江蘇中車電機有限公司副總經理、總工程師、中車首席技術專家李進澤在嘉賓演講環節發表了題為《海上風電機組—永磁發電機高效率、高可靠性技術探討》的演講：

 

　　各位專家、各位領導大家上午好！我今天的匯報分五個部分：

 

 

　　我們是中國中車旗下二級子公司，下面是專門做風力發電機的，有包頭、哈密、大風、株洲，現在正在建立福清、陽江，有六個基地。這是我們簡單的一個產品研發歷程，我簡單介紹一下年份，加粗的加大的幾個。2005年我們研制了首臺的1.2MW直驅永磁發電機。2009年制造了2.5MW直驅永磁發電機。其實2012年開始進入海上風電，那時候研制的是5兆瓦雙饋，當然這個沒有投入運行。2013年跟金風做得6兆瓦直驅永磁發電機在大連港口很好的運行。2005年進軍歐盟，德國阿海砝5兆瓦中速永磁發電機，其實從這里可以看出來，從2016年開始，中國海上風電進入一個快速發展，然后我們做了3兆瓦直驅，6兆瓦β的直驅。我們今年實際上是做了兩款，一款是出口歐洲3.8兆瓦，這個已經批量生產，現在應該是已經做了30幾臺，還有就是給明陽的7兆瓦中速永磁，明年會完成8兆瓦直驅跟8兆瓦永磁。

 

 

　　這一張圖里面其實有兩個點，一個是2017年中國海上裝機容量占全球新增的22%，第二個就是右下角這一張圖其實可以看出來，2017-2030年全全球海上每年會有16%的增長，這是一個巨大的市場。

 

　　下面介紹一下風電機組技術路線：一是直驅傳動系統，二是中速傳動系統。介紹一下技術的趨勢，這張圖是歐美主要的機型，藍色的是中樞傳動，最高功率達到9.5兆瓦。黑色字體的是直驅，綠色框的是直驅永磁發電機，從這里可以看GE、西門子，黃色字體是雙饋，紅色是異步，雙饋事實上5兆瓦以下的是雙饋還是居多，5兆瓦以上的是中樞和直驅居多。異步的現在是西門子公司還在大批量生產。用幾個關鍵詞概括，從電機的角度來講，這個趨勢就是大功率、永磁化、模塊化、大數據。

 

　　大功率，從右上角這個圖我畫了兩條線，一個2010年以后，然后一個是5兆瓦以上，就是2010年以后5兆瓦以上的機型增多，在5兆瓦的機型中，中速傳動跟直驅，中速傳動就是紅色的方框，直驅傳動就是三角形的。右邊這個表也可以看出來，國際上海上風電9.9兆瓦，9.5兆瓦實際上已經開始商業化批量生產運行，10兆瓦，包括西門子，GE都在推出來12兆瓦的研發計劃。在國內的7兆瓦級的開始商業化，應該明年后年都會陸陸續續推出來。

 

　　永磁化，從這兩張圖，左邊這張圖是國內的，福建福清的興化灣海上試驗項目14臺風機，有3個機組是直驅永磁，有三個是高速永磁，有一款是中速永磁，無一例外全都是永磁。右下角這塊是國際知名的歐美的技術廠商，從這里也可以看原來的主力執行都是雙饋、異步，現在主推的機型都是直驅跟中速永磁。

 

　　模塊化，對于直驅發電機來說轉速低，模塊化是解決了運輸維護的問題，這是西門子的一個示意原理圖，3兆瓦、6兆瓦都是這樣，每個電子有六塊模塊，分別跟六個變頻器相連，現在這個是已經批量生產，我們現在也在跟國際跟國內的機組廠商進行開發以及小批量試制這個模塊化的電機。

 

　　大數據，大數據后面也有專家在講。智能化、信息化、大數據、云計算，我的印象中2012年，應該是2013年、2014年已經率先提出這個概念，這幾年大家要到北京風電場去看，各大主機廠都在大力推。

 

　　我這里引用海上風能基金會執行董事苦庫比爾一句話，海上風電不只是陸上風電的簡單延伸，而是一項獨立的、高度復雜的技術開發，具有自身特殊的環境條件：與已有收益的陸上風電相比，要面對完全不同的挑戰。所以我們要海上風電機組發電機須聚焦，高環境適應性、高可靠性、高可維護性設計，特別要強調高可維護性設計，高質量制造，高運維。

 

 

　　技術優勢實際上在座的大部分都知道，發電機采用永磁體，所以效率高、重量輕、可維護性高。采用永磁，由于永磁的特性帶來一些難點，比如對溫度的敏感，超穩易失磁，磁鋼粉末冶金，機械性能差，磁鋼含有鐵元素，易生銹，所以針對這個都要采取相應的措施。

 

　　高性能指標這個也是因為機主設備商對我們發電機，一個是高效率，高可靠性，高效率實際上不單是額定功率的效率，而且是比較寬的轉速范圍內的高效率，比如說25-100%，這個功率范圍內效率要達到96%、97%、98%。

 

　　高技術要求，因為對機組有高可利用率、高可靠性、環境適應能力、核心部件壽命、智能遠控，對于發電機來說必須高性能，高性能、長壽命、部件可靠性、三防智慧設計。

 

　　第四部分介紹一下我們如何實現高效率、高可靠性的技術。

 

　　分四個小點：高性能設計、長壽命設計、可靠性設計、研發實踐。

 

　　高性能設計要首先對永磁電機來說它的磁鋼，對于直驅和中速來說磁鋼會有點差別，因為直驅采用H的系列，主要是高磁能機，高功率密度，我們一般多采用的是外轉子，相對的是內轉子，所以磁鋼的散熱條件相對要好，耐溫要求略低，對于中速來說抗去磁能力強，散熱條件差一些，耐溫要求要高。多功率單元設計，這個其實也是為了提高可靠性，這個就跟我們現在中車做得動力分散的動車一樣的，一旦一部分出現故障還可以不停機維護，然后繼續發電，提高機組的可利用率。高效率設計主要是高效工作區寬，額定效率高，一般要高于對于異步、雙饋會高于97%，對于直驅高于98%。另外是低速效果高，氣動力矩低，諧波含量少。發電機額定效率達98.5%，發電機熱態25-100%，永磁的優勢在這里事實上會顯得非常突出。另外還有大的裕度設計，包括繞組溫升低，過載能力強，對于永磁電機有材料價格問題，所以磁鋼的高利用率也是必須考慮的。

 

　　這是長壽命，對于磁鋼來說，溫度裕度要大，對于軸承不斷進行機組壽命，修正壽命的設計，我們作為電機也要繼續板正計算。對于絕緣，絕緣實際上是電機的一個核心，F級絕緣B級溫升考核，H級絕緣F級溫升考核。能源風力發電機低壓中引入中壓或高壓以及電機和變頻電機絕緣技術。還有絕緣結構本身要增加相應的對立匝間絕緣厚度，提高絕緣系統的安全儲備裕度，大于10倍甚至大于20倍。我們現在一般都是可以做到30倍左右。

 

　　可靠性設計，從技術的角度，磁極結構，包括磁鋼本體的防腐以及磁鋼結構的防腐，我們類比了磁鋼眾多防腐能力，現在基本上通用鎳銅+環氧，特別是它的鹽霧試驗可以看到。對于磁鋼要進行一系列的混合實驗，包括失重、熱減磁、冷熱沖擊、度層結合力，濕熱試驗，鹽霧試驗。所以現在磁鋼的水平也是進步的非常快。另外除了磁鋼本身，磁極整體的結構要進行密封性的設計，然后進行可靠性的試驗。右下角這兩張圖是我們做可靠性試驗的照片。對于絕緣系統大家都知道，絕緣系統它的影響因素，影響它的可靠性、壽命的因素，熱、電、機械、環境，這個因素實際上從高鐵來說，我們更關注熱，因為我們是要體積小，重量輕，車子要跑得快。對于風電來說更多的要關注機械因素，因為我們是大功率、低壓大電流，所以尺寸都很大，組裝對絕緣都會造成很大的損傷，另外海上、戶外電機，特別是在海上環境因素是一個非常重要的因素，還有變頻電機，因為我們永磁電機都是跟全功率變頻器相連，所以必須考慮變頻器的結構的影響。說到這些然后我們要開展一系列的環境適應性研究，以及真實產品的多引資耐環境老化試驗。右邊兩張圖是我們直驅定子，我們是二三十噸的定子，七八米外徑做整體100%的侵水試驗。軸承配置，包括軸承選型，軸承密封結構，壽命、計算，以及油脂的選型以及耐鹽霧試驗以及密封，尤其在海上這塊顯得更重要，油脂的選型跟密封。還有三防設計，右邊這個圖是機組的一個防腐適應，左邊是我們發電機的某一款中速傳輸，所以我們要根據電機內、電機外以及絕緣做相應的防腐級別的識別，處理方法的細化跟優化。比如說我們支架跟機組的配合面要做期限的防腐。

 

　　研發實踐，我們是一個產品的型譜圖，從縱坐標來說有平原型、低風速、高海拔、海上風電。產品來說有雙饋、異步、直驅永磁、中速永磁，重點介紹一下從雙饋、中速、直驅永磁這幾個全部覆蓋。這是我們一個產品的平臺，紅色的是針對海上的，黑色字體的是陸上的，海上的有2.5兆瓦、3兆瓦、6兆瓦的直驅，5兆瓦、5.5兆瓦、7兆瓦的中速永磁，其中5.5兆瓦已經批量，有兆瓦的高速永磁。這個是具體我們海上風電發電機的產品技術特點，在上部分的是直驅的有6兆瓦α，3兆瓦直驅，6兆瓦β的，這個都是金風提供的，都是空冷，720伏抵押，表貼式磁極。最左邊的是雙饋，其他的三款都是中速永磁發電機，5.5、5、7兆瓦。給α提供的是水夾克、空水背包。這個是阿海琺的，特別強調可維護性。當然我們跟齒輪箱高度集成一體化，有三高兩低的特點，高度集成、高效率、高可維護性。

 

　　5.5中速永磁，這個是給明陽的5.5兆瓦海上機組提供的，這也是與齒輪箱高度集成一體化的，有高度集成、高效率、高可靠性，低功率的可以達到98%，一般比異步和雙饋要接近2個百分點。還有6兆瓦β直驅永磁發電機，這塊就是5.5中速永磁跟6兆瓦β的永磁都是在興化灣的風場發電機，這款現在已經小批量生產了，明年會有大批量，它的特點傳動鏈簡單，直驅傳動。高功率，高效率，低振動、低諧波。永磁風力發電機關鍵技術，多功率單元設計、耐候性絕緣系統設計、海上防腐設計、智能化設計、密封型磁極盒設計、模塊化設計。

 

　　我們江蘇中車電極有限公司已形成成熟的2.5-8兆瓦級海上風電機組直驅、中速、高速永磁發電機設計、制造能力，正在語研10趙宛級海上風電機組永磁發電機。

 

　　聚焦高效率、高可靠性、高維護性海上風電機組永磁電機技術，實現發電機定制化的設計，我的報告就到這里，謝謝大家！

 

　　（發言整理自現場速記，未經本人審核）