海上特殊环境对关键部件的技术要求

在我国东海和南海等海域，台风频发，台风对风电设备结构会形成周期性激荡，此时如果湍流产生的周期恰好与风力发电机组固有振动周期相时，控制系统设备结构就会产生横向的共振，最终会导致破坏设备。同时，在这些区域雷暴频繁，雷电释放的巨大能量会造成风力发电机组叶片损坏、发电机绝缘击穿、控制元器件烧毁等故障，因此，风电设备需注意防雷，避免控制系统等设备遭受雷击而损坏。

表1 气候条件参数

对此，为满足相关零部件生产方、使用方等使用需求，在NB/T 31094—2016《风力发电设备 海上特殊环境条件与技术要求》的基础上，确定了海上风电关键电器设备标准系列，覆盖风力发电机、风电变流器、风电主控系统等方面。

（一）风力发电机

NB/T 31063—2014《海上永磁同步风力发电机》、NB/T 31064—2014《海上双馈风力发电机技术条件》重点规定了风力发电机的环境适应能力要求、材料及结构要求两个方面，其余技术要求均参照陆上风力发电机标准执行。

环境适应能力方面，包括发电机应具备耐潮性能、发电机绕组和绝缘材料应具备防霉能力、金属电镀件和化学处理件应具备耐盐雾性能。

材料及结构要求方面，应采用滞燃、耐久、耐潮和低毒的材料，针对凝露方面，确定了发电机内部应设置加热装置。

（二）风电变流器

NB/T 31042—2019《海上永磁风力发电机变流器技术规范》、NB/T 31041—2019《海上双馈风力发电机变流器技术规范》重点规定了风电变流器的结构及外观要求、电气元器件要求、性能要求。

结构及外观要求方面，柜体宜采用钢制防腐设计、柜体内部宜装设除湿装置、应能承受运行环境下电、热、机械强度和振动对设备的影响。

电气元器件要求方面：确定了陶瓷材料外的所有固体绝缘部件都应具有耐热性、耐燃性。

性能要求：规定了变流器应具备冗余功能。此外，变流器的耐高温、耐低温、耐湿热、耐盐雾、耐霉、耐振动均确定了相关技术要求与试验方法。

（三）风电主控制系统

NB/T 31043—2019《海上风力发电机组主控制系统技术规范》重点规定了风电主控制系统柜体、元器件、安装、功能、性能等方面要求。

柜体：柜体采用钢制防腐设计，防护等级不小于IP54，且宜装设除湿装置。

元器件：应具备耐湿热性能、耐热性、耐燃性。

安装：采用减震结构。

功能：提高了故障记录和事故追忆时段。

性能：耐振动性能、冷却与温升、柜内湿度、耐霉性能、耐盐雾性能、耐湿热性能、耐低温性能、防雷、冗余等方面技术要求。

（四）关键部件技术指标比对

根据风力发电机、风电变流器、风电主控制系统的气候环境参数、防护等级、防腐能力、防霉能力、保护功能以及冗余性等方面要求，详见表2。

五、我国海上特殊环境对关键部件耐久性试验要求

在风力发电机组服役期间，其关键部件的质量和可靠性需经过长时间的运行情况得以验证与反馈，对此海上用风力发电设备关键部件环境耐久性评价系列标准，首次为我国海上风电用关键部件的耐环境适应性提出了要求，以试验目的、试验对象、试验设备、试验过程、试验合格判据为编制框架，确定了相关产品的耐久性试验要求，保证了海上风力发电机组用关键零部件的质量与可靠性，同时，也为我国海上风力发电设备及相关部件的设计和生产提供重要的技术依据。

（一）风力发电机

NB/T 31134—2018《海上用风力发电设备关键部件环境耐久性评价：发电机》确定了主要环境条件包括潮湿、盐雾、霉菌等。针对不同安装位置、低速风力发电机、中高速风力发电机的不同试验对象确定了其耐久性评价要求，主要包括耐恒定湿热试验、耐交变湿热试验、耐盐雾试验、耐交变盐雾试验、耐霉菌试验。

（二）风电变流器

NB/T 31136—2018《海上用风力发电设备关键部件环境耐久性评价：变流器》确定了主要环境条件包括气候环境、化学环境和生物环境，针对耐低温试验、耐高温试验、耐湿热试验、耐交变盐雾试验、耐霉菌试验等关键耐久性评价内容进行了规定。

（三）风电主控制系统

NB/T 31135—2018《海上用风力发电设备关键部件环境耐久性评价：控制系统》确定了主要环境条件包括温度、湿度、盐雾、霉菌等。针对耐低温试验、耐高温试验、耐湿热试验、耐交变盐雾试验、耐霉菌试验等关键耐久性评价内容进行了规定。

（四）关键部件耐久性技术指标比对

根据风力发电机、风电变流器、风电主控制系统的气候环境参数、防护等级、防腐能力、防霉能力、保护功能以及冗余性等方面要求，详见表3。

表2 关键部件技术指标比对

表3 关键部件耐久性技术指标比对

六、总结

海上风电电器设备环境适应性标准体系及其关键标准，针对国内海上风电环境的耐湿热、耐盐雾、耐霉等技术要求以及冗余设计方面提出了新的规定，此外，首次提出了关键电气产品耐久性试验方法，技术内容覆盖产品的研发、设计、试验等各个环节，同时，在产品可靠性和质量方面，提供了及时、准确的试验、改进和验证依据。上述标准在实施过程中，受到了国内大多风力发电机组及关键零部件供应商、使用方的广泛关注。

经过十余年的发展，我国海上风电发展积累了丰富的技术经验，其中近海风电已进入规模化发展阶段，现阶段，虽然海上风电是度电成本最高的可再生能源之一，但随着技术进步、产业升级、政策导向等影响，我国近海风电产业将进一步健全，我国海上也必然从近海、浅海走向远海、深海，大兆瓦海上风力发电机组、海上柔性直流输电系统、海上风电施工等技术将成为下一步海上风电发展方向。我国海上风电标准化工作将继续依托现有技术成果、工程实践的有关经验，进行有效的修订和补充，进一步健全并完善我国海上风电标准体系。