东方电气刘世洪：海上风电机组发展趋势及关键技术探讨

2019年12月6日-8日，由中国海洋工程咨询协会海上风电分会主办的“2019中国海上风电工程技术大会”在北京召开。700位国内外海上风电专家学者相约首都，发表主题报告及专题研讨，并同期举办“2019年海上风电工程技术奖颁奖典礼”，表彰海上风电工程技术领域的优秀单位、个人，揭晓并颁发2019年度最具影响力的开发、设计、施工、运维、监理等工程技术奖项。

东方电气风电有限公司副总经理刘世洪出席大会并发表了题为《海上风电机组发展趋势及关键技术》的主旨演讲。

以下为发言内容：

刘世洪：我今天跟大家汇报的内容分三个方面：一是海上机组发展趋势。二是海上机组关键技术。三是东方风电海上机组产品。

今天上午很多领导都讲了，随着气候变暖各个全球主要的国家都是制定了碳减排的计划，在过去的时间风电得到了很大的发展，2018年底全球风电总装机已经达到591GW，占全球发电设备总装机容量的6%，海上风电也得到了快速发展，这个图上午领导都讲了，在2010年到2018年全球海上风电每年新增装机从1GW增长到4GW以上，每年增速超过了20%，根据国家能源机构预测在未来二十年海上风电讲的得到更大的发展，到2030年预计海上风电的总装机将达到200GW左右，2040年大概在400到500GW。

1991年世界上第一个海上风电场是丹麦的Vindeby风电场投入运行，当时装了11台450千瓦的风电机组，到2019年世界上最大的海上风电机组单机容量已经达到12兆瓦，整个容量增大了26倍，海上风电机组功能直径由短变远、功能率由小变大、离岸距离由近到远。

2010年海上风电机组的风轮直径90米容量是3兆瓦，到今天风轮直径达到200米左右容量达到10兆瓦，未来风轮直径将增加到250米，容量增加到15到20兆瓦。这是已经投运开发6兆瓦以上海上风电机组的表，包括GE、西门子和东方电气在内的传统风电设备制造商有6家都选择把直驱作为我们技术路径，而另外有3家供应商把这个带齿轮箱的作为他们的选择，直驱技术路线由于传动链短、可靠性高、维护工作量小成为海上风电发展主要的趋势。随着近海风电逐渐开发，深远海的风电是下一步开发趋势，漂浮式是下一步深远海风电必然的选择。

这是我们做的7兆瓦漂浮式风电的方案，这个方案是针对7兆瓦风机做的方案，按照作业水深在40米，整个基础的排水量7800吨，钢结构重量大概是2500吨，养殖容积达到25000立方米，每年养殖可以产生的重量是500吨，养殖收入是2500万人民币，养殖成本大概1500万元，扣除成本以外每一台风机每一年养殖收入达到1000万元。我们算了一下，针对目前的电价8.5角，如果我们运行小时数在3000到3500，养殖收入占到发电收益的一半甚至以上，这个可以有效降低漂浮式风机综合成本。

漂浮式还有一个很大的优点就是安装方便，在码头就可以完成安装，这样我们就不需要大型的吊装船，在码头安装以后我们可以用拖船拖到机位，也有采用固定的，也有采用抛锚式安装的，在码头安装可以增加施工的窗口期，在欧洲一年有200多天可以施工，在中国只有100多天可以施工。采用漂浮式安装时间窗口期就很长。采用漂浮式对环境影响很小。再有就是当我们风机完成25年寿命到期以后，我们可以用船把它托运回码头进行拆解，这样拆解的费用也可以大幅度降低。今天很多专家讲了海上风电能不能得到发展、以后有多大的发展前景，度电成本是我们最核心的，我们应该是不断通过技术进步、通过技术创新，从风机主机、基础、塔筒、施工、机电线路一起降低成本。

下面讲一下海上风电机组的关键技术，与陆上机组不一样，这个不光要承受风载，还要承载浪载，一体化仿真设计可以有效模拟，降低基础造价。作为风捕获的叶片是非常重要的部件，随着海上风机的功率越来越大、叶片越来越长，怎么样在保证风机捕捉风能的同时有效的降低载荷，气动设计非常关键。随着叶片越来越长几何形状和材料的非线性特征都复线出来，为了避免叶片颤振、扭振我们必须要进行叶片分析，根据现在的经验很多风机叶片大概在两年左右就要进行维护，除了增加维护成本，另外就是影响发电量，是不是在行业里面作为共性技术大家怎么样一起攻关延长叶片的维护周期。

为了降低风机载荷增加刚性，碳纤维材料在风机里面得到了大量的应用，我们研究7兆瓦、10兆瓦的叶片都采用了碳纤维，碳纤维应用在材料方面、工艺控制、质量控制难度都比较大，我们还需要比较大的试验台进行叶片测试。

风力发电机组里面另外一个关键的部件就是发电机，永磁发电机虽然要使用稀土材料，成本相对比较高，但是因为它的效率比传统的电力磁的发电机高2%到3%，重量比电力磁发电机更轻，尺寸也更小，在风电领域里面永磁发电机得到了广泛的应用。对风力发电机来讲我们的绝缘技术、电池设计包括通风、冷却、钢强度分析以及怎样做到防止磁缸退磁都是非常关键的技术。

为了保证风机更好捕获风能，风机转速是变化的，像风机转速基本上从50%额定转速到100%在运行，风机发出来的电能频率是变化的，把变化频率的电能转化为公平电能变流器角色非常重要，我们采用中压变流器，它的好处是效率比传统650伏低压变流起高1%到1.5%，我们这个是采用三变频技术，谐波更小，对绝缘影响更小。

采用独立变桨这个在行业都在用，在一些特殊工况采用独立变桨，让桨叶处于不同的角，降低极端工况的载荷。还有就是能够有效降低风机的载荷就是激光雷达前馈控制，通过提前感知来流的速度可以提前实现变桨降低极限载荷5%到10%、疲劳载荷10%到15%。可以降低风机塔筒和结构的建设成本。

这是双回路系统设计，金风采用的是四回路，发电机、变流器在运行过程中发挥故障这时候不具备维护条件，比如说这时候风大没有施工的窗口期，或者这时候备品备件不支持，我们就可以让风机部分复合运行，这主要是减少发电量损失。

中国东南沿海大家普遍要面临的就是台风，这个表里面是整个台风的统计，特别是在东南沿海这一片影响很大，台风来临的时候我们有一个很关键的技术就是主动对台风技术，当台风来的时候我们台风要正对着台风的方向，通过分析计算可以减小基础载荷20%以上，怎么样能够保证风机能够对准这个风向？这里面备用电源非常关键，我们一定要有可靠的备用电源，当台风来临导致电网掉电以后备用电源系统启动，可以保证主控、偏航系统正常工作降低风机的载荷。

海上风电另外一个挑战是盐雾，我们风机裸露在外面的部件都进行涂漆防腐，风机内部包括塔筒都是与外界隔绝，风机运行时发电机产生的热量和风机其他部件产生的热量我们通过换热器带到机舱外面，保证内部和外部隔绝，避免受到盐雾的侵蚀，当风机停机检修的时候这时候在风机里面设置了有新风系统，人要去之前把新风系统打开，把里面的空气换掉，同时我们里面有除盐雾装置、除湿装置，在停机的时候也能够保证防止盐雾，也可以保证人的安全。

防雷这个事情我就不多说了，雷对叶片的损伤大家都知道，一个是对叶片防雷进行仿真计算，我们还要进行系统测试减少雷电的影响。

还有就是能够增加我们发电量的措施就是暴风控制和柔性超发，暴风控制大家都比较容易理解，在超过25米的时候我们不是停机而是降功率运行，这样可以在25米到30米范围内得到更多的发电量。再有就是当我们采用柔性超发，这个是当风机设计比如说按照环境温度40度设计，但是大部分时间环境温度没有40度，当环境温度低于40度的时候我们就可以用电器系统的余量，通过控制变流器控制超发。

下面介绍一下东方风电的海上产品，东方风电是2004年进入风电行业，现在有超过9000台风机运行，总装机容量超过14GW，产品批量出口到瑞典、俄罗斯、芬兰这些国家和地区。东方风电非常重视海上风电的发展，我们在2009年就开始进行5兆瓦风机的研发，5兆瓦现在已经投入商业运行，现在开发了两款，一款是7兆瓦、一款是10兆瓦海上风机，这两款风机都是采用直驱型海上风电，7兆瓦是针对二三类风场抗台风设计，风轮至今达到186米，10兆瓦风轮直径是185米，这两款获得了技术认证，今年完成了场内装配试验，明年年初两款机型都会投入运行。

这是我们两款机型发电的另一个展示，7兆瓦风机平均风速7米发电小时数是3100小时，风速10米的时候超过了4000小时，有非常强的发电能力，为我们降低风机的度电成本提供一定支撑。

以上是我的发言，谢谢各位。

（根据演讲速记整理，未经演讲人审核）