中文论文题目（宋体小二号字加粗居中）

Size: px

Start display at page:

Download "中文论文题目（宋体小二号字加粗居中）"

乔浸邹
5 years ago
Views:

1 海上风电机组发展趋势分析沈德昌 ( 中国农业机械工业协会风能设备分会北京 ) 摘要 : 从 1991 年第一个海上风电场建成到现在, 已经过去 21 年了, 海上风电一直在缓慢发展今天, 海上风电成为世界关注的热点, 但人们预期的海上风电起飞一直没有发生, 到 2011 年底, 累计装机容量也就 400 万千瓦海上风电机组是建设海上风电场最主要的设备, 海上风电机组的单机容量从 21 年前的 450 千瓦增长到当前的 6 兆瓦, 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双馈式风电机组发展到双馈式风电机组半直驱永磁风电机组和直驱式永磁风电机组并存的阶段主流机型从五年前的 2-3 兆瓦发展到今天的 3-6 兆瓦当前正在向 7 兆瓦, 甚至 10 兆瓦发展本文追述了海上风电机组的发展历程, 分析了世界各主要风电机组生产厂家正在研制的海上风电机组的技术路线, 提出了海上风电机组今后发展的主要趋势关键词 : 海上风电场海上风电机组主流机型大型化发展多种技术路线 Abstract: From the first offshore wind farm was built in1991 to now, 21 years has past, offshore wind farms have been developed slowly. Today, offshore wind power has become the focus in the world, but offshore wind power take-off expected by people has not happened, by the end of 2011, the total installed capacity of offshore wind farms is 4000MW. Offshore WTGS is the main equipments for the construction of offshore wind farms, the single unit capacity has increased from 450 kw 21 years ago to the current 6 MW, still develop towards large-scale direction. The technical types of Offshore WTGS also developed from a single type of doubly-fed WTGS stage to doubly-fed type WTGS, direct drive + permanent magnet WTGS and Hybrid drive+ permanent magnet WTGS coexisting stage. The unit capacity of mainstream models developed from 2-3 MW five years ago to today's 3-6 MW. It is developing currently towards to 7 MW, or even to 10 MW. This paper traces the development course of offshore WTGS, analyzes the technical routes of offshore WTGS which are developing by the major world WTGS manufacturers, and put forward the the main development trend of offshore WTGS in future. 1 海上风电机组的发展历程在 90 年代,Bonus 的 450kW 和 Vestas 的 500kW 550kW 600kW 风电机组曾经在早期的近海风电场应用,2000 年以后就没有安装过 2MW 以下的海上风电机组 2001 年以后,Vestas 公司的 2MW 和 3MW 双馈式海上风电机组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 35% 左右 ; 同样, 西门子公司的 2.3MW 和 3.6MW( 高速齿轮箱 + 异步感应式发电机 + 全功 ) 海上风电机组也连续十一年在海上风电场大批量应用, 是经受住考验的成熟机型, 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 50% 以上 2008 年以后, 德国 Repower 公司研制的 5MW 双馈式异步风电机组已经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 米, 轮毂高度 120 米, 额定功率 5MW, 已经安装使用 39 台在其基础上扩容的 REpower 6M 也已经安装了 3 台近年来, 德国 BARD 公司推出了 5MW 海上风电机组, 风轮直径 122 米, 机舱部分重达 425 吨, 叶片长度为 60 米,28.5 吨由德国 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 ) 70 吨机舱 ( 包括发电机, 但不包括叶片和轮毂 ) 280 吨

2 德国 BARD 公司 5MW 海上风电机组已经在海上风电场安装 18 台, 共 90MW; 法 - 德合资的 Areva Multibrid 半直驱型 5MW 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 : 5 MW; 风轮直径 :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此外,2003 年 GE wind 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 7 台 ; 芬兰 Winwind 公司生产的 3 MW 半直驱海上风电机组也于 2009 年在海上风电场投入运行, 安装数量 10 台但是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 2010 年以后, 中国华锐公司生产的 3 MW 半直驱海上风电机组也已在海上风电场投入运行, 目前在海上风电场的安装数量超过 50 台 2011 年, 中国上海电气风能公司生产的 3.6 MW 海上风电机组也有一台在海上风电场投入运行, 效果良好表 1 各国海上风电机组在市场中的累计装机容量及所占比例国家英国丹麦荷兰中国德国比利时瑞典爱尔兰挪威葡萄牙累计装机容量 (MW) 比例 (%) 表 2 各种 2MW 以上海上风电机组在市场中的比例序号产品型号 2011 年安装容量 2011 年市场份额 2011 年累计安 2011 年底累计市 (MW) (%) 装容量 (MW) 场份额 1 西门子 2.3MW 西门子 3.6MW Vestas2MW Vestas3MW Repower5MW Areva(Multibrid )5MW 7 Bard 公司 5MW 中国华锐 3MW

3 9 Winwind 公司 3MW 上海电气 3.6MW , 从表 2 看出 : 西门子 Vestas 和 Repower 三家公司的产品占 2011 年底全球累计海上风电市场份额的 89.5%; 占 2011 年全球新增海上风电市场份额的 81% Repower5MW 占 2011 年全球新增海上风电市场份额的 31.92%, 仅次于西门子 3.6MW(38.31%) 表明目前 5MW 以上大功率海上风电机组有明显增长的趋势 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 丹麦 Vestas 公司的海上风电机组 ; 面向未来, 该公司正在研制 MW Vestas 7MW 半直驱新型海上风电机组该机组采用了一个中速齿轮箱永磁发动机和全功随着 MW Vestas 引进设计选择将推动业主的海上风电收益率到一个新的水平该机组能量捕获的最大化, 不仅是因为有 164 米直径的巨大风轮, 还因为优化了风轮与发电机的比例由于采用较少数量的大型风力机而减少了运行和管理的成本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 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设计理念是 : 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, 要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面向未来, 该公司正在研制 SWT 直驱式新型海上风电机组该机组风轮直径 154 米, 风轮轴后倾 6º 机组额定功率为 6MW, 风轮直接驱动永磁发电机, 结构紧凑, 塔架上部重量为仅 360 吨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, 为更高的输出能量而增长了叶片长度为使根部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) 机舱坚固轻重量结构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良好的效果 2.3 西班牙 Gamesa 公司的 G128 型 4.5MW 海上风电机组 ; 西班牙 Gamesa 公司研制出风轮直径 128 米轮毂高度 120 米的 G128 型 4.5MW 高速传动永磁风电机组, 机头重量 250 吨, 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 ), 减少投资 ; 内置吊车, 便于安装和拆卸部件 ; 该机组采用一个两级传动的行星齿轮箱永磁发电机和全功 : 该变流器由 6 个并联的 770kW 变流器 (IGBT) 组成, 提高了可靠性该机组已有两台安装到现场

4 2.4 美国 GE 公司的海上风电机组 ; 美国 GE 公司研制的 GE 型直驱式海上风电机组, 风轮直径 113 米, 额定功率 4.1MW, 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 7MW 直驱励磁风电机组德国 Enercon 公司安装在比利时 11 台新一代 E-126 直驱风电机组, 风轮直径 127 米, 采用了 1600 吨的履带吊安装单机容量为 7MW; 采用 2 段式叶片, 便于运输和现场组装 ; 轮毂高度 198 米, 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 米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, 可以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 6MW 直驱励磁风电机组已经安装 3 台, 其前身 6MW 直驱励磁风电机组已经安装 9 台, 总安装两量为 11 台但是, 到目前为止, 这种机型还没有在海上风电场安装 2.6 远景能源拟开发两叶片 3.6MW 直驱永磁海上风电机组远景能源公司正在设计 E128 型 3.6MW 双叶片风轮直驱式海上风电机组风轮直径 128 米, 由两个叶片组成叶片总长度为 62 米, 叶片由根部定桨距部分和叶身变桨距部分两部分组成, 号称部分变桨叶片一部分是根部长度 20 米的定桨距叶片, 一部分是外部长度 42 米的变桨距叶片双叶片风轮可通过海上运输船直接整体运输, 而且风轮总成可以一次吊装就位, 因而节省安装时间和成本风轮叶片的定桨距部分在 25 米 / 秒 30 米 / 秒风速范围内仍可工作 2.7 法国阿尔斯通公司开发了阿尔斯通 (Alstom)Haliade150 型直驱式海上风电机组, 额定功率为 6MW 采用液压冷却的永磁发电机变流器置于塔架底部空间内叶片长度为 73.5 米, 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 2.8 德国 Nordex 公司正在研制 6MW 直驱式海上风电机组根据德国 Nordex 公司的计划, 风轮直径 150 米的 N150/6000 风电机组样机将于 2012 在陆地上安装,2013 年在海上安装, 并于 2014 年投入批量生产表 :3 欧美重点企业正在研制的海上大功率风电机组序号公司名称型号功率 (MW) 技术组合所处研发阶段 1 Vestas MW 7 中速齿轮箱 + 永磁发电机 + 全功设计研制 2 西门子 SWT 直驱永磁式风电机组 + 全功样机试验 3 Gamesa G MW 4.5 中速齿轮箱 + 永磁发电机 + 全样机试验功 4 GE wind GE 直驱永磁式风电机组 + 全功样机研制 5 Enercon E 直驱励磁式风电机组 + 全功产品试验 6 远景能源 E 直驱永磁式风电机组 + 全功设计 7 阿尔斯通 Haliade150 6 永磁式风电机组 + 全功率变设计研制流器 8 Nordex N150/ 直驱式风电机组 + 全功样机制造

5 从表 3 看出 : 欧美重点企业面向未来开发的海上风电机组大多数部采用了直驱永磁风电机组 + 全功的技术组合部分企业采用了中速齿轮箱 + 永磁风电机组 + 全功的技术组合 3 我国海上大功率风电机组设计制造研发的现状 ; 3.1 华锐风电大型海上风电机组研发现状华锐风电 6MW 海上风电机组已经于 2011 年 10 月下线华锐风电 SL6000 系列风力发电机组是目前中国第一台自主研发拥有完全自主知识产权的电网友好型风电机组可以广泛应用于陆地海上潮间带各种环境和不同风资源条件的风电场该机组风轮直径长达 128 米, 增加了扫风面积, 提升了捕风能力, 大大提高了风资源的有效利用率 ; 同时可适应于 -45 摄氏度的极限温度, 并通过了 62.5 米 / 秒的极限风速测试 SL6000 采用平行轴齿轮传动和鼠笼异步电机技术, 保证机组的高可靠性和经济性 ; 通过全功率中压变频技术, 使之具有优越的并网特性, 电网适应能力强 ; 此外, 卓越的低电压穿越能力, 可以满足各国电网导则的严苛要求 ;CMS 在线状态监测系统实时监测机组主轴承齿轮箱发电机运行状态, 实现故障预诊断 ; 特殊的防腐系统, 满足了海上高盐雾和高腐蚀的运行环境 ;SL6000 机组具有大部件自维修系统, 使整台风机无需外部吊车即可对齿轮箱发电机叶片等核心部件进行更换, 从而有效降低吊装维护成本和维护时间, 提高机组可利用率目前,6MW 机组已经吊装完毕, 正在处于调试和试运行阶段华锐的 17 台 6MW 海上风电机组已于 2011 年 12 月中标上海临港海上风电场一期示范项目, 将于近年投入商业运行这将是 6MW 海上风电机组在全球范围内的首次大规模应用 3.2 金风科技海上风电机组研发现状 2010 年, 装机容量 40 万千瓦的金风科技 2.5MW 海上风电机组已经中标江苏潮间带风电场面向未来, 金风科技正在研制 6MW 直驱永磁式海上风电机组, 风轮直径 126 米, 轮毂高度约 100 米, 采用永磁同步风电机和全功率变流技术目前已经完成整体设计和零部件试制, 样机将于 2012 年 6 月在江苏大丰海上风电基地下线 3.3 东方汽轮机在研制 5.5MW 海上风电机组, 预计 2012 年下线 3.4 湘潭风电海上风电机组研发现状湘电风能 5 兆瓦风电机组项目整合了欧洲海上风电项目开发经验, 采用的永磁直驱海上风力发电机攻克了海上风力发电机组整机集成技术专有单主轴承同步永磁发电机设计技术海上风力发电机组冷却系统及防腐防潮设计技术大功率高叶尖线速度的复合材料叶片等难关, 与欧洲已在试运行的几种同功率等级的风电机组比较, 具有结构简单紧凑运行可靠单位功率对应质量最轻便于维护等显著特点并与欧洲资深海上风电运营商共同打造风机的基础设计及方便快捷的吊装方案目前, 湘电风能已形成 XD115/128 等一系列 5 兆瓦风电机组, 包括陆地海上潮间带系列机型, 最长叶轮直径达 128 米, 大大提高了风资源的有效利用率, 是技术领先的电网友好型风电机组, 具有单机功率大风能利用效率高经济效益好等优点 3.5 中船重庆海装海上风电机组研发现状海装风电自主研发的 5.0 兆瓦海上风电机组为变桨变速功率调节三叶片上风向水平轴高速永磁式并网型风力发电设备, 具有技术先进性高可靠性可维护性好电网适应性好等特征, 具有低电压穿越能力, 采用标准化系列化模块化设计, 可对风机输出功率进行在线设置海装公司瞄准国际前沿技术, 攻克难关自主研发, 拥有全部知识产权 2012 年 7 月 27 日海装风电自主研发的 5.0 兆瓦海上风电机组在重庆海装风电总装基地成功下线该机组采用全功机舱全封闭结构 + 内部空空冷循环系统机头结构紧凑, 重量比同级别风电机组轻 15% 3.6 上海电气海上风电机组研发现状

6 上海电气 3.6MW 双馈式海上风电机组已经研制成功, 并完成安装调试, 正在试运行阶段 3.6MW 海上风机风轮直径达 116 米, 采用变速变桨恒频控制, 结构紧凑上海电气 3.6MW 海上风电机组于 2010 年 8 月 17 日在位于临港的试验风电场中, 顺利实现自动并网截至目前, 这台机组始终保持理想的运行状况 :18 日发电功率达到 2700 千瓦 ;19 日 17 时 30 分, 风速达到每秒 11 米以上, 机组经受了 22 分钟的满发测试, 功率温度振动等指标均正常上海电气始终致力于新能源事业的发展, 是我国海上风电领先企业之一上海电气风电设备有限公司经过 6 年努力, 已成为中国第一家同时拥有陆上潮间带和海上风电机组业绩的企业, 先后中标国家海上风电首轮特许权招标以及东海大桥海上风电场二期 ( 扩建 ) 工程设备招标 3.7 中国株洲南车 2010 年, 中国南车正在研发 5 兆瓦 WT5000 海上风电机组, 该型风机采用先进的独立变桨技术 (IPC), 并针对海上风电的特殊风况进行了多项优化设计 WT5000 型风机型同样具备优越的电网适应能力和完全的低电压穿越功能, 该型风机目前已经完成了主要部件及系统设计, 预计于 2012 年下线 3.8 国电联合动力 6 兆瓦风电机组下线由国电联合动力技术有限公司研发的具有完全自主知识产权的 6MW 海上风电机组于 2011 年 12 月 25 日在连云港生产基地成功下线该 6MW 机组是国电联合动力技术有限公司在消化吸收 1.5MW 2MW 和 3MW 技术及公司 3000 多台风电机组成功运行的基础上, 自主设计研发的变速变桨恒频双馈海上风力发电机组该 6MW 风力发电机组采用外齿圈偏航轴承大型双列圆锥主轴承, 以及短主轴的紧凑结构形式, 大大减轻了机组的重量 ; 具有独自变桨功能的控制系统, 有效降低了大兆瓦风机承受的不均匀载荷 ; 同时还具备低电压穿越能力及动态功率调节功能, 使机组具备良好的电网适应性该机型为海上风电场设计, 亦可广泛应用于陆地及潮间带环境和不同风资源条件的风场 6MW 机组可谓庞然大物, 其轮毂中心高 95 米, 主机舱重量约 230 吨, 尤其值得一提的是其风轮扫掠面积为平方米, 相当于两个标准足球场, 大大提高了捕风发电能力同时下线的还有与自主研发生产的 6 兆瓦风电机组配套的叶片 6MW 叶片长度为 66.5 米, 是目前国内自主设计和生产的最长的风力发电机组叶片该叶片生产采用真空灌注的制作工艺, 生产效率高 ; 使用高强高模的碳纤维复合材料, 有效降低了重量, 进而降低了机组的载荷, 性能稳定 MW 海上风电机组已经列入国家 863 项目由金风科技华锐风电和联合动力竞争开发的 10MW 海上风电机组已经列入国家 863 项目三家的技术路线如下 : 金风科技采用永磁直驱全功率变流技术, 华锐风电采用齿轮箱驱动全功率变流技术, 联合动力采用超导技术直驱永磁式风电机组制造成本略高于双馈式风电机组, 但其维护成本低, 而且发电效率可比双馈式风电机组高 5% 左右表 :4 我国重点企业正在研制的海上大功率风电机组序号公司名称型号功率 (MW) 技术组合所处研发阶段 1 华锐风电 SL 高速齿轮箱 + 双馈发电机 + 变流器产品试验 2 金风科技 SWT 直驱永磁式风电机组 + 全功样机试验

7 3 东方气轮 5.5 高速齿轮箱 + 双馈发电机 + 变样机试验机流器 4 湘潭电机 XD115/128 5 直驱永磁式风电机组 + 全功样机研制 5 海装风电 5 高速永磁式风电机组 + 全功产品试验 6 上海电气 3.6 高速齿轮箱 + 双馈发电机 + 变产品试验流器 7 中国南车 WT 待核实设计研制 8 国电联合 GD 高速齿轮箱 + 双馈发电机 + 变流器样机下线从表 4 看出 : 我国重点企业面向未来开发的海上风电机组有一半企业采用了高速齿轮箱 + 双馈发电机 + 变流器的技术组合, 部分企业采用了直驱永磁式风电机组 + 全功的技术组合, 也有企业采用了高速齿轮箱 + 永磁式风电机组 + 全功的技术组合 4 结论年年,3.6MW-6MW 海上风电机组将成为海上风电场的主流机型, 小批量 7MW-10MW 风电机组将进入海上风电场 ;2021 年年,10MW-15MW 海上风电机组将成为海上风电场的主流机型, 小批量 16MW-20MW 风电机组将进入海上风电场 2 目前, 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 ; 少量低速齿轮箱 + 中速永磁式发电机组成的风电机组已经进入海上风电场直驱永磁式风电机组仅在潮间带风电场有少量试用 3 将来, 海上风电机组的主流技术类型将是直驱永磁式风电机组低速齿轮箱 + 中速永磁式发电机组成的风电机组, 少量高速齿轮箱 + 永磁式发电机组成的风电机组也将进入海上风电场上述风电机组都将配备全功总之, 配备全功的各类大型风电机组将成为未来海上风电场的主流机型 2020 年以后, 高速齿轮箱 + 双馈式发电机组成的风电机组将逐步淡出海上风电场的市场年以后, 单机功率 6MW 以上的海上风电机组技术成熟进入大批量生产销售时期 ; 同时, 全球海上风电场建设进入快速发展新阶段 2020 年前后, 人们所预期的海上风电起飞时代随之到来参考文献 : (1) 国际风能发展报告.2012 年 3 月. 荷兰 BTM 咨询公司. (2) 全球风能报告.2012 年 3 月. 全球风能理事会. (3) 世界风能发展报告 2012 年 3 月. 世界风能协会秘书处. (4) 祁和生, 沈德昌. 中国年度风能行业发展报告. 风能产业 2011 年第 1 2 期. (5) 祁和生, 沈德昌, 陈党慧. 大型海上风电机组发展战略研究. 风能设备 2008 年第 2 期.

<4D F736F F F696E74202D D C4EAD6D0B9FAB7E7B5E7C9E8B1B8BCB0C1E3B2BFBCFED0D0D2B5D1D0BEBFB1A8B8E6205BBCE6C8DDC4A3CABD5D>

<4D F736F F F696E74202D D C4EAD6D0B9FAB7E7B5E7C9E8B1B8BCB0C1E3B2BFBCFED0D0D2B5D1D0BEBFB1A8B8E6205BBCE6C8DDC4A3CABD5D> 2010-2011 年中国风电设备及零部件行业研究报告 2010 年中国新增安装风电机组 12904 台, 装机容量共计 18927.99MW, 比 2009 年增长 37.1%, 位居全球第一受风电产业快速发展带动, 中国风电设备行业也快速增长,2010 年底中国已经形成 2700 万 KW 的风电设备制造能力,2011 年产能有望扩充至 3260 万 KW 从风电机组整机来看, 制造商大致分为内资和外资两大阵营