海上风电机组国产化研究与实践

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22030

摘要/Abstract

摘要：

统计并分析了海上风电机组叶片、主轴、电气系统、控制系统等关键部件和系统的技术现状及国产化状态，针对目前海上风电机组部件与系统中存在的国产化弱项，采用理论分析、材料/部件选型、部件研制、测试验证、整体组装的思路，进行叶片、主轴承、变流器、可编程逻辑控制器(programmable logic controller，PLC)等部件和系统的国产化研制，并采用研制的国产化部件和系统进行5 MW国产化海上风电机组装配，该机组的国产化率达到95%以上。结果表明：海上风电机组的大部分部件与系统具备国产化条件，部分设计(如叶片设计等)所用工业软件仍依赖进口，少部分核心元器件国内仍然缺失。

关键词: 海上风电, 国产化, 风电机组, 叶片, 主轴承, 可编程逻辑控制器(PLC)控制系统

Abstract:

This paper analyzed the localization status of key components and systems in offshore wind turbines such as blades, spindles, electrical systems, and control systems.In view of the localization weaknesses existing in the components and systems of offshore wind turbines, the localization of blades, main bearings, converters and programmable logic controller (PLC) was carried out by using the ideas of theoretical analysis, material/component selection, component development, test verification and overall assembly, and 5 MW offshore wind turbines were assembled with the developed localization components and systems. The localization rate of the unit was more than 95%. The results show that most of the components and systems of offshore wind turbines have the conditions for localization, but some technologies, such as blade design, still rely on imports, and a few core components are still missing in China.

Key words: offshore wind power, localization, wind turbine, blade, main bearing, programmable logic controller (PLC) control system

中图分类号:

TK 83

孙财新, 张波, 唐巍, 周昳鸣, 付明志, 秦猛, 郭小江. 海上风电机组国产化研究与实践[J]. 发电技术, 2023, 44(5): 696-702.

Caixin SUN, Bo ZHANG, Wei TANG, Yiming ZHOU, Mingzhi FU, Meng QIN, Xiaojiang GUO. Research and Practice on Localization of Offshore Wind Turbines[J]. Power Generation Technology, 2023, 44(5): 696-702.

图/表 8

参考文献 17

1	时智勇．“十四五”我国海上风电发展的几点思考[J]．中国电力企业管理，2020(5)：40-42． doi:10.3969/j.issn.1007-3361.2020.13.011
	SHI Z Y ．Several thoughts on the development of our country’s offshore wind power during the “14th Five-Year Plan”[J]．China Electric Power Enterprise Management，2020(5)：40-42． doi:10.3969/j.issn.1007-3361.2020.13.011
2	张磊，李继影，李钦伟，等．风力机偏航系统控制策略研究现状及进展[J]．发电技术，2021，42(3)：306-312． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.20012
	ZHANG L， LI J Y， LI Q W，et al ．Status and prospect of yaw system control strategy for wind turbines[J]．Power Generation Technology，2021，42(3)：306-312． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.20012
3	蔡葆锐，杨蕾，黄伟．基于惯性/下垂控制的变速型风电机组频率协调控制方法[J]．电力系统保护与控制，2021，49(15)：169-177．
	CAI B R， YANG L， HUANG W ．Frequency coordination control of a variable speed wind turbine based on inertia/droop control[J]．Power System Protection and Control，2021，49(15)：169-177．
4	王鑫，杨德健，金恩淑，等．双馈风电机的虚拟惯性控制优化策略[J]．智慧电力，2022，50(8)：1-6． doi:10.3969/j.issn.1673-7598.2022.08.003
	WANG X， YANG D J， JIN E S，et al ．Improved virtual inertial control strategy of doubly-fed induction generator[J]．Smart Power，2022，50(8)：1-6． doi:10.3969/j.issn.1673-7598.2022.08.003
5	陈刚．海上风电工程结构监测技术应用[J]．水利规划与设计，2018，31(4)：127-132． doi:10.3969/j.issn.1672-2469.2018.04.037
	CHEN G ．Application of structural monitoring technology in offshore wind power engineering[J]．Water Resources Planning and Design， 2018，31(4)：127-132． doi:10.3969/j.issn.1672-2469.2018.04.037
6	廖雪松，刘楠，董燕，等．基于全域感知的智能风电机组平台应用研究[J]．风能，2020(7)：96-101． doi:10.3969/j.issn.1674-9219.2020.07.024
	LIAO X S， LIU N， DONG Y，et al ．Application research of intelligent wind turbine platform based on global perception[J]．Wind Energy，2020(7)：96-101． doi:10.3969/j.issn.1674-9219.2020.07.024
7	高本锋，王晓，梁纪峰，等．混合型统一潮流控制器抑制风电次同步振荡控制策略[J]．电力建设，2021，42(9)：53-64． doi:10.12204/j.issn.1000-7229.2021.09.006
	GAO B F， WANG X， LIANG J F，et al ．Control strategy of hybrid unified power flow controller to suppress wind power sub-synchronous oscillation[J]．Electric Power Construction，2021，42(9)：53-64． doi:10.12204/j.issn.1000-7229.2021.09.006
8	WANG H， HE P Y， PANG B T，et al ．A new computational model of large three-row roller slewing bearings using nonlinear springs[J]．Journal of Mechanical Engineering Science，2017，231(20)：3831-3839． doi:10.1177/0954406217704223
9	International Organization for Standardization ．，Rolling bearings：methods for calculating the modified reference rating life for universally loaded bearings [S]．London：British Standards Association，2008．
10	董文博，顾秀芳，陈艳宁．风电并网价值分析[J]．发电技术，2020，41(3)：320-327． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.19117
	DONG W B， GU X F， CHEN Y N ．Value analysis of wind power integration[J]．Power Generation Technology，2020，41(3)：320-327． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.19117
11	于永军，王利超，张明远，等．基于阻抗特性多项式拟合的直驱风电机组次同步振荡稳定判据[J]．发电技术，2020，41(4)：429-436． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.19140
	YU Y J， WANG L C， ZHANG M Y，et al ．Stability criterion of subsynchronous oscillation of direct drive permanent magnet synchronous generator based on impedance polynomial fitting[J]．Power Generation Technology，2020，41(4)：429-436． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.19140
12	RAD H， TURAJ A， PAUL L C D V，et al ．Integrated multi⁃disciplinary constrained optimization of offshore support structures[C]//Journal of Physics：Conference Series．Oldenburg，Germany：IOP，2012：1-10． doi:10.1007/978-1-84996-190-5_7
13	THEO G， WANG L， ATHANASIOS K ．Integrated structural optimization of offshore wind turbine support structures based on finite element analysis and genetic algorithm[J]．Applied Energy，2017，199(8)：187-204． doi:10.1016/j.apenergy.2017.05.009
14	张博．海上风机一体化载荷仿真方法研究[D]．上海：上海交通大学，2016． doi:10.1002/we.1959
	ZHANG B ．Study on integrated loads simulation of offshore wind turbine[D]．Shanghai：Shanghai Jiao Tong University，2016． doi:10.1002/we.1959
15	周昳鸣，李晓勇，陈晓庆．海上风机支撑结构整体优化设计[J]．南方能源建设，2019，6(4)：86-92．
	ZHOU Y M， LI X Y， CHEN X Q ．Integrated design optimization of offshore support structure[J]．Southern Energy Construction，2019，6(4)：86-92．
16	赵向前，黄松苗，赵梓杭．一体化理念在国内海上风电开发建设上的应用探究[J]．南方能源建设，2014，1(1)：1-6．
	ZHAO X Q， HUANG S M， ZHAO Z H ．Application study of integration concept in domestic offshore wind power construc-tion[J]．Southern Energy，2014，1(1)：1-6．
17	田德，陈静，罗涛，等．基于柔性基础模型的海上风电机组支撑结构优化[J]．太阳能学报，2019，40(4)：1185-1192．
	TIAN D， CHEN J， LUO T，et al ．Optimization of offshore wind turbine support structures based on flexible foundation models[J]．ACTA Energiae Solaris Sinica，2019，40(4)：1185-1192．

区域	加载位置/m	不同形变率的应变值/10^-6
区域	加载位置/m	40%	60%	80%	100%
PS面	1.5	644	966	1 287	1 612
	10.8	1 474	2 246	3 015	3 808
	22.7	1 663	2 528	3 371	4 208
	30.3	1 822	2 767	3 682	4 578
	41.8	1 945	2 945	3 885	4 758
	49.4	1 726	2 602	3 411	4 132
	60.9	1 564	2 334	3 010	3 548
SS面	1.5	-669	-1 027	-1 382	-1 752
	10.8	-1 391	-2 101	-2 790	-3 487
	22.7	-1 733	-2 608	-3 431	-4 231
	30.3	-1 796	-2 694	-3 529	-4 321
	41.8	-1 815	-2 717	-3 544	-4 297
	49.4	-1 624	-2 420	-3 138	-3 763
	60.9	-1 446	-2 137	-2 733	-3 197

区域	加载位置/m	不同形变率的应变值/10^-6
区域	加载位置/m	40%	60%	80%	100%
PS面	1.5	644	966	1 287	1 612
	10.8	1 474	2 246	3 015	3 808
	22.7	1 663	2 528	3 371	4 208
	30.3	1 822	2 767	3 682	4 578
	41.8	1 945	2 945	3 885	4 758
	49.4	1 726	2 602	3 411	4 132
	60.9	1 564	2 334	3 010	3 548
SS面	1.5	-669	-1 027	-1 382	-1 752
	10.8	-1 391	-2 101	-2 790	-3 487
	22.7	-1 733	-2 608	-3 431	-4 231
	30.3	-1 796	-2 694	-3 529	-4 321
	41.8	-1 815	-2 717	-3 544	-4 297
	49.4	-1 624	-2 420	-3 138	-3 763
	60.9	-1 446	-2 137	-2 733	-3 197

叶片展向位置/m	应变值/10^-6
0	738
5.0	1 712
7.3	1 661
10.8	1 440
15.0	1 325
18.8	1 733
22.7	1 870
26.5	1 961
30.3	1 900
34.1	1 730

叶片展向位置/m	应变值/10^-6
0	738
5.0	1 712
7.3	1 661
10.8	1 440
15.0	1 325
18.8	1 733
22.7	1 870
26.5	1 961
30.3	1 900
34.1	1 730

参数	国产	国外
结构	三排滚子轴承	三排滚子轴承
原材料	钢42CrMo-改良	钢42CrMo4
滚子	G20Cr2Ni4A	类同GCr15SiMn
保持架	铝青铜	黄铜
密封条	丁腈橡胶	丁腈橡胶
推力滚动体直径/mm	80×80，共180粒	80×80，共180粒
径向滚动体直径/mm	90×130，共78粒	90×135，共72粒