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摘要：主要介绍了海上风电设备的广阔发展前景，海上风力发电机组的主要特点以及海上风力发电机组的主要构成。
关键词：海上风力发电机组;组成结构;机组特点
Review of the Offshore Wind Turbine Generator System
Xie Fei
（Guangdong Ming Yang Wind Power Industry Group CO.LTD， Zhongshan 528437，China）
Abstract： This paper mainly introduces the wide prospect of the Wind Power， characteristics and its structures of Wind Turbine Generator System.
Keywords： offshore wind turbine generator system; structure; characteristics
1 海上風力发电机组的发展前景
1.1海上风电状况
风电是世界范围内发展速度最快的新能源，海上风电则代表了当今风电技术的最高水平，由于海洋比陆地的环境复杂，要求设备高可靠、易安装、易维护，市场规模极大，风险也极高，备受沿海国家关注，正在掀起投资热潮。
1.2我国的海上风资源
中国海上风资源储量极为丰富，海岸线长，尤其是东南沿海滩涂及近海具有开发风电非常好的条件，规模化开发的基本条件已经具备。
1.3 国家对海上风电开发的管理及其规划
2016年12月29日，国家能源局和国家海洋局联合发布《海上风电开发建设管理办法》，标志着国家能源局正式对海上风电开发的管理，全面启动了海上风电项目开发与核准。
早在2011年6月22日，中国国家能源局公布了中国海上风电的发展目标：2015年建成500万千瓦，形成海上风电的成套技术并建立完整产业链;2015年后，进入规模化发展阶段，达到国际先进技术水平，在国际市场上占有一定市场份额，到2020年建成海上风电3000万千瓦。“十三五”时期，我国海上风电产业将进入高质量发展期。 鉴于海上发展风电的广阔前景，海上的风力发电机组是紧扣海上风能的特点设计，有效利用海上风能资源。海上风力发电机组主要部件及其特点备受关注。
2 海上风力发电机组主要特点
2.1 重量轻、体积小
海上风力发电机组非常注重减轻主机的重量及减小主机的体积。这样不仅可以便于运输而且安装起来也更安全及快速，因为主机可以作为一个刚性整体安装于塔架顶端。主机重量较轻，塔架、基础成本可以降低。
2.2 高可靠性
可靠性是机组性能的重要因素。机组运行时旋转的速度越慢，转动部件及轴承越少，相关零部件的寿命也会更长、更可靠。另外，一些非常重要的辅助装置及传感器都进行了冗余安全设计，避免了其中某一部件故障而影响整机的运行。
2.3 优越的密封性能
海上风力发电机把变频器与外界大气隔离开来是保证变频器长寿命的前提，尤其是在有盐雾的海滨地区及有风沙的内陆地区。对该机组机舱及轮毂进行了空气隔绝的处理，如机械部件采用整体的外壳，最关键的风机传动系统采用的也是整体外壳，而且偏航系统集成在塔筒内，可以有效的避免腐蚀。机组内部的空气都经过空气过滤处理器，把水分、盐分及沙尘隔绝，可以有效避免腐蚀和污染。
2.4 材料的高防腐性能
主要部件的防护等级按照海上风机标准设计，发电机防护等级，变频器等部件的防护等级为IP54，完全可以满足海上的防腐防护的要求。
3 半直驱型海上风力发电机组结构
3.1 叶轮系统
如图1所示，该机组风轮由两个叶片或三个叶片、轮毂、独立变桨系统组成。该系列机型针对我国东南沿海地区气候特点设计，有较强的抵抗盐雾腐蚀、台风破坏的能力。对于该机型叶轮来说，迎风面相对较小，使叶片所受的推力降低，特别是在极端风况下，使风轮叶片置于水平位置，降低了叶片、整机和塔筒所受的载荷。抗台风设计的要点包括以下几项：
（1）当接收到台风预报后，通过人机交互界面输入到控制系统台风信息;
（2）控制系统根据预定的控制策略将两个叶片顺桨，并偏转到水平位置;
（3）通过机身自带的液压锁定装置对叶轮进行锁定。
由于采用了半直驱的设计，使得整机重量与直驱及双馈机型相比较有大幅度的降低，整机重量的降低势必使得整机运输、吊装等费用同比例得到下降，故成本优势明显。
叶片变桨系统采用液压变桨。液压变桨系统，通过一个可双向调节的液压系统对可伸缩液压缸控制，在一定程度上克服了机组运行期间，叶片变桨角度的不同步的问题。使用液压变桨系统，可靠性好，传递力矩大，液压变桨系统同时也是主刹车系统，需要停机时，液压变桨系统驱动叶片到顺桨位置，使得叶片阻力达到最大，实现叶片气动刹车。在很大程度上使轮毂及变桨轴承受力更为均匀，大大增强了轮毂和变桨轴承的使用寿命。
轮毂为铸造结构，材料是球墨铸铁，液压变桨系统安装在轮毂外侧隔板上。
3.2 传动链
传动链由主轴承、齿轮传动部分、发电机、联轴器、制动器组成，布置紧凑，省去了传统风机的主轴部分，这样就可以大为缩短整个传动链的长度，使传动链因为挠度变形受到的影响降到最低，而且可以有效的降低成本。其结合了传统双馈型和直驱型传动系统的布局优势，将主轴轴承、发电机和齿轮箱组合成一个整体，充分利用机舱内部空间，缩短了风轮和塔架之间的距离。主轴轴承采用可调的双排圆锥滚子轴承，可以吸收弯矩，以及径向力和轴向力，而只有转矩可以传递到后续的传动链部分，这样就可以减少对齿轮箱、发电机乃至联轴器的冲击，从而保证齿轮箱、发电机和联轴器等传动部件的使用寿命达到设计要求。
因为传动链采用中速永磁同步发电机和中低速的齿轮箱，更低的齿轮箱和发电转速，具有更少的传动部件和轴承，以及一些重要的辅助装置和传感器，并且采用集成化设计，使传动链和整机的可靠性更高。
齿轮箱和发电机的外径相同，并且齿轮箱和发电机通过一个同心法兰耦合成为一个整体，同心法兰可以避免齿轮箱和发电机不对中，这样就可以很大程度上减少偏心的危险，使传动链系统在运行时的动力学性能更为优异。齿轮箱为中速齿轮箱，发电机采用中速永磁同步发电机。齿轮箱的传动比很小，这样相对于高传动比齿轮箱来说，输出轴的转速就不是很大，这样，就可以减少由于高速旋转给轴承带来的破坏，同时，润滑性能也得到了很大程度上的保证。由于采用中速永磁同步发电机，其可靠性相比双馈型的发电机更高，而且性能更为优越，系统更稳定，其中重要的一点是其尺寸相对于同功率的直驱风机来说，体积小了很多，具有无可比拟的运输，吊装成本，特别适用于近海和海上风机的应用。
整个传动链机舱采用密闭设计，设置了特殊的密封装置及过滤装置，可以有效的抵御盐雾和沙尘侵入机舱，避免齿轮等传动部件因颗粒，盐雾等加速磨损和腐蚀，因此，该结构非常适用于近海和海上条件。
3.3 齿轮传动部分
由于海上机组的齿轮传动部分与传统双馈机型的齿轮箱有很大的不同，采用了的特殊的设计。齿轮传动部分二级行星齿轮传动。由于该结构简化了传动系统结构，与同功率的风机相比，齿轮箱传动比大为降低，齿轮箱的载荷也大为降低，从而提高了齿轮箱的可靠性。齿轮箱的体积也大为减小，具有非常明显的运输和吊装成本。
采用先进的齿轮箱设计技术，使齿轮箱的布局更为紧凑，同时减少了齿轮箱的部件，就一定程度上减少了因为接触部件在相对摩擦运动时产生的热量，而且选用较低相对运动速度的滚柱轴承，密封圈，低的温度和相对滑动速度会产生较低的润滑油消耗，这样会降低润滑油的消耗。
在齿轮箱设计中，轮齿在啮合传动过程中可以自动调整啮合区域的不均匀性，从而实现均载功能，提高齿轮的寿命，同时在齿轮设计中，考虑载荷对轮齿的影响，采用特殊的设计和工艺方法对齿轮进行处理。
齿轮箱配置强制润滑、冷却系统、油温检测、液位检测、压力检测。齿轮传动部分轴承采用集中润滑系统。
3.4 机舱弯头
机舱弯头的作用相当于传动机型的主机架（也叫机舱底座），与塔筒相连，支撑整个机舱结构。同时，机舱弯头又起到机舱罩的作用，在弯头内部布置供齿轮箱、发电机集中润滑的润滑驱动单元和供叶轮变桨、风轮锁定提供动力的液压驱动单元，弯头通过两侧开孔的并设置气流通道来与内部进行隔绝处理，在气流通道入口和出口处分别布置有吸气和排气的风扇，使得气流通道内气流有较高的壓力，保证在任何情况下，通道内的气体流动的畅通。在气流通道内设置有水-空气热交换器和油-空气热交换器，供齿轮箱和发电机散热。机舱弯头为铸造结构，材料是球墨铸铁，具有良好的吸振性。
3.5 偏航系统
偏航系统的功能定期检测风向，使机组风轮面向当时风向，从而是机组最大限度地吸收风能。偏航驱动装置由偏航电机、齿轮箱和小齿轮组成。
3.6 塔筒
塔筒为圆锥形的钢制结构，共分为三段，每段之间通过法兰螺栓连接。塔筒内部可设置电梯，梯子上安装防坠落保护装置。塔筒内布置有电缆、照明设备及维修电源等。材料防腐技术：主要部件防护等级均按照海上风机标准进行设计。在塔筒内进行密封设计，通过水冷系统对塔筒内部变频器，变压器，控制柜进行冷却。密封性好：空气经过空气过滤器处理后，把水汽、盐分和沙尘隔绝在外，减少了对塔筒内部零部件和电气部件的影响。
4 半直驱机型在海上示范项目
半直驱机型在中国海域的吊装及成功并网发电案例，即广东首个海上风电示范项目——珠海桂山120MW海上风电项目于2016年获得核准开工建设，2018年逐步并网投产。
5 结论
我国风力发电行业的发展前景十分广阔，尤其是海上风电，预计未来很长一段时间都将保持高速发展，同时盈利能力也将随着技术的逐渐成熟稳步提升。
参考文献：
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