基于环境因素对海上风电变流器的性能影响分析

基于环境因素对海上风电变流器的性能影响分析

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（1，南瑞集团（国网电力科学研究院）有限公司江苏南京211106；

2，国电南瑞科技股份有限公司江苏南京211106）

摘要：海上风电由于海风资源的稳定性及发电功率大的特点，得到迅猛发展。海上风电变流器作为海上风电系统的核心设备之一，其自身的结构和性能属性对于海上风电的电能质量以及整个风电系统的可靠性能和稳定性具有关键的作用。

关键词：海上风电；变流器；可靠性；稳定性

1、前言

在当今节能减排的大环境下，发展以风能为代表的新能源已是大势所趋。随着海上风电市场空间的逐步打开，海上风电场的建设将带动制造业繁荣。根据国家气象局风能太阳能资源评估中心数据显示，我国5米到25米深线以内近海区域，海平面以上50米高度，海上风电开发潜力约2亿千瓦。全球海上风电累计装机容量预测，到2030年将达到1亿千瓦以上。因此2020-2030年将是海上风电市场高速发展的阶段，也是海上风电将进入远海更佳时期。

2017-2025年全球海上风电装机预测见图1，全国海上风电总装机量见图2.我国在国家战略层面，已将包括海上风电在内的可再生能源作为新时期能源发展的主攻方向，计划到2020、2030年非化石能源消费占一次能源消费的15%、20%。“十三五”时期，我国能源发展总体目标是“建设绿色低碳、安全高效的现代能源体系”，围绕能源生产和消费革命，大幅增加可再生能源在能源生产和消费中的比重。大规模发展海上风电将成为国家能源结构调整和节能减排目标实现的重要途径之一。

图12017-2025年全球海上风电装机预测

中国海上风电总装机量为：

图2中国海上风电总装机量

1.1、海上风电面临的机遇与挑战

在国家政策推动及陆上风电弃风率过高背景下，企业不断将目光转向了前景更佳的海上风电。从目前情况看，海上风电的发展面临着机遇与挑战并存。

1）海上风力发电的机遇：

首先海岸线长且可利用海域面积广阔，风能资源丰富且比较平稳；其次远离人们的生活环境，无噪音和风影效应的限制；再者是没有土地资源的限制；最后是在我国的东部沿海，海上风力资源中心与负荷中心重合。

2）海上风力发电的挑战：

首先是海上的环境极其恶劣，在高湿度、盐雾、凝露、霉菌等因素的影响下，极易是海上风电变流器产品的机械性能甚至电气性能受到冲击，甚至发生模块爆炸现象；其次是基建、运行和维护成本高且运输和施工困难；最后是电力汇聚、传输以及配套基础设施薄弱等。

因此，海上风电的建设与发展应与中国海洋装备制造、海洋工程建设经验相结合，更好地指导海上风电场建设及运营，海上风电将是为了新能源利用的主要方向，但是由于海上风电特殊的应用环境，相对于陆上风电，海上风力发电机组以及变流器的设计理念是：可靠性高、可预测、保障生命周期内高性能，减少维护次数，需要维修时做到安全、快捷、低成本。

2、海上风电运行的主要环境因素

中国地域广，水文条件相对复杂：华东、华南地区夏季面临着台风灾害，而在华北建设海上风场则面临浮冰灾害等，此外盐雾、凝露、霉菌等对风电设备也有着较强的影响。根据国内网环境条件标准将我国海上风电特殊环境按照表1分为如下六类。

表1海上环境因素分类

3、海上风电变流器的主要防护技术

风电变流器受环境因素引起电气性能和机械性能失效的形式多样，本文仅对盐雾、霉菌、凝露等因素进行分析。

3.1、海上运行的变流器防盐雾技术

海上气候环境恶劣，天气、海浪、潮汐等因素复杂多变，一般要求变流器柜体具有不低于IP54的防护等级；柜体钢构部分具备基于ISO12944-2标准的C4防腐能力见表2。江苏如东200MW海上风电场项目，按照《钢结构防护涂料系统的防腐蚀保护》（ISO12944）要求，设备本体采用户内布置，外壳、连接部件、裸露金属至少应满足C5-I等级为防止锈蚀，设备外露部件必须具有良好的防腐蚀保护措施。

腐蚀级别与盐雾试验的关系：

表2钢铁基材上的涂料体系的试验程序（ISO12944-2）

3.2、海上运行的变流器防霉菌技术

霉菌是形成分枝菌丝的真菌的统称，是一种多细胞微生物，其繁衍下代通过种子或抱子的形式，吸收含碳化合物和有机化合物的营养，根据霉菌的生活习性，一类霉菌最适生长温度为25－30℃左右，相对湿度为80％－90％，另一类最适生长温度为5－25℃。

海上风电变流器由于湿度高等特点，高湿度的条件下霉菌使特容易生长（在湿度85%～90%以上时，霉菌会迅速生长）。主要集中在机柜密封胶条、尼龙件，橡胶件等有机合成材料处。

3.3、海上运行的变流器防凝露技术

由于海上产品湿度比较大，机柜的密封性能不达标，柜内空气流通性差等原因，很容易形成凝露。所有设备的电气元件必须满足绝缘要求，设备外壳不允许产生结露、锈蚀和涂层剥落。

3.4、海上运行的变流器防振动冲击技术

海上风电变流器一般通过水路、铁路、公路等方式运输到港口码头，从吊装、跌落、海运过程等一直对变流器的振动冲击性能进行着考验，变流器的安装位置又是在塔筒内，台风和海床运动的影响极易使变流器产生振动和地震应力等。根据能源局《NBT31041-2012海上双馈风力发电机变流器》标准，满足GB/T3783-2008等级：一般场所，正弦稳态振动：频率2～13.2Hz，振幅1mm；频率13.2～200Hz，加速度7m/s2。

3.5、海上运行的变流器防散热技术

变流器内部主要散热元器件件为主功率模块、电抗器及电阻等。要保证这些器件在工作的过程中，释放出来的热量能够通过热交换的方式传递出去，减少其在变流器内部的温度。使器件在允许的温度范围内工作，保证变流器整体的可靠性。即建立一个冷却系统，选用合适的散热方式，风冷系统或者液冷系统。

以上因素对变流器的影响见表3。

表3环境因素对变流器的影响

4结论

本文只对海上风电变流器在部分环境因素的影响下对其的影响和解决措施，但实际上，自然条件的复杂性与多样性决定了中国海上风电发展中遇到的问题可能更多。列举的部分因素对变流器性能的影响不能等同于海上风电遇到的综合环境因素，如海流、水位和海生物等。这些因素对海上风电的建设发展也有一定的影响。因此，环境因素对海上风电变流器的性能影响还需要进一步深入研究，才能更好更快的发展海上风电变流器。

参考文献：

[1]余建宏.海上风电变流器应用环境因素分析［J］.环境技术，2016（3）

[2]许雪冬，黄开云.我国海上风力发电设备环境条件与环境技术要求分析[J].装备环境工程.2013（05）

[3]李婵，黄海军，王俊，揭敢新，黄开云，宋晓萍.风力发电设备在我国不同气候条件下环境适应性分析[J].环境技术.2013（02）

[4]2017年《全球海上风电市场报告》[R]，2017