江蘇中車電機(jī)有限公司副總經(jīng)理、總工程師、中車首席技術(shù)專家李進(jìn)澤在嘉賓演講環(huán)節(jié)發(fā)表了題為《海上風(fēng)電機(jī)組—永磁發(fā)電機(jī)高效率、高可靠性技術(shù)探討》的演講：

 

　　各位專家、各位領(lǐng)導(dǎo)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(fēng)力發(fā)電機(jī)的，有包頭、哈密、大風(fēng)、株洲，現(xiàn)在正在建立福清、陽江，有六個基地。這是我們簡單的一個產(chǎn)品研發(fā)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(qū)永磁發(fā)電機(jī)。2009年制造了2.5MW直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)。其實2012年開始進(jìn)入海上風(fēng)電，那時候研制的是5兆瓦雙饋，當(dāng)然這個沒有投入運行。2013年跟金風(fēng)做得6兆瓦直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)在大連港口很好的運行。2005年進(jìn)軍歐盟，德國阿海砝5兆瓦中速永磁發(fā)電機(jī)，其實從這里可以看出來，從2016年開始，中國海上風(fēng)電進(jìn)入一個快速發(fā)展，然后我們做了3兆瓦直驅(qū)，6兆瓦β的直驅(qū)。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(jīng)批量生產(chǎn)，現(xiàn)在應(yīng)該是已經(jīng)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(qū)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(jī)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(fēng)電機(jī)組技術(shù)路線：一是直驅(qū)傳動系統(tǒng)，二是中速傳動系統(tǒng)。介紹一下技術(shù)的趨勢，這張圖是歐美主要的機(jī)型，藍(lán)色的是中樞傳動，最高功率達(dá)到9.5兆瓦。黑色字體的是直驅(qū)，綠色框的是直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)，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(qū)居多。異步的現(xiàn)在是西門子公司還在大批量生產(chǎn)。用幾個關(guān)鍵詞概括，從電機(jī)的角度來講，這個趨勢就是大功率、永磁化、模塊化、大數(shù)據(jù)。

 

　　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(jī)型增多，在5兆瓦的機(jī)型中，中速傳動跟直驅(qū)，中速傳動就是紅色的方框，直驅(qū)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(fēng)電9.9兆瓦，9.5兆瓦實際上已經(jīng)開始商業(yè)化批量生產(chǎn)運行，10兆瓦，包括西門子，GE都在推出來12兆瓦的研發(fā)計劃。在國內(nèi)的7兆瓦級的開始商業(yè)化，應(yīng)該明年后年都會陸陸續(xù)續(xù)推出來。

 

　　永磁化，從這兩張圖，左邊這張圖是國內(nèi)的，福建福清的興化灣海上試驗項目14臺風(fēng)機(jī)，有3個機(jī)組是直驅(qū)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(shù)廠商，從這里也可以看原來的主力執(zhí)行都是雙饋、異步，現(xiàn)在主推的機(jī)型都是直驅(qū)跟中速永磁。

 

　　模塊化，對于直驅(qū)發(fā)電機(jī)來說轉(zhuǎn)速低，模塊化是解決了運輸維護(hù)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(xiàn)在這個是已經(jīng)批量生產(chǎn)，我們現(xiàn)在也在跟國際跟國內(nèi)的機(jī)組廠商進(jìn)行開發(fā)以及小批量試制這個模塊化的電機(jī)。

 

　　大數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)后面也有專家在講。智能化、信息化、大數(shù)據(jù)、云計算，我的印象中2012年，應(yīng)該是2013年、2014年已經(jīng)率先提出這個概念，這幾年大家要到北京風(fēng)電場去看，各大主機(jī)廠都在大力推。

 

　　我這里引用海上風(fēng)能基金會執(zhí)行董事苦庫比爾一句話，海上風(fēng)電不只是陸上風(fēng)電的簡單延伸，而是一項獨立的、高度復(fù)雜的技術(shù)開發(fā)，具有自身特殊的環(huán)境條件：與已有收益的陸上風(fēng)電相比，要面對完全不同的挑戰(zhàn)。所以我們要海上風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)須聚焦，高環(huán)境適應(yīng)性、高可靠性、高可維護(hù)性設(shè)計，特別要強(qiáng)調(diào)高可維護(hù)性設(shè)計，高質(zhì)量制造，高運維。

 

 

　　技術(shù)優(yōu)勢實際上在座的大部分都知道，發(fā)電機(jī)采用永磁體，所以效率高、重量輕、可維護(hù)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(wěn)易失磁，磁鋼粉末冶金，機(jī)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(yīng)的措施。

 

　　高性能指標(biāo)這個也是因為機(jī)主設(shè)備商對我們發(fā)電機(jī)，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(zhuǎn)速范圍內(nèi)的高效率，比如說25-100%，這個功率范圍內(nèi)效率要達(dá)到96%、97%、98%。

 

　　高技術(shù)要求，因為對機(jī)組有高可利用率、高可靠性、環(huán)境適應(yīng)能力、核心部件壽命、智能遠(yuǎn)控，對于發(fā)電機(jī)來說必須高性能，高性能、長壽命、部件可靠性、三防智慧設(shè)計。

 

　　第四部分介紹一下我們?nèi)绾螌崿F(xiàn)高效率、高可靠性的技術(shù)。

 

　　分四個小點：高性能設(shè)計、長壽命設(shè)計、可靠性設(shè)計、研發(fā)實踐。

 

　　高性能設(shè)計要首先對永磁電機(jī)來說它的磁鋼，對于直驅(qū)和中速來說磁鋼會有點差別，因為直驅(qū)采用H的系列，主要是高磁能機(jī)，高功率密度，我們一般多采用的是外轉(zhuǎn)子，相對的是內(nèi)轉(zhuǎn)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(qiáng)，散熱條件差一些，耐溫要求要高。多功率單元設(shè)計，這個其實也是為了提高可靠性，這個就跟我們現(xiàn)在中車做得動力分散的動車一樣的，一旦一部分出現(xiàn)故障還可以不停機(jī)維護(hù)，然后繼續(xù)發(fā)電，提高機(jī)組的可利用率。高效率設(shè)計主要是高效工作區(qū)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(qū)高于98%。另外是低速效果高，氣動力矩低，諧波含量少。發(fā)電機(jī)額定效率達(dá)98.5%，發(fā)電機(jī)熱態(tài)25-100%，永磁的優(yōu)勢在這里事實上會顯得非常突出。另外還有大的裕度設(shè)計，包括繞組溫升低，過載能力強(qiáng)，對于永磁電機(jī)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(jìn)行機(jī)組壽命，修正壽命的設(shè)計，我們作為電機(jī)也要繼續(xù)板正計算。對于絕緣，絕緣實際上是電機(jī)的一個核心，F(xiàn)級絕緣B級溫升考核，H級絕緣F級溫升考核。能源風(fēng)力發(fā)電機(jī)低壓中引入中壓或高壓以及電機(jī)和變頻電機(jī)絕緣技術(shù)。還有絕緣結(jié)構(gòu)本身要增加相應(yīng)的對立匝間絕緣厚度，提高絕緣系統(tǒng)的安全儲備裕度，大于10倍甚至大于20倍。我們現(xiàn)在一般都是可以做到30倍左右。

 

　　可靠性設(shè)計，從技術(shù)的角度，磁極結(jié)構(gòu)，包括磁鋼本體的防腐以及磁鋼結(jié)構(gòu)的防腐，我們類比了磁鋼眾多防腐能力，現(xiàn)在基本上通用鎳銅+環(huán)氧，特別是它的鹽霧試驗可以看到。對于磁鋼要進(jìn)行一系列的混合實驗，包括失重、熱減磁、冷熱沖擊、度層結(jié)合力，濕熱試驗，鹽霧試驗。所以現(xiàn)在磁鋼的水平也是進(jìn)步的非常快。另外除了磁鋼本身，磁極整體的結(jié)構(gòu)要進(jìn)行密封性的設(shè)計，然后進(jìn)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(tǒng)大家都知道，絕緣系統(tǒng)它的影響因素，影響它的可靠性、壽命的因素，熱、電、機(jī)械、環(huán)境，這個因素實際上從高鐵來說，我們更關(guān)注熱，因為我們是要體積小，重量輕，車子要跑得快。對于風(fēng)電來說更多的要關(guān)注機(jī)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(jī)，特別是在海上環(huán)境因素是一個非常重要的因素，還有變頻電機(jī)，因為我們永磁電機(jī)都是跟全功率變頻器相連，所以必須考慮變頻器的結(jié)構(gòu)的影響。說到這些然后我們要開展一系列的環(huán)境適應(yīng)性研究，以及真實產(chǎn)品的多引資耐環(huán)境老化試驗。右邊兩張圖是我們直驅(qū)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(jié)構(gòu)，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(shè)計，右邊這個圖是機(jī)組的一個防腐適應(yīng)，左邊是我們發(fā)電機(jī)的某一款中速傳輸，所以我們要根據(jù)電機(jī)內(nèi)、電機(jī)外以及絕緣做相應(yīng)的防腐級別的識別，處理方法的細(xì)化跟優(yōu)化。比如說我們支架跟機(jī)組的配合面要做期限的防腐。

 

　　研發(fā)實踐，我們是一個產(chǎn)品的型譜圖，從縱坐標(biāo)來說有平原型、低風(fēng)速、高海拔、海上風(fēng)電。產(chǎn)品來說有雙饋、異步、直驅(qū)永磁、中速永磁，重點介紹一下從雙饋、中速、直驅(qū)永磁這幾個全部覆蓋。這是我們一個產(chǎn)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(qū)，5兆瓦、5.5兆瓦、7兆瓦的中速永磁，其中5.5兆瓦已經(jīng)批量，有兆瓦的高速永磁。這個是具體我們海上風(fēng)電發(fā)電機(jī)的產(chǎn)品技術(shù)特點，在上部分的是直驅(qū)的有6兆瓦α，3兆瓦直驅(qū)，6兆瓦β的，這個都是金風(fēng)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(fā)電機(jī)，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(qiáng)調(diào)可維護(hù)性。當(dāng)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(hù)性。

 

　　5.5中速永磁，這個是給明陽的5.5兆瓦海上機(jī)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(dá)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(qū)永磁發(fā)電機(jī)，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(fēng)場發(fā)電機(jī)，這款現(xiàn)在已經(jīng)小批量生產(chǎn)了，明年會有大批量，它的特點傳動鏈簡單，直驅(qū)傳動。高功率，高效率，低振動、低諧波。永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)，多功率單元設(shè)計、耐候性絕緣系統(tǒng)設(shè)計、海上防腐設(shè)計、智能化設(shè)計、密封型磁極盒設(shè)計、模塊化設(shè)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(fēng)電機(jī)組直驅(qū)、中速、高速永磁發(fā)電機(jī)設(shè)計、制造能力，正在語研10趙宛級海上風(fēng)電機(jī)組永磁發(fā)電機(jī)。

 

　　聚焦高效率、高可靠性、高維護(hù)性海上風(fēng)電機(jī)組永磁電機(jī)技術(shù)，實現(xiàn)發(fā)電機(jī)定制化的設(shè)計，我的報告就到這里，謝謝大家！

 

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