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(bào)分五個(gè)部分：

 

 

　　我們是中國(guó)中車旗下二級(jí)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(yáng)江，有六個(gè)基地。這是我們簡(jiǎn)單的一個(gè)產(chǎn)品研發(fā)歷程，我簡(jiǎn)單介紹一下年份，加粗的加大的幾個(gè)。2005年我們研制了首臺(tái)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(shí)2012年開始進(jìn)入海上風(fēng)電，那時(shí)候研制的是5兆瓦雙饋，當(dāng)然這個(gè)沒有投入運(yùn)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(yùn)行。2005年進(jìn)軍歐盟，德國(guó)阿海砝5兆瓦中速永磁發(fā)電機(jī)，其實(shí)從這里可以看出來(lái)，從2016年開始，中國(guó)海上風(fēng)電進(jìn)入一個(gè)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(shí)際上是做了兩款，一款是出口歐洲3.8兆瓦，這個(gè)已經(jīng)批量生產(chǎn)，現(xiàn)在應(yīng)該是已經(jīng)做了30幾臺(tái)，還有就是給明陽(yáng)的7兆瓦中速永磁，明年會(huì)完成8兆瓦直驅(qū)跟8兆瓦永磁。

 

 

　　這一張圖里面其實(shí)有兩個(gè)點(diǎn)，一個(gè)是2017年中國(guó)海上裝機(jī)容量占全球新增的22%，第二個(gè)就是右下角這一張圖其實(shí)可以看出來(lái)，2017-2030年全全球海上每年會(huì)有16%的增長(zhǎng)，這是一個(gè)巨大的市場(chǎng)。

 

　　下面介紹一下風(fēng)電機(jī)組技術(shù)路線：一是直驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)，二是中速傳動(dòng)系統(tǒng)。介紹一下技術(shù)的趨勢(shì)，這張圖是歐美主要的機(jī)型，藍(lán)色的是中樞傳動(dòng)，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(shí)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(gè)關(guān)鍵詞概括，從電機(jī)的角度來(lái)講，這個(gè)趨勢(shì)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(gè)圖我畫了兩條線，一個(gè)2010年以后，然后一個(gè)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(dòng)跟直驅(qū)，中速傳動(dòng)就是紅色的方框，直驅(qū)傳動(dòng)就是三角形的。右邊這個(gè)表也可以看出來(lái)，國(guó)際上海上風(fēng)電9.9兆瓦，9.5兆瓦實(shí)際上已經(jīng)開始商業(yè)化批量生產(chǎn)運(yùn)行，10兆瓦，包括西門子，GE都在推出來(lái)12兆瓦的研發(fā)計(jì)劃。在國(guó)內(nèi)的7兆瓦級(jí)的開始商業(yè)化，應(yīng)該明年后年都會(huì)陸陸續(xù)續(xù)推出來(lái)。

 

　　永磁化，從這兩張圖，左邊這張圖是國(guó)內(nèi)的，福建福清的興化灣海上試驗(yàn)項(xiàng)目14臺(tái)風(fēng)機(jī)，有3個(gè)機(jī)組是直驅(qū)永磁，有三個(gè)是高速永磁，有一款是中速永磁，無(wú)一例外全都是永磁。右下角這塊是國(guó)際知名的歐美的技術(shù)廠商，從這里也可以看原來(lái)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(duì)于直驅(qū)發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)轉(zhuǎn)速低，模塊化是解決了運(yùn)輸維護(hù)的問(wèn)題，這是西門子的一個(gè)示意原理圖，3兆瓦、6兆瓦都是這樣，每個(gè)電子有六塊模塊，分別跟六個(gè)變頻器相連，現(xiàn)在這個(gè)是已經(jīng)批量生產(chǎn)，我們現(xiàn)在也在跟國(guó)際跟國(guó)內(nèi)的機(jī)組廠商進(jìn)行開發(fā)以及小批量試制這個(gè)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(jì)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(gè)概念，這幾年大家要到北京風(fēng)電場(chǎng)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(huì)執(zhí)行董事苦庫(kù)比爾一句話，海上風(fēng)電不只是陸上風(fēng)電的簡(jiǎn)單延伸，而是一項(xiàng)獨(dú)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(duì)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(jì)，特別要強(qiáng)調(diào)高可維護(hù)性設(shè)計(jì)，高質(zhì)量制造，高運(yùn)維。

 

 

　　技術(shù)優(yōu)勢(shì)實(shí)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(lái)一些難點(diǎn)，比如對(duì)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(duì)這個(gè)都要采取相應(yīng)的措施。

 

　　高性能指標(biāo)這個(gè)也是因?yàn)闄C(jī)主設(shè)備商對(duì)我們發(fā)電機(jī)，一個(gè)是高效率，高可靠性，高效率實(shí)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(shuō)25-100%，這個(gè)功率范圍內(nèi)效率要達(dá)到96%、97%、98%。

 

　　高技術(shù)要求，因?yàn)閷?duì)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(duì)于發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)必須高性能，高性能、長(zhǎng)壽命、部件可靠性、三防智慧設(shè)計(jì)。

 

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

 

　　分四個(gè)小點(diǎn)：高性能設(shè)計(jì)、長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、研發(fā)實(shí)踐。

 

　　高性能設(shè)計(jì)要首先對(duì)永磁電機(jī)來(lái)說(shuō)它的磁鋼，對(duì)于直驅(qū)和中速來(lái)說(shuō)磁鋼會(huì)有點(diǎn)差別，因?yàn)橹彬?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(duì)的是內(nèi)轉(zhuǎn)子，所以磁鋼的散熱條件相對(duì)要好，耐溫要求略低，對(duì)于中速來(lái)說(shuō)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(jì)，這個(gè)其實(shí)也是為了提高可靠性，這個(gè)就跟我們現(xiàn)在中車做得動(dòng)力分散的動(dòng)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(jì)主要是高效工作區(qū)寬，額定效率高，一般要高于對(duì)于異步、雙饋會(huì)高于97%，對(duì)于直驅(qū)高于98%。另外是低速效果高，氣動(dòng)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(shì)在這里事實(shí)上會(huì)顯得非常突出。另外還有大的裕度設(shè)計(jì)，包括繞組溫升低，過(guò)載能力強(qiáng)，對(duì)于永磁電機(jī)有材料價(jià)格問(wèn)題，所以磁鋼的高利用率也是必須考慮的。

 

　　這是長(zhǎng)壽命，對(duì)于磁鋼來(lái)說(shuō)，溫度裕度要大，對(duì)于軸承不斷進(jìn)行機(jī)組壽命，修正壽命的設(shè)計(jì)，我們作為電機(jī)也要繼續(xù)板正計(jì)算。對(duì)于絕緣，絕緣實(shí)際上是電機(jī)的一個(gè)核心，F(xiàn)級(jí)絕緣B級(jí)溫升考核，H級(jí)絕緣F級(jí)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(duì)立匝間絕緣厚度，提高絕緣系統(tǒng)的安全儲(chǔ)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(jì)，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(yàn)可以看到。對(duì)于磁鋼要進(jìn)行一系列的混合實(shí)驗(yàn)，包括失重、熱減磁、冷熱沖擊、度層結(jié)合力，濕熱試驗(yàn)，鹽霧試驗(yàn)。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(jì)，然后進(jìn)行可靠性的試驗(yàn)。右下角這兩張圖是我們做可靠性試驗(yàn)的照片。對(duì)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(gè)因素實(shí)際上從高鐵來(lái)說(shuō)，我們更關(guān)注熱，因?yàn)槲覀兪且w積小，重量輕，車子要跑得快。對(duì)于風(fēng)電來(lái)說(shuō)更多的要關(guān)注機(jī)械因素，因?yàn)槲覀兪谴蠊β?、低壓大電流，所以尺寸都很大，組裝對(duì)絕緣都會(huì)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(gè)非常重要的因素，還有變頻電機(jī)，因?yàn)槲覀冇来烹姍C(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(shuō)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(shí)產(chǎn)品的多引資耐環(huán)境老化試驗(yàn)。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(yàn)。軸承配置，包括軸承選型，軸承密封結(jié)構(gòu)，壽命、計(jì)算，以及油脂的選型以及耐鹽霧試驗(yàn)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(jì)，右邊這個(gè)圖是機(jī)組的一個(gè)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(jí)別的識(shí)別，處理方法的細(xì)化跟優(yōu)化。比如說(shuō)我們支架跟機(jī)組的配合面要做期限的防腐。

 

　　研發(fā)實(shí)踐，我們是一個(gè)產(chǎn)品的型譜圖，從縱坐標(biāo)來(lái)說(shuō)有平原型、低風(fēng)速、高海拔、海上風(fēng)電。產(chǎn)品來(lái)說(shuō)有雙饋、異步、直驅(qū)永磁、中速永磁，重點(diǎn)介紹一下從雙饋、中速、直驅(qū)永磁這幾個(gè)全部覆蓋。這是我們一個(gè)產(chǎn)品的平臺(tái)，紅色的是針對(duì)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(gè)是具體我們海上風(fēng)電發(fā)電機(jī)的產(chǎn)品技術(shù)特點(diǎn)，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(gè)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(gè)是阿?，m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(diǎn)，高度集成、高效率、高可維護(hù)性。

 

　　5.5中速永磁，這個(gè)是給明陽(yáng)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(gè)百分點(diǎn)。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(chǎng)發(fā)電機(jī)，這款現(xiàn)在已經(jīng)小批量生產(chǎn)了，明年會(huì)有大批量，它的特點(diǎn)傳動(dòng)鏈簡(jiǎn)單，直驅(qū)傳動(dòng)。高功率，高效率，低振動(dòng)、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(jì)、耐候性絕緣系統(tǒng)設(shè)計(jì)、海上防腐設(shè)計(jì)、智能化設(shè)計(jì)、密封型磁極盒設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)。

 

　　我們江蘇中車電極有限公司已形成成熟的2.5-8兆瓦級(jí)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(jì)、制造能力，正在語(yǔ)研10趙宛級(jí)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(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)定制化的設(shè)計(jì)，我的報(bào)告就到這里，謝謝大家！

 

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