海上风电机组的概念设计

海上风电机组的概念设计

目前，海上风力发电机组的主流机型是2.3～5MW双馈或半直驱机型，已交付或已有订单的机型主要如下表所示：

公司名称机组型号已交付使用正在安装已有订单丹麦vestas V90 /3MW 257台260台（含V112）西门子公司SWT-2.3 311台90台

西门子公司SWT-3.6 151台593台

德国REpower 5M 8台351台

德国Multibrid M5000 27台245台德国Enercon E-126/6MW 8台

GE公司GE 3.6sl 7台130台

华锐公司3MW 34台

德国BARD VM5MW 5台80台

德国Nordex 2MW 8台

德国Nordex 2.5MW 11台

芬兰WinWind 3MW 10台

由上表可见丹麦vestas的V90 /3MW，西门子公司的SWT-3.6，德国REpower的5M，德国Multibrid 的M5000，GE公司的GE 3.6sl和德国BARD公司的VM5MW机组被市场认可，由此可见3MW以上风电机组是最近几

年海上风力发电机

组的主力机型。

V90 /3MW机

组是vestas在2002

年5月开始试制

的，右图为V90

/3MW的示意图。

V90 /3MW机

组是首台采用紧凑

型结构的风力发电机组，可以认为是取消了低速轴。2009年9月vestas又研制出了V112-3.0MW离岸型风力发电机组，这是V90-3.0MW的改进型，其安全等级为IECS，适于在平均风速9.5m/s的海上使用，这种机组采用三级增速齿轮箱，永磁同步发电机，短低速轴。该机型应该是维斯塔斯准备大批量生产的产品，下图为V112-3.0MW的外形图。

V112-3.0MW机组计划安装在英国沃尔尼第二海上风力发电场，2011年年底交付使用。V112-3.0MW技术参数如下表所示：

序号部件单位数值

1 机组数据

1.1 制造厂家/型号V112－3.0MW

1.2 额定功率kW 3000

1.3 轮毂高度（推荐方案）m 84.94/119

1.4 切入风速m/s 3

1.5 额定风速m/s 12

1.6 切出风速（10分钟平均值）m/s 25

1.7 极端（生存）风速（3秒最大值）m/s 59.5(IECIIA)5

2.5（IECIIIA）

1.8 预期寿命y 20

2 风轮

2.1 叶片生产商

2.2 叶片型号（54.6m）

2.3 风轮扫掠面积m29852

2.4 功率调节方式变桨距

2.5 转轮直径m 119

2.6 根部弦长m 4

3 发电机MW 3永磁同步发电机

4 变速箱三级行星齿轮传动/斜齿轮

其内部结构如下图所示：

西门子公司的SWT-3.6-107是海上和陆上两用型机组，SWT-3.6-107 技术参数如下表所示：序号部件单位数值

1 机组数据

1.1 制造厂家/型号SWT-3.6-107

下图为SWT-3.6-107结构示意图：

图中1－整流罩，2－整流罩托板，3－桨叶，4－变桨轴承，5－轮毂，6－主轴承，7－主轴，8－齿轮箱，9－起重轨道，10－制动器，11－联轴器，12－发电机，13－偏航减速电机，14－塔架，15－偏航轴承，16－齿轮润滑油过滤器，17－冷却装置，18－机舱罩。

德国REpower公司的5M海上风力发电机组是2004年开发的，其核心技术是能在强风区或弱风区、平原或山脉、陆上或海上都能可靠地工作，LM Glasfiber公司参与了此机组的研制工作。下图为5M机组的照片。

5M机组的主要技术参数如下表所示：

序号部件单位数值

1 机组数据

1.1 制造厂家/型号5M

德国Multibrid的M5000机组，也是5MW机组，这种机组为半直驱式，这一设计综合了传统三级齿轮箱结构和直驱式技术的优点，即取消主轴，采用一级齿轮箱连接低转速永磁同步发电机，并且通过集成化设计，大大降低了机舱重量和尺寸，其主要技术特性如下：

1.采用一级齿轮箱（传动比为1：9.92）和水冷式永磁同步发电机（最大转速为147rpm，出口电

压3000V）。与5M风机相比，大大地简化了传动系统结构，尺寸仅为5M的十分之一。

2.备用的数据采集设备减少了因这些设备的故障而导致的系统停机；传感器系统可提供维护预警。

3.良好的机舱密闭设计和空气过滤器使风机能够承受恶劣气候条件（如盐雾和潮湿空气侵蚀）的

影响，适应于海上环境条件。

4.紧凑型设计使M5000风机相比于同级别特大型风机具有较轻的机舱和轮毂重量，便于运输和安

装。M5000的机舱总重量（包括轮毂和叶片）大约310吨，而Repower 5M为420吨，Enercon E-126则达到530吨。当然，紧凑型设计同时也带来部件维修的困难。

5.采用碳纤维结构的叶片，降低重量。

6.四象限的全容量变流器改善了电能质量，功率因数调节X围为0.9（感性）－0.9（容性）。

2005年法国Atlantic coast海上风电场选用了其产品，这21台风机在2010年投入运行。

M5000机组的主要技术参数如下表所示：

5.4 额定转速rpm 58．6~14

6.9 (+15.0 %)

5.5 发电机防护级别IP 54

5.6 冷却方式水冷却

5.7 变流器类型4象限、GTO变流

6 重量

6.1 叶片重量（含法兰）kg 16500

6.2 轮毂kg 58200

6.3 机舱（不含叶片、轮毂）kg 194090

M5000机组的结构图示于下图。

其传动链是

安装转子叶轮的

双排园锥滚动轴

承，一级行星齿轮

箱和永磁同步发

电机。主轴承由法

兰盘直接连接在

齿轮箱的输入轴端，齿轮箱和发电机的外径完全相同，并且由同心

法兰连接，这样减小了轴线不重合的风险。这种传动链包括风轮在

内仅有5个滚动轴承，齿轮箱输出端的最大转速为148rpm。

M5000风电机组的基本特点和传动链设计的直接效果是叶轮与

机舱的总重量很小，仅有310t，与其它有很大机舱质量的风轮机相

比（如REnower 5MW风轮机近400t），可显著减少塔架、基础与安

装的费用。

为了适应近海的环境条件，M5000风电机组安装了空气净化系

统，将盐粒子分离，并且塔架与机舱内建立较低的正压以阻止腐蚀

性大气的进入，形成纯净的空气。

在机舱下部装有4个空气—水—热交换器，由通风机促使空气

流通，空气从机舱外壳与塔架之间流出。

在水循环回路有发电机的定子和空气—水—热交换器以及齿轮箱的油—水—热交换器，有两台