文/崔新维（北京三力新能科技有限公司）

1. 前言

    与陆地风电机组大型化相比，海上风电机组在以更快的节奏、更大的步伐进行着大型化。同样是为了降低成本，陆地机组更多受制于运输、场地、吊装条件的制约。而借助于强大的海上装备，海上风电的这些制约条件要少一些，当然，风电降本的需求也更迫切一些。

    从2010年之后全球海上风电逐步兴起以来，国内外的整机制造商在海上风电机组的大型化方面各显神通，同时也涌现出不少新型机组装备大型化技术。笔者认为，海上风电机组的大型化可以将“大型”和“化”分开来解读。“大型”是目标，“化”是手段和过程。手段不同，达到目标的程度是不一样的，也即，手段高明，可以达到更大的目标；手段一般，可达的目标也就一般了。根据目前各家采用的手段，可以将其分为放大、升级、加法和乘法等四类。

2.大型化模式

    2.1放大型大型化（从1.5MW到10MW）

    这种模式的基本做法是，将采用某种技术路线的陆地机型通过放大（容量）、加长（叶片）和增高（塔架），放大成技术路线相同且海上风电可以接受的容量等级的机型，投放到国内的海上风电市场。

    放大的主线条是容量放大。伴随着容量的放大，叶片需要加长；叶片加长了，塔架高度又需要增高。于是乎，从最初的陆地1.5/2.0MW机组开始，到3.xMW、……到7~8MW陆地大容量机组；同时在5.xMW左右分叉做海上风电机组及其大型化。

    在这种模式的大型化过程中，基本的技术路线保持不变。过去秉承高速双馈技术、直接驱动技术和某种其他技术路线的，继续保持不变，保持机组布局和大部件的配置不变。只是被动改变那些不得不改变的设计，如高速双馈机型的三级传动齿轮箱，由于传动比要求更大，变更为四级传动齿轮箱等。

    需要特别说明的是，国外做陆地机组的整机商，有的止步于海上风电，如Enercon、Nordex、Suzlon；有的半途而废，回头上岸，如Senvion；有的调整总体技术走向海洋，如Siemens、Vestas和GE。后三家成为海上风电的三巨头，没有一家采用了过去的陆地机组的技术路线，也使海上风电机组集中在直接驱动和中速传动两种技术路线上。

    2.2升级型大型化（从6MW到10+MW）

    第二种大型化之所以称之为升级型，是因为这种模式有两个明显的特征：

• 其风电机组是专门为海上风电开发的，起步容量为6MW，与本企业的陆地机组采用不同的技术路线，相对独立。
• 在海上风电大型化中，持续进行关键技术的进步，通过技术的重大变更或技术升级，使其更加适合海上风电高可靠性与低度电成本的要求。

    这种大型化的成功案例主要有德国的Siemens-Gamesa（从最初的海上6MW到目前的15MW）和丹麦的Vestas（从最初的海上7MW到目前的15MW）。

    国内的整机商主要是通过改变技术路线实现大型化的。如陆地做双馈机型的，海上主推直驱机型或中速机型；陆地做直驱机型的，海上主推中速机型。甚至还有海上机组先做直驱型再做中速型的。这类整机商有个共同的特点是，没有一家从其他机型转做高速双馈机型的。这与国外的主流技术是一致的。

    2.3加法型大型化（1+1模式）

    所谓加法型主要是指双机头方案（简称1+1模式）。这种技术路线在2022年度成为主流。看来大家都认识到了一点，无论是放大法还是升级法，仅从单个机组来大型化，效果还是有限，无法满足海上风电的单机容量可能提升到20MW以上的需求。这也算是国内风电技术跟踪国外先进技术的一项案例。

    但是，双机头方案必须要解决或具有三个前提：

1. 选用的单个机头得是可靠的，否则两个机头不能独立工作，一个出现故障，另一个也必须伴随停机；
2. 从尾流效应上讲，单个机头无法实现偏航，必须将偏航功能下移到共用塔节部分或是基础部位实现，这将带来较大的偏航载荷，设计上面临新的挑战；
3. Y型塔架的设计是个难题，尤其是两个400~500吨的机头在相隔200米左右时，其载荷中心和重心如何汇集到Y型塔架的下端，面临着左右平衡的难题。

    从大型化的角度看，虽然可以一次性获得翻倍的机组容量，但1+1只能小于等于2，其容量增长的幅度仍然有限，尤其是单机容量有限时。这里不妨将其称之为有限大型化模式。

     2.4乘法型大型化（将百kW乘以N）

    将多个相同的叶轮及发电单元由一个框架结构支撑，同时正面迎风，以较大的等效扫风面积，获得较大的风功率，进而实现风电机组的容量大型化——这种被称为多叶轮风电系统的技术，可以视为具有乘法效应的大型化模式。

    当较小发电单元的功率确定后（通常设定不高于1兆瓦），通过数个、十数个或数十个发电单元的并联，可以将单机容量数倍、十数倍或数十倍的放大，机组容量大型化的效果远超想象。也可以认为是一种无限大型化模式。

    海上风电机组的大型化过程中，可靠性与经济性始终是最重要的性能指标和约束条件。多叶轮系统的高可靠度体现在多个叶轮的并联结构和独立运行特性，即便是单一发电单元出现故障，其余发电单元仍能正常工作。其经济性体现在较小的发电单元降低的成本，大于支撑结构新增的成本，达到了系统综合成本大大降低的效果。

    多叶轮风电系统在国外称之为“风墙”，可想而知这是一种大面积捕获风能的风力发电系统。它是目前在地球表面最有效实现大型化的风电装备。

3.结论

    通过上述分析，可以得出如下结论：

• 放大型模式属于类比设计法，简单易行，但技术含量低，可延续性有限，可靠性和经济性有限。
• 升级型模式有一定的技术创新，对厂商的技术沉淀和积累有较高的要求。需要关键技术支撑，才能有效规避风险。
• 加法型模式虽然具有加倍大型化的效果，但不是简单的1+1，需要对其中的关键技术有深刻的理解与把控。
• 乘法型模式的大型化前景最为乐观，也最符合海上风电的基本要求。关键是做好支撑结构和基础。