中車永濟副總工程師段志強：“由陸向海、由淺到深、由固定基礎向漂浮式平臺”成為未來海上風電發展的必然趨勢

　　2021年10月17日-20日，2021北京國際風能大會暨展覽會（CWP 2021）在北京新國展隆重召開。作為全球風電行業年度最大的盛會之一，這場由百余名演講嘉賓和數千名國內外參會代表共同參與的風能盛會，再次登陸北京。

　　

　　本屆大會以“碳中和——風電發展的新機遇”為主題，歷時四天，包括開幕式、主旨發言、高峰對話、創新劇場以及關于“國際成熟風電市場發展動態及投資機會”“國際新興風電市場發展動態及投資機會”“風電設備智能運維論壇”“碳達峰碳中和加速能源轉型”等不同主題的15個分論壇。能見App全程直播本次大會。

　　

　　其中，10月19日海上風電發展論壇隆重召開。中車永濟電機有限公司副總工程師段志強參加了該論壇并演講。

　　以下為發言全文：

　　

　　

　　各位嘉賓，各位專家，大家下午好！接下來我分享面向深遠海的智能化漂浮式風力發電機技術研究。近海資源越來越少，包括國內主機廠包括海外都在做漂浮式一些整機的研究。我們中車永濟有幸參與中間發電機的研究，所以今天把我們中間做漂浮式應用的發電機技術和最近做的一些成果給大家做一個匯報。

　　

　　我今天大概講三個部分：永濟公司風電業務介紹、面向深遠海的智能化漂浮式風力發電機技術、漂浮式風電發展趨勢。

　　

　　簡單介紹一下我們公司，中車永濟電機有限公司，1969年成立，隸屬于中國中車股份有限公司，旗下核心子公司，占地面積117.6萬平方米 ，建筑面積73.4萬平方米，可年產交通和能源裝備領域電機共計22000臺。專業從事風力發電機研發、生產、制造和服務，具備全系列風力發電機產品配套能力，風電產品年產能5000臺。1998年，公司已經開始中國首臺600kW籠型風力發電機的研制；公司產品涵蓋籠型、雙饋、直驅和半直驅等四大技術平臺，功率覆蓋600kW到18MW。

　　

　　截至2020年12月，永濟電機累計為風電市場提供各類風力發電機40000余臺（75GW），產品分布國內外1600多個風場。全面覆蓋國內風電裝機區域，占到中國在運行風力發電機總量的30%，市場占有率國內第一。

　　

　　這是全國的一個布局，永濟公司作為風力發電機龍頭企業，已經在海上大功率半直驅永磁、直驅永磁和籠型發電機的關鍵技術方面作出了諸多突破，為迎接海上風電快速發展做好技術儲備。自2018年6月至今，永濟公司先后成功研制多款國內及全球最大功率等級海上風力發電機，技術達到國際領先水平，產品實現批量生產，為公司帶來一定的經濟效益。我們的成績有：

　　

　　2018年6月，亞洲最大功率7.6MW海上半直驅永磁發電機

　　

　　2020年4月，首臺大功率6MW海上直驅永磁發電機

　　

　　2020年6月，亞洲最大功率10MW海上半直驅永磁發電機

　　

　　2020年11月，國內最大功率6.XMW海上籠型發電機

　　

　　2021年5月，全球最大功率7.XMW雙饋發電機

　　

　　2021年6月，全球最大13.X MW緊湊型半直驅永磁發電機

　　

　　2021年10月，發布全球最大18MW海上漂浮式風力發電機

　　

　　目前整個客戶也是國內整機廠都有在合作，這是簡單的介紹。

　　

　　下面介紹整個面向深遠海漂浮式電機，研究表明，世界上 80% 的海上風資源位于水深超過 60米的海域，因此深遠海發展潛力巨大。想要充分開發利用海上風資源，漂浮式海上風電將成為未來重點開發方向。

　　

　　優勢：風力更穩定、更強勁，可建設更大規模的風場；施工中無需打樁，克服了影響施工的海床地質條件問題；風機在港口組裝后，拖動到海上，易于安裝，成本更低；減少對漁業區和旅游區的影響，對環境更友好。

　　

　　難點：漂浮式基礎的穩定性較弱，運行過程中容易發生傾斜、位移，對發電機可靠性要求更高；發電機處于最高處，運動速度及加速度在機組中處于最大狀態；維護成本高。

　　

　　在這個中間怎么解決漂浮式對整個電機的難點呢？我們主要從七個關鍵技術方面來解決整個電機的技術，下面逐一說一下。

　　

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　　針對漂浮式基礎的穩定性較弱，并且發電機處于最高處，運動速度及加速度在機組中處于最大狀態。漂浮式發電機抗振動抗疲勞技術的關鍵在于以下4個方面：針對漂浮式機組的特定環境，采用創新的軸系系統，滿足漂浮式發電機承受高于固定式風機10倍以上的傾斜振動載荷；軸承潤滑系統采用特殊的迷宮結構與壓環預緊結構，解決油潤滑軸承的漏油難題及軸承運行可靠性，并通過軸承密封系統1：1實體模型驗證試驗。

　　

　　針對漂浮式基礎的穩定性較弱，并且發電機處于最高處，運動速度及加速度在機組中處于最大狀態。漂浮式發電機抗振動抗疲勞技術的關鍵在于以下4個方面：2、關鍵結構件疲勞計算，關鍵結構件（傳動法蘭、轉子支架、磁極螺栓）的疲勞分析計算時，模擬運行工況，實現精準設計；3、懸臂零部件抗振性能優化設計，懸臂零部件（發電機冷卻系統、散熱電機）處于最惡劣運行環境，針對懸臂結構重點優化支撐結構、散熱電機選型及整體結構強度校核；4、關鍵部件材料選取，關鍵零部件（機座、軸承座、空心軸）采用耐低溫材料和抗振材料，提高了發電機的抗振性能。

　　

　?。ǘ└呖煽啃噪姶旁O計及仿真分析技術

　　

　　基于高效率、高抗失磁能力、高功率密度的電機電磁設計技術、針對漂浮式電機維護成本高，采用模塊化設計思想，結合有限元分析工具，實現產品性能、質量、成本、可靠性最優化。

　　

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　　電機轉矩脈動、電機損耗分布，優化電機電磁結構、電流諧波含量。多目標仿真優化算法，實現電磁參數最優設計；多物理場迭代設計，實現電磁場、結構場、流體場、溫度場、聲場優化設計。

　　

　?。ㄋ模┌l電機高效冷卻技術

　　

　　針對深遠海電機特殊的運行壞境，對通風散熱結構進行創新設計，通過流體場、溫度場仿真分析，形成了發電機高效冷卻技術，并獲得發明專利。

　　

　　電機采用定子水冷和轉子空水冷的雙路循環的冷卻方式，提高電機散熱效率；水套內部水路采用優化的特殊結構，較傳統結構散熱面積增加約10%，溫度分布梯度優化40%，有效避免繞組局部過熱；采用獨立的密封冷卻風路，通過設計低風阻導風部件，轉子空水冷卻器冷卻后的涼風直接輸入發電機內部最熱部位。

　　

　?。ㄎ澹┙^緣技術

　　

　　絕緣等級采用H級耐電暈絕緣結構設計，可適應變流器較高的電壓變化率和尖峰電壓；絕緣系統在永濟公司超過40000臺可靠運行的風力發電機絕緣結構基礎上，針對深遠海工況進行加強，通過鹽霧、濕熱、霉菌、高低溫等試驗，滿足海上工況運行要求。

　　

　?。┖Ｉ?ldquo;三防”技術

　　

　　結構件采用C5-M級防腐設計，經過海上工況的運行考核，滿足海上運行環境的苛刻要求。磁極結構采用全密封結構，永磁體采用特殊防腐結構，通過了濕熱、鹽霧、霉菌、高低溫沖擊試驗，提高惡劣工況的運行可靠性。模塊化磁極結構，提升制造及裝配效率。

　　

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　　中車永濟公司提出“風電智能故障辨識系統WIND1.0”，以風場運營效益最大化為目標，采用物聯網、大數據、人工智能、邊緣計算等新技術，實現風力發電機健康診斷及預測性維護、提供多平臺電機數據可視化及交互式系統。

　　

　　實現電機運行狀態全息感知，監測電機軸承、定轉子絕緣等關鍵部件，部署振動、溫度、電壓電流傳感器，節約傳感器安裝、維護的時間及成本，部署無線振動傳感器，功耗低、體積小、安裝簡便。

　　

　　基于“深度學習+特征分析”技術對電機運行數據實時處理及分析，實現電機軸承、絕緣等關鍵部件故障預警，為用戶提供預防性維護和保養建議，提高設備可用率，減少突變故障造成停機，提升發電量。

　　

　　系統實時監測軸承振動、聲音、溫度數據，在線準確辨識電機故障類型及故障部位，包括軸承內圈或外圈剝離、電蝕等故障、軸承過溫故障。

　　

　　人工智能深度學習算法：不同轉速下原始數據，基于人工智能深度學習神經網絡，電機軸承故障識別率高達95%以上誤報率低于1%。故障診斷算法優勢：魯棒性強、可拓展性強。

　　

　　通過匝間接入不同阻值電阻進行不同絕緣故障程度的模擬試驗，獲取三相電流瞬間和穩態數據：針對電機電流信號依次進行濾波降噪、直流分量去除、重點提取非量綱時頻域統計特征，實現絕緣故障在線監測與系統保護功能；基于機理與數據驅動融合的數據分析方式，實現絕緣早期故障預測與健康管理。

　　

　　邊緣計算：故障診斷時效性強：實時將診斷結果推送給客戶；可靠性強：減少網絡信號欠佳導致數據丟失；安全性強：數據傳輸及訪問安全。

　　

　　針對風力發電機，電機智能監控系統提供風機專用傳輸系統，支持多種形式數據傳輸：4G 無線傳輸、風場自有網絡傳輸、無信號覆蓋風場自組網傳輸。自定義報文數據傳輸，考慮后續節點數量增加，采用發布-訂閱消息系統：高并發、高吞吐量、低延遲；可擴展性、持久性、可靠性；物聯網協議MQTT、安全性。

　　

　　基于工業互聯網平臺，提供直觀、智能、交互式多系統平臺，支持Web、移動終端App訪問；實現電機運行狀態實時監控、故障診斷、故障預測、運維決策信息實時更新，提供歷史數據下載、故障日志生成等功能。遠程軟件功能推送，不定期對風力發電機智能監控系統進行系統升級，根據客戶需求帶來新的功能。運維服務人員通過后臺系統檢測到電機狀態進行合理維修，大大簡化服務流程，提升用戶體驗。

　　

　　提升發電量：減少故障停機時間、風機控制優化、風場控制優化。提高運維效率：部件級PHM系統、優化的備件策略、智能運維系統。降低安全風險：人身安全、設備安全、信息安全。減少值守人員：場控無人值守，區域集控少人值守。提供高質量、差異化維保服務和持續優化運營服務，提升風場運營效率，為客戶創造價值！

　　

　　第三個方面是漂浮式風電發展趨勢

　　

　?。ㄒ唬?海上風電全球現狀及發展趨勢

　　

　　隨著近岸資源的開發趨于飽和，海上風電產業逐步走向深遠海，將風機安裝在漂浮式平臺的漂浮式機組是最佳選擇。“由陸向海、由淺到深、由固定基礎向漂浮式平臺”成為未來海上風電的必然趨勢。深遠海風資源，由于沒有障礙，它可以達到更高、更恒定的速度。其在社會經濟和環境層面的巨大潛力和戰略附加值，使其成為在實現碳中和過程中發揮關鍵作用的可再生能源之一。

　　

　　根據全球風能理事會（GWEC）的統計，截止2020年底，全球海上風電累計總裝機量為35.3GW，其中中國占比28%，排名第二，全球裝機容量持續保持增長趨勢。2020年全球海上風電新增裝機容量 6.068 GW，中國的海上風電新增裝機容量達到創紀錄的逾3 GW，占全球新增容量50.4%，連續三年成為全球最大的海上風電市場。

　　

　?。ǘ┢∈斤L力發電機發展趨勢

　　

　　在30·60碳達峰和碳中和背景下，海上風電必將迎來廣闊的發展空間。預計到2025年，全球海上風電新增裝機容量將從2020年的6.1GW增長至23.9GW，在全年裝機容量的占比將從2020年的7%增長至21%。

　　

　　趨勢一是大容量，8-10MW機組逐步成熟；10-18MW樣機陸續誕生；大容量機組在降低風場總投資上具有一定優勢，可充分利用風資源，因此漂浮式海上超大功率風電機組將成為發展趨勢。

　　

　　趨勢二是輕量化， 隨著海上漂浮式風電機組容量的持續增大，關鍵部件的重量將成為影響機組成本的重要因素，發電機作為機組重要部件之一，實現輕量化至關重要。發電機設計采用多目標優化算法，將電機重量及電性能兩個指標作為優化目標，通過蒸發冷卻、超導電機、集成型電機、碳纖維材料等技術創新，動態優化迭代電機結構，在保證電機安全性和可靠性的前提下，將發電機重量降至最輕，從而降低機組載荷。

　　

　　趨勢三是低成本，海上風電產業即將進入平價時代，隨著對漂浮式技術逐步深入的研究，可有效降低發電機的設計冗余，同時通過對新材料、新工藝、新技術的研究，推出低成本、高可靠性的漂浮式電機。

　　

　　趨勢四是智能化，提出“WIND1.0”風電智能守護者系統，以風力發電機為載體，利用人工智能+物聯網（AI+IOT）的方法，打造國際領先的電機故障辨識系統，實現電機數據采集、處理、傳輸、存儲、分析、決策支持全環節應用。

　　

　　趨勢五是高效率，進一步探索電磁優化設計技術，以“高效率、高抗失磁能力、高功率密度”為出發點，結合“高效冷卻技術”全面提升發電機性能，力爭將發電機發電效率提升至98.5%，達到國際領先水平。

　　

　　趨勢六是免維護，基于數字化、智能化技術，為產品”免維護“賦能，通過“技術驅動產品”，推動智能運維系統、優化備件策略、搭建PHM系統，實現發電機故障“自診斷、自恢復”。

　　

　　技術創新 為“碳達峰 碳中和”國家戰略貢獻風電智慧和力量，這就是我今天的分享，謝謝大家！

　　

　?。ǜ鶕葜v速記整理，未經演講人審核）