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CWPE2018:江苏中车电机有限公司副总经理、总工程师、中车首席技术专家李进泽——《海上风电机组—永磁发电机高效率、高可靠性技术探讨》

2018-11-14 来源:东方风力发电网 浏览数:2408

2018年11月14日上午,由中国电器工业协会风力发电电器设备分会、中国电工技术学会风力发电技术专业委员会、东方风力发电网主办,江苏中车电机有限公司承办的第三届中国海上风电大会暨风电电气装备高峰论坛在北京四川五粮液龙爪树宾馆隆重开幕。江苏中车电机有限公司副总经理、总工程师、中车首席技术专家李进泽在嘉宾演讲环节发表了题为《海上风电机组—永磁发电机高效率、高可靠性技术探讨》的演讲。

   2018年11月14日上午,由中国电器工业协会风力发电电器设备分会、中国电工技术学会风力发电技术专业委员会、东方风力发电网主办,江苏中车电机有限公司承办的第三届中国海上风电大会暨风电电气装备高峰论坛在北京四川五粮液龙爪树宾馆隆重开幕。


 
  江苏中车电机有限公司副总经理、总工程师、中车首席技术专家李进泽在嘉宾演讲环节发表了题为《海上风电机组—永磁发电机高效率、高可靠性技术探讨》的演讲:
 
  各位专家、各位领导大家上午好!我今天的汇报分五个部分:
 
  首先简单介绍一下公司。
 
  我们是中国中车旗下二级子公司,下面是专门做风力发电机的,有包头、哈密、大风、株洲,现在正在建立福清、阳江,有六个基地。这是我们简单的一个产品研发历程,我简单介绍一下年份,加粗的加大的几个。2005年我们研制了首台的1.2MW直驱永磁发电机。2009年制造了2.5MW直驱永磁发电机。其实2012年开始进入海上风电,那时候研制的是5兆瓦双馈,当然这个没有投入运行。2013年跟金风做得6兆瓦直驱永磁发电机在大连港口很好的运行。2005年进军欧盟,德国阿海砝5兆瓦中速永磁发电机,其实从这里可以看出来,从2016年开始,中国海上风电进入一个快速发展,然后我们做了3兆瓦直驱,6兆瓦β的直驱。我们今年实际上是做了两款,一款是出口欧洲3.8兆瓦,这个已经批量生产,现在应该是已经做了30几台,还有就是给明阳的7兆瓦中速永磁,明年会完成8兆瓦直驱跟8兆瓦永磁。
 
  第二方面介绍一下海上风电技术发展趋势。
 
  这一张图里面其实有两个点,一个是2017年中国海上装机容量占全球新增的22%,第二个就是右下角这一张图其实可以看出来,2017-2030年全全球海上每年会有16%的增长,这是一个巨大的市场。
 
  下面介绍一下风电机组技术路线:一是直驱传动系统,二是中速传动系统。介绍一下技术的趋势,这张图是欧美主要的机型,蓝色的是中枢传动,最高功率达到9.5兆瓦。黑色字体的是直驱,绿色框的是直驱永磁发电机,从这里可以看GE、西门子,黄色字体是双馈,红色是异步,双馈事实上5兆瓦以下的是双馈还是居多,5兆瓦以上的是中枢和直驱居多。异步的现在是西门子公司还在大批量生产。用几个关键词概括,从电机的角度来讲,这个趋势就是大功率、永磁化、模块化、大数据。
 
  大功率,从右上角这个图我画了两条线,一个2010年以后,然后一个是5兆瓦以上,就是2010年以后5兆瓦以上的机型增多,在5兆瓦的机型中,中速传动跟直驱,中速传动就是红色的方框,直驱传动就是三角形的。右边这个表也可以看出来,国际上海上风电9.9兆瓦,9.5兆瓦实际上已经开始商业化批量生产运行,10兆瓦,包括西门子,GE都在推出来12兆瓦的研发计划。在国内的7兆瓦级的开始商业化,应该明年后年都会陆陆续续推出来。
 
  永磁化,从这两张图,左边这张图是国内的,福建福清的兴化湾海上试验项目14台风机,有3个机组是直驱永磁,有三个是高速永磁,有一款是中速永磁,无一例外全都是永磁。右下角这块是国际知名的欧美的技术厂商,从这里也可以看原来的主力执行都是双馈、异步,现在主推的机型都是直驱跟中速永磁。
 
  模块化,对于直驱发电机来说转速低,模块化是解决了运输维护的问题,这是西门子的一个示意原理图,3兆瓦、6兆瓦都是这样,每个电子有六块模块,分别跟六个变频器相连,现在这个是已经批量生产,我们现在也在跟国际跟国内的机组厂商进行开发以及小批量试制这个模块化的电机。
 
  大数据,大数据后面也有专家在讲。智能化、信息化、大数据、云计算,我的印象中2012年,应该是2013年、2014年已经率先提出这个概念,这几年大家要到北京风电场去看,各大主机厂都在大力推。
 
  我这里引用海上风能基金会执行董事苦库比尔一句话,海上风电不只是陆上风电的简单延伸,而是一项独立的、高度复杂的技术开发,具有自身特殊的环境条件:与已有收益的陆上风电相比,要面对完全不同的挑战。所以我们要海上风电机组发电机须聚焦,高环境适应性、高可靠性、高可维护性设计,特别要强调高可维护性设计,高质量制造,高运维。


 
  第三部分介绍一下永磁发电机技术特点。
 
  技术优势实际上在座的大部分都知道,发电机采用永磁体,所以效率高、重量轻、可维护性高。采用永磁,由于永磁的特性带来一些难点,比如对温度的敏感,超稳易失磁,磁钢粉末冶金,机械性能差,磁钢含有铁元素,易生锈,所以针对这个都要采取相应的措施。
 
  高性能指标这个也是因为机主设备商对我们发电机,一个是高效率,高可靠性,高效率实际上不单是额定功率的效率,而且是比较宽的转速范围内的高效率,比如说25-100%,这个功率范围内效率要达到96%、97%、98%。
 
  高技术要求,因为对机组有高可利用率、高可靠性、环境适应能力、核心部件寿命、智能远控,对于发电机来说必须高性能,高性能、长寿命、部件可靠性、三防智慧设计。
 
  第四部分介绍一下我们如何实现高效率、高可靠性的技术。
 
  分四个小点:高性能设计、长寿命设计、可靠性设计、研发实践。
 
  高性能设计要首先对永磁电机来说它的磁钢,对于直驱和中速来说磁钢会有点差别,因为直驱采用H的系列,主要是高磁能机,高功率密度,我们一般多采用的是外转子,相对的是内转子,所以磁钢的散热条件相对要好,耐温要求略低,对于中速来说抗去磁能力强,散热条件差一些,耐温要求要高。多功率单元设计,这个其实也是为了提高可靠性,这个就跟我们现在中车做得动力分散的动车一样的,一旦一部分出现故障还可以不停机维护,然后继续发电,提高机组的可利用率。高效率设计主要是高效工作区宽,额定效率高,一般要高于对于异步、双馈会高于97%,对于直驱高于98%。另外是低速效果高,气动力矩低,谐波含量少。发电机额定效率达98.5%,发电机热态25-100%,永磁的优势在这里事实上会显得非常突出。另外还有大的裕度设计,包括绕组温升低,过载能力强,对于永磁电机有材料价格问题,所以磁钢的高利用率也是必须考虑的。
 
  这是长寿命,对于磁钢来说,温度裕度要大,对于轴承不断进行机组寿命,修正寿命的设计,我们作为电机也要继续板正计算。对于绝缘,绝缘实际上是电机的一个核心,F级绝缘B级温升考核,H级绝缘F级温升考核。能源风力发电机低压中引入中压或高压以及电机和变频电机绝缘技术。还有绝缘结构本身要增加相应的对立匝间绝缘厚度,提高绝缘系统的安全储备裕度,大于10倍甚至大于20倍。我们现在一般都是可以做到30倍左右。
 
  可靠性设计,从技术的角度,磁极结构,包括磁钢本体的防腐以及磁钢结构的防腐,我们类比了磁钢众多防腐能力,现在基本上通用镍铜+环氧,特别是它的盐雾试验可以看到。对于磁钢要进行一系列的混合实验,包括失重、热减磁、冷热冲击、度层结合力,湿热试验,盐雾试验。所以现在磁钢的水平也是进步的非常快。另外除了磁钢本身,磁极整体的结构要进行密封性的设计,然后进行可靠性的试验。右下角这两张图是我们做可靠性试验的照片。对于绝缘系统大家都知道,绝缘系统它的影响因素,影响它的可靠性、寿命的因素,热、电、机械、环境,这个因素实际上从高铁来说,我们更关注热,因为我们是要体积小,重量轻,车子要跑得快。对于风电来说更多的要关注机械因素,因为我们是大功率、低压大电流,所以尺寸都很大,组装对绝缘都会造成很大的损伤,另外海上、户外电机,特别是在海上环境因素是一个非常重要的因素,还有变频电机,因为我们永磁电机都是跟全功率变频器相连,所以必须考虑变频器的结构的影响。说到这些然后我们要开展一系列的环境适应性研究,以及真实产品的多引资耐环境老化试验。右边两张图是我们直驱定子,我们是二三十吨的定子,七八米外径做整体100%的侵水试验。轴承配置,包括轴承选型,轴承密封结构,寿命、计算,以及油脂的选型以及耐盐雾试验以及密封,尤其在海上这块显得更重要,油脂的选型跟密封。还有三防设计,右边这个图是机组的一个防腐适应,左边是我们发电机的某一款中速传输,所以我们要根据电机内、电机外以及绝缘做相应的防腐级别的识别,处理方法的细化跟优化。比如说我们支架跟机组的配合面要做期限的防腐。


 
  研发实践,我们是一个产品的型谱图,从纵坐标来说有平原型、低风速、高海拔、海上风电。产品来说有双馈、异步、直驱永磁、中速永磁,重点介绍一下从双馈、中速、直驱永磁这几个全部覆盖。这是我们一个产品的平台,红色的是针对海上的,黑色字体的是陆上的,海上的有2.5兆瓦、3兆瓦、6兆瓦的直驱,5兆瓦、5.5兆瓦、7兆瓦的中速永磁,其中5.5兆瓦已经批量,有兆瓦的高速永磁。这个是具体我们海上风电发电机的产品技术特点,在上部分的是直驱的有6兆瓦α,3兆瓦直驱,6兆瓦β的,这个都是金风提供的,都是空冷,720伏抵押,表贴式磁极。最左边的是双馈,其他的三款都是中速永磁发电机,5.5、5、7兆瓦。给α提供的是水夹克、空水背包。这个是阿海珐的,特别强调可维护性。当然我们跟齿轮箱高度集成一体化,有三高两低的特点,高度集成、高效率、高可维护性。
 
  5.5中速永磁,这个是给明阳的5.5兆瓦海上机组提供的,这也是与齿轮箱高度集成一体化的,有高度集成、高效率、高可靠性,低功率的可以达到98%,一般比异步和双馈要接近2个百分点。还有6兆瓦β直驱永磁发电机,这块就是5.5中速永磁跟6兆瓦β的永磁都是在兴化湾的风场发电机,这款现在已经小批量生产了,明年会有大批量,它的特点传动链简单,直驱传动。高功率,高效率,低振动、低谐波。永磁风力发电机关键技术,多功率单元设计、耐候性绝缘系统设计、海上防腐设计、智能化设计、密封型磁极盒设计、模块化设计。
 
  我们江苏中车电极有限公司已形成成熟的2.5-8兆瓦级海上风电机组直驱、中速、高速永磁发电机设计、制造能力,正在语研10赵宛级海上风电机组永磁发电机。
 
  聚焦高效率、高可靠性、高维护性海上风电机组永磁电机技术,实现发电机定制化的设计,我的报告就到这里,谢谢大家!
 
  (发言整理自现场速记,未经本人审核)

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