作者 | 之遥科普，清华大学专业科普团队
今年7月，中国首台10兆瓦海上风力发电机组在福建福清兴化湾二期海上风电场成功并网发电，该机组并网发电后，将成为单机容量世界第二、亚太地区第一的海上风力发电机组。
该风力发电机组投入使用后，在年平均风速10米/秒的条件下，单个机组每年发电量可达4000万千瓦时，可满足20000户三口之家的用电需求，可减少燃煤消耗13000吨，二氧化碳排放33500万吨。
接下来，就让我们一起看看这台“大国重器”上都用了哪些新技术吧。
（一）会动的叶片——电动双驱变桨技术
玩过纸风车的人都知道，用嘴向纸风车吹气，纸风车便会转动起来，风力发电的原理和纸风车类似，在风力发电过程中，具有一定速度的风吹向风力机组的叶片，产生的作用力推动叶片转动，从而带动发电机发电。
为了产生使发电机转动的推力，叶片自身与叶片的运动方向之间存在一个夹角，工程中称为攻角。改变攻角的大小，可以直接影响推力的大小。
在风力机组中，变桨系统负责调整叶片倾斜角，从而改变气流攻角，调整风力发电机组运行状态，使风力发电机组在不同风况下能够稳定运行。变桨系统对于机组的安全、稳定和高效运行具有重要作用，是大型风力发电机的重要系统之一。
图1 电驱变桨系统 （图片来源：宁波中车新能源）
目前，变桨系统根据叶片驱动方式主要分为液压变桨系统和电动变桨系统。
液压变桨系统使用液压机构驱动，优点是扭力大、响应频率快、无需额外润滑，便于集成在风机系统中，缺点则是液压管路容易泄露、系统内液体性质受温度影响，可维护性较差，维修成本较高。
目前，在大兆瓦（大于7兆瓦）风力发电机组中，液压变桨系统运用较多，比如丹麦Vestas、DONE Energy等。
电动变桨系统使用电动机驱动，优点在于结构紧凑、简单可靠、维护容易，缺点在于动态响应相对较慢，并且在大功率风力发电机中，频繁调节可能产生较多热量，损坏电机。
电动变桨系统在国内大型海上风机中应用较多，此次10兆瓦大型海上风力发电机便采用了电动变桨系统中的电动双驱变桨技术。
电动双驱变桨系统，顾名思义，是使用了两套独立电动驱动的变桨系统。对于大兆瓦级别的海上风机，叶片的体积较大，因此调整叶片需要输出的扭力也较大。
以此次10兆瓦海上风机为例，其叶轮直径达到185米，比上海东方明珠电视塔的三分之一还高；扫风面积相当于3.7个标准足球场。庞大的叶片对变桨系统的驱动装置提出了更高的要求，因此，采用双电动驱动来分摊驱动叶片所需的扭力，可降低系统承受载荷，提高系统的安全可靠性。
此外，由于两套电动驱动系统相互独立，如果其中一套出现故障，另一套也可保障风力机组安全停机。
图2 福清兴化湾10 MW海上风机（图片来源：四川在线）
（二）电能的来源——永磁直驱发电机
发电机是将风能转化为电能的核心，其性能表现会直接影响整个风力机组的发电效率。
对于大型风力海上发电机组来说，其所处的海上环境条件复杂，对各种设备和系统的可靠性提出了更高要求。为了解决相关问题，永磁直驱式发电机被应用在了中国10兆瓦海上风力发电机组中。
永磁直驱发电机的特点有两个，也就是名称中提到的永磁和直驱。
永磁，指的是使用永磁体提供磁场，生活中常见的磁铁便是一种永磁体。对于普通发电机，其内部的磁场需要通电才能产生，优点在于磁场便于控制，但是需要消耗额外电能、结构也更为复杂。永磁发电机的内部磁场使用永磁体产生，不需要额外消耗电能，具有能量转换效率高、结构简单的优点。
在永磁体材料的选择方面，使用最多的是钕铁硼永磁材料。这种永磁材料是目前磁性能最高的永磁材料，并且钕、铁、硼等资源储量高，价格便宜，非常适合用于制造永磁式发电机。
永磁直驱发电机的另一个特点是直驱。直驱指的是叶轮部分直接连接在发电机上，没有中间传动机构。在中小型风力发电机组中，叶轮与发电机之间存在齿轮箱部件，以保证发电机工作在合适的转速。而在大型海上风机中，负载较大且经常变化，齿轮箱非常容易发生故障。直驱式发电机省去了齿轮箱，减小了传动过程中的能量损耗，既提升了可靠性，也提升了能量转化效率。
永磁直驱发电机的使用，减少了风力机组的部件数量，简化了系统，提升了机组能量转化效率和可靠性，也更易于维护，非常适合在大型海上风机这样工作条件复杂、工作负载大的工程中应用。
图3 永磁直驱发电机与传统发电机（图片来源：维科网·风电）
（三）电能输出稳定器——全功率变流器
生活中，我们使用比较多的是频率和电压固定的交流电，而受复杂风况的影响，风力发电机发出的电频率和电压是在不断变化的。因此，在发电机和电网之间需要使用变流器来调整输出电的频率和电压，使其满足并网发电的基本需求。
全功率变流器经常与永磁直驱发电机相配合，在发电机与电网之间加入一个功率与发电机相同的变流器，用于调整输出交流电的频率与电压。
全功率变流器由机侧变流器、网侧变流器和控制单元组成。实际工作中，控制单元监控发电机的运行情况，由机侧变流器将发电机发出的不稳定交流电转换为稳定的直流电，再由网侧变流器转换为频率、电压与电网一致的稳定交流电。
全功率变流器在风力发电机和电网间起到了缓冲的作用，既能保证风力发电机组能够输出稳定的电流，也能减少电网波动对发电机可能造成的损害。
图4 全功率变流器示意图及实物（图片来源：百度文库、斯维奇）
（四）遇见台风怎么办？——风机安全运行的保障措施
之前提到，海上风力发电与陆地风力发电相比，最大的困难与挑战在于海上复杂的风况，其中便包括台风等自然灾害。
在中国，台风发生的频率很高，每年均会有1-3次台风影响中国东南沿海。台风影响区域广、持续时间长，海上风机在台风中不仅要承受剧烈的气流变化，还要承受台风引起的海浪的冲击。在大型台风的作用下，很容易发生叶片断裂、塔柱折断、机舱罩破裂等损害，造成巨大经济损失。
为了抵御台风，海上风机采用了许多技术措施，阻尼减震器便是其中之一。
任何物体均有一定的振动频率，如果外界施加影响的频率和物体本身频率重合，便会发生共振现象，造成破坏。
阻尼减震器是一种能改变物体本身振动频率的装置，它使外界影响的频率和物体本身频率相差较大，从而避免共振现象。阻尼减震器应用广泛，在许多高楼大厦中也有配备。而在海上风机中，阻尼减震器能根据台风影响频率调整风机的振动频率，大大减小台风对机组结构的影响，从而使海上风机能在台风中屹立不倒。
图5 质量阻尼器（图片来源：永峻工程顾问公司）
除了阻尼减震器外，海上风机对许多部分都采取了相关措施。比如发电机舱室外壳增厚、增加强化结构、机组全密封设计等等，这些措施强化了海上风机的结构和耐海水腐蚀性能，有力保障了海上风力发电机组的安全运行。
（五）海上风电建设，中国大有可为
海上没有住宅、山丘等障碍物，因此海上平均风速要高于陆地风速25%左右。此外，海上风电场远离居民住宅区，在噪音、占地等方面限制较小。而且，中国海上面积广阔，海上风力资源丰富，具有很高的开发价值。
与陆地风力发电相比，海上风电场建设起步较晚。成本方面，海上风电场风速更高，但是输电成本高于陆地输电，综合成本海上风电场与陆地风电场基本持平。装机容量方面，截止2019年，全球海上风电累计装机容量约27.2 GW（27200 MW），其中英国以9.7 GW排名第一，随后是德国（7.5 GW），中国排名第三，并且增长速度较快，未来有望成为世界最大的海上风力发电国家。
参考文献
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