[00149135]5MW海上风力发电机组研制

2010年,东方电气集团东方汽轮机有限公司根据风电发展趋势和未来的市场需求分析,内部立项研制大功率海上风力发电机组,额定功率定为5MW。 由于海上风力发电机组所处的特殊工作环境,即固定在海上无人值守情况下长期自动运行,需要考虑到盐雾、雷暴、海浪、交通、维护、工程经济性等方面的影响和制约。项目组系统研究分析了海上风电机组相比陆地型风电机组的特殊性和难点,其主要在于： a)海上风力发电机组的基础结构受到洋流、海浪的水动力作用,与风轮的气动力载荷形成复杂的耦合作用。进行系统动力学仿真得到较为准确的载荷比常规陆地型机组困难得多。 b)海上风力发电机组的基础建设费用占工程总费用之比与陆地机组相比高得多,同时维护费用也较高,因而,海上风力发电机组的单机功率大型化是内在的必然要求,可以大幅减少工程建设和运维费用。在相同风速下机组发电量越高其经济性越好,而低风速下发电量主要取决于风轮直径,因此海上风机应尽可能增加风轮直径,提升总体经济性。 c)海上风电机组所处的环境复杂多变,维护人员接近机组及开展维护工作比陆地型风机困难得多,很多大风大浪的时候,维护人员根本无法接近风机,导致故障无法及时处理而长时间停机。这是导致海上风电机组可利用率低、年发电量低、经济效益差的主要原因。因而设计技术的成熟可靠、必要的冗余设计、可维护性设计等非常关键。在技术经济性较佳的前提下尽可能地提高机组的经济性、可靠性、必要的冗余度非常困难。 d)海上风电机组的抗腐蚀、防雷设计要求高。 e)海上风电机组的大部件更换费用比陆地上高得多,一般情况下需要租借大型工程船到海上开展作业,其费用比在陆地上动用吊车贵得离谱。因此成熟可靠,得到充分验证的技术是核心。 项目组对国际典型的、较为成熟的大型风力发电机组进行了调研,并对它们进行统计分析,借鉴它们的先进技术与经验。特别注重海上风机所要求具有的单机功率大、风轮直径大、高安全可靠性、高冗余度、抗盐雾、防雷、易于维护等特性。 项目组采取集成创新的方式对海上风机整机和叶片、轮毂系统、机架、传动链、偏航系统、塔架、基础、控制系统、齿轮箱、发电机、变频器等按照发电经济性、可靠性、冗余度、抗盐雾、易于维护等技术指标进行系统优化设计。研制了5MW海上风力发电机组,机组的主要技术特征、参数和成果如下： 1、机组单机额定功率5MW,适用风区为IEC-IIIb类,轮毂中心高度离水面为90米,主要适用于我国长江口以北的沿海地区,该区域没有台风,平均风速较低。整机设计符合国际上权威的IEC、GL海上风机标准。 2、风轮直径采用140米,叶片长度为68米,扫风面积比常规127米风轮直径的5MW海上风机大21%,可以在平均风速较低的中国沿海得到比采用常规海上机组高20%的发电量。新叶片自行设计制造,在天津东汽叶片有限公司制造,采用玻璃钢材料。 3、海洋水文条件按照黄海选取,平均水深为10米,海洋水文及基础设计与华东勘探设计院合作完成,采用5桩基础。 4、机组不同于现有的双馈或直驱形式,采用高速永磁发电-全功率变频方案,可以提高机组的效率,同时消除双馈技术发电机组滑环多发故障和克服直驱机组尺寸重量大,发电机气隙清洁度无法保证的难题。高速永磁发电机与东方电机合作完成。 5、发电机组-变频器采用6个独立单元并联运行,提高系统的冗余度,在任意单元故障情况下可以自动切出,而其他单元正常运行,大大提高机组可利用率。 6、机组的齿轮箱采用柔性销和功率分流技术,两级行星和一级平行轴,功率分流可以有效减轻齿轮箱第一级的载荷,柔性销可以提高行星轮的均载。齿轮箱采用液压弹性支撑,降低齿轮箱的支撑刚度。整体提高齿轮箱的可靠度。 7、轴系采用两个圆锥滚子轴承,可调节预紧力,提高支撑刚性,提高支撑的可靠性。主要的轴承采用成熟可靠的供应商。 8、变桨采用超级电容交流变桨技术,三只叶片三套独立的变桨系统,作到系统的高冗余度。变桨作为机组主要气动刹车,机械刹车只在维护时使用,降低机组的火灾概率。 8、为适应海上环境,采用密闭设计,机组的主要发热部件齿轮箱、发电机、变频器、变压器等用水冷方式,机舱内的空气采用空空冷却器进行冷却。水冷却器和空气冷却器布置在外部,抗盐雾设计。 10、机组布置自动消防系统,降低火灾概率。 11、机组布置起吊能力70t,可以起吊机组的最重的单个部件,在更换部件时可以不动用带大型吊车的工程船。 12、机组的变频器、变压器等布置在塔筒底部,减轻机头重量,减轻维护人员的攀爬塔筒的次数。 13、机组大型铸件、焊接结构件由公司研制。 14、样机在公司新建的试验台进行全面的实验,完成了设计工况的满负荷试验,温升试验,还包括电网波动,特别是低电压穿越试验。 15、样机安装于江苏如东海上风场,完成现场吊装、调试、试运行,运行情况良好,达到设计指标。 16、整机设计和叶片设计由中国船级社按照国家标准和行业标准进行第三方认证。并颁发了认证证书。 项目的成功使我公司掌握海上风机的系统优化设计技术,包括海上风机动力学仿真计算分析、系统经济性设计、可靠性设计、冗余性设计、环境适应性设计以及整机内各零部件的连接,拓扑设计等,并取得了如下的突破和创新： 1、叶型气动性能好,机组效率高 2、采用两点支撑的两个大型单列圆锥滚子轴承 3、齿轮箱采用柔性销均载技术 4、风机采用永磁同步发电机（PMSG）和全功率变频器 5、采用6绕组高速永磁发电机配6个变频器并联运行