海上風(fēng)電變流器應(yīng)用環(huán)境因素分析

余建宏（艾默生網(wǎng)絡(luò)能源（西安）有限公司，西安 710075）

海上風(fēng)電變流器應(yīng)用環(huán)境因素分析

余建宏
（艾默生網(wǎng)絡(luò)能源（西安）有限公司，西安 710075）

為了清晰認(rèn)識風(fēng)電變流器海上應(yīng)用環(huán)境，闡述了海上風(fēng)電的困難及生命周期可遇的環(huán)境因素，并選取對風(fēng)電變流器有危害和影響的主要環(huán)境因素進(jìn)行了分析，以便開發(fā)人員提前識別海上風(fēng)電變流器的環(huán)境應(yīng)力并作出相應(yīng)的設(shè)計。

海上應(yīng)用；風(fēng)電變流器；環(huán)境因素

背景

隨著我國對沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大力支持，加之陸上土地資源的日益緊張，各類沿海及海上工程建設(shè)項目的確立實施，以及海洋資源的開發(fā)和利用。如海洋可再生能源的開發(fā)，海洋風(fēng)力資源作為新能源開發(fā)受到諸多國家的青睞，風(fēng)力發(fā)電不僅能夠減少環(huán)境污染，還會緩解能源供應(yīng)系統(tǒng)的壓力。我國大陸海岸線總長約1.8萬公里，島嶼海岸線約1.4萬公里。而近海區(qū)域、海平面以上50 m高度能夠利用并可開發(fā)的風(fēng)電容量約2億千瓦，僅近海風(fēng)場的可開發(fā)資源就是陸地上的3倍。

由于我國陸地資源寶貴，且通常陸地風(fēng)力資源在經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的偏僻區(qū)域，這使風(fēng)電傳輸成本較高。然而沿海近岸的良好風(fēng)力資源環(huán)境，促使海上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)有了較快發(fā)展，使得風(fēng)電開發(fā)從陸地向海洋轉(zhuǎn)移，進(jìn)而由淺海向深海的發(fā)展。從風(fēng)電行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀看，我國的海上風(fēng)電從2014年得到較大突破，從相關(guān)數(shù)據(jù)可知我國在2015年新增約36萬kW，累計裝機(jī)容量從世界排名第五位升至第四位。借力海上資源和政策扶持，我國提出了到 2020 年完成海上風(fēng)電累計裝機(jī)量或?qū)⑦_(dá)到40.3 GW，我國有望成為海上風(fēng)電發(fā)展的中堅力量。

2015年全球海上新增裝機(jī)容量見圖1，全球海上風(fēng)電實現(xiàn)快速發(fā)展，產(chǎn)能刷新紀(jì)錄新增達(dá)4 GW，全球總產(chǎn)能達(dá)11 GW。截至2015年底，中國已建成的海上風(fēng)電項目裝機(jī)容量共計1 014.68 m W，其中，潮間帶累計風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到611.98 m W，占海上裝機(jī)容量的60.31 %，近海風(fēng)電裝機(jī)容量402.7 m W占39.69 %。據(jù)有關(guān)方面預(yù)計未來10年，全球海上風(fēng)電裝機(jī)容量年增長率將高達(dá)19 %，其中，全球海上風(fēng)電高速增長將主要集中在歐洲和中國市場。

1 海上風(fēng)電面臨的困難

海上風(fēng)電并不是簡單地將陸地風(fēng)電移到海上，海上風(fēng)電所處的服役環(huán)境相對陸上風(fēng)電更為嚴(yán)酷。對海上風(fēng)電設(shè)備的設(shè)計制程、產(chǎn)品的可靠性、環(huán)境適應(yīng)性、基建施工和運(yùn)營維護(hù)等都提出了更高更嚴(yán)酷的要求。目前，我國海上風(fēng)電各項技術(shù)整體還處于起步階段，還面臨許多的技術(shù)難題。

1）海上風(fēng)電行業(yè)基本上還沒有形成一套獨(dú)立的設(shè)計制造方法、標(biāo)準(zhǔn)、檢測、安裝、運(yùn)行、維護(hù)體系，海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)體系有待健全。

2）海上風(fēng)電應(yīng)用環(huán)境條件惡劣，風(fēng)電系統(tǒng)怎么適應(yīng)嚴(yán)酷的自然環(huán)境條件，對于各個系統(tǒng)的海上環(huán)境適應(yīng)性提出了較高的要求，必須要面臨和解決海洋環(huán)境惡劣的潮濕和鹽霧腐蝕問題。

3）在我國的四大海洋區(qū)域，不同海洋的地質(zhì)條件差異很大，包括氣候條件、海洋洋流、水文條件等，都給海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)工程設(shè)計及施工帶來更大挑戰(zhàn)。

我國地域廣大，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備在干熱、濕熱和亞濕熱等典型氣候環(huán)境條件下運(yùn)行時，風(fēng)電設(shè)備已經(jīng)出現(xiàn)過短路停機(jī)、腐蝕失效、漏電流增加導(dǎo)致參數(shù)漂移等環(huán)境適應(yīng)性問題。陸地上的風(fēng)電設(shè)備已如此，何況海上風(fēng)電系統(tǒng)面臨的更加復(fù)雜和嚴(yán)酷的應(yīng)用環(huán)境，不僅潛在影響整個風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的正常穩(wěn)定運(yùn)行，一旦出現(xiàn)故障不可估量的維護(hù)成本也會給風(fēng)電企業(yè)帶來重大的經(jīng)濟(jì)損失。所以對于海上風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性問題研究刻不容緩。

2 海上環(huán)境因素

我國海域遼闊，主要分為渤海、黃海、東海和南海四大海域。不同海域的海上風(fēng)電場氣候特征也有很大差別，渤海主要屬于暖溫海洋氣候，黃海涵蓋了暖溫海洋氣候和亞濕熱海洋氣候，東海主要屬于亞濕熱海洋氣候，南海主要屬于濕熱海洋氣候。四個海域的最低溫度、最高溫度、臺風(fēng)次數(shù)、霜降日數(shù)、年降雨量、年平均相對濕度和鹽霧濃度等指標(biāo)均有差異。

中國船級社的《海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組認(rèn)證規(guī)范》中對海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組環(huán)境條件的說明，可將海上環(huán)境條件劃分為風(fēng)況、海洋條件和其他環(huán)境條件。再依據(jù)國外標(biāo)準(zhǔn)IEC 60721系列和中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4798系列對各種環(huán)境參數(shù)的分級方法，可將我國海上風(fēng)電機(jī)組的環(huán)境條件分為氣候、生物、化學(xué)活性物質(zhì)、機(jī)械活性物質(zhì)、水文和機(jī)械條件六大類，對應(yīng)的環(huán)境因素見表1。

3 海上風(fēng)電變流器生命周期可遇環(huán)境因素

功率變流器是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的核心部件，高可靠性的功率變流器是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要保障。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中風(fēng)電變流器可以優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行，實現(xiàn)寬風(fēng)速范圍內(nèi)的變速恒頻發(fā)電，改善風(fēng)機(jī)效率和傳輸鏈的工作狀況，減少發(fā)電機(jī)損耗，提高運(yùn)行效率，提升風(fēng)能利用率。

圖1 全球海上新增裝機(jī)容量

表1 海上環(huán)境因素分類

海上風(fēng)電變流器的生命周期不同于陸地風(fēng)電變流器，生命周期內(nèi)階段和環(huán)境應(yīng)力更多更復(fù)雜。海上風(fēng)電變流器一般都是提前運(yùn)輸至陸地上港口或者碼頭附近“待命”，甚至?xí)L時間在港口或者碼頭進(jìn)行儲存，然后在岸上進(jìn)行預(yù)安裝，包括風(fēng)機(jī)底座與變電站，安裝風(fēng)電機(jī)組（管線和敷設(shè)電纜等），待變流器與塔筒安裝在一起后，整個風(fēng)電機(jī)組再由大型起重船整體起吊并運(yùn)至海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)平臺，最終進(jìn)行安裝、調(diào)試監(jiān)控和運(yùn)行。變流器設(shè)備在海上運(yùn)輸、安裝和使用過程中可遇的機(jī)械環(huán)境有沖擊、振動、搖擺和吊裝等；在港口貯存、海上運(yùn)輸、安裝和使用過程中可遇的氣候環(huán)境因素有溫度、濕度、凝露，以及整個服役周期內(nèi)的生物化學(xué)環(huán)境因素主要有鹽霧和霉菌等。從到達(dá)港口或者碼頭后，一直到海上平臺安裝調(diào)試運(yùn)行后，整個生命周期可遇的環(huán)境因素如圖2。

4 主要環(huán)境因素對風(fēng)電變流器的影響

風(fēng)電機(jī)組是在戶外長期服役的大型復(fù)雜裝備，前面分析的六大類環(huán)境條件都會對其正常運(yùn)行造成影響。除開安裝調(diào)試前的轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié)，變流器一般都固定在塔筒內(nèi)部或者是獨(dú)立的空間內(nèi)工作，能夠?qū)ψ兞髌鳟a(chǎn)生影響的主要有機(jī)械環(huán)境、氣候環(huán)境、化學(xué)環(huán)境和生物環(huán)境條件，結(jié)合前面生命周期可遇的環(huán)境因素，本文主要對溫度、濕度、鹽霧、霉菌和機(jī)械等環(huán)境因素進(jìn)行分析。

4.1 溫度

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)可知溫度最低在渤海，溫度最高在南海。變流器在運(yùn)輸和儲存環(huán)節(jié)都避免不了溫度對其的影響，即使安裝在塔筒內(nèi)工作，環(huán)境也屬于簡易氣候防護(hù)場所（能夠避免陽光直曬和雨水）。溫度對變流器的影響包括低溫、高溫以及溫度變化，具體影響見表2。

4.2 濕度

海域的濕度取決于溫度、光照時間、風(fēng)速和波浪等諸多因素，但海上的相對濕度會明顯偏大，長期處于高的相對濕度環(huán)境。濕度往往是伴隨著多種環(huán)境因素同時存在的，且常作為“誘導(dǎo)劑”會引起如吸濕性塵效應(yīng)、霉菌滋生、腐蝕加速和加劇電化學(xué)反應(yīng)等。在我國南海地區(qū)，常出現(xiàn)高相對濕度同時伴隨高溫的情況。在這種環(huán)境中，水汽可能會通過滲透作用進(jìn)入IP54防護(hù)等級的柜體以及密封絕緣器件的內(nèi)部，最終導(dǎo)致其失效。低相對濕度的影響不在此敘述，濕度對變流器的影響僅考慮高濕度的危害和影響，見表3。

4.3 鹽霧

圖2 海上風(fēng)電變流器生命周期示意圖

表2 溫度對變流器的影響

海洋上的鹽霧主要來自海水的蒸發(fā)，以及海浪沖擊巖岸時飛濺的水沫成為霧狀而進(jìn)入大氣中。海洋中的鹽霧濃度與海水濃度、氣溫、風(fēng)向和風(fēng)速等均有關(guān)。海水的主要成分見表4，海水中主要成分就是NaCl，NaCl溶液為良好的電解液，其自身極易離解成Na+和Cl-，當(dāng)電解液滯留在絕緣體表面，會顯著降低絕緣體表面的絕緣電阻，流經(jīng)該污染絕緣體表面的泄露電流明顯增大，在絕緣體表面形成導(dǎo)電層，絕緣體兩端電極形成通路，產(chǎn)生拉弧放電。

在我國南海地區(qū)，常年的平均溫濕度都較大，還有高濃度的鹽霧環(huán)境，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備很容易發(fā)生腐蝕。鹽霧腐蝕破壞過程中起主要作用的是氯離子Cl-， Cl-半徑很小，只有1.81*10-10 m。它具有很強(qiáng)的穿透能力，容易穿透金屬氧化層和防護(hù)層進(jìn)入金屬內(nèi)部，破壞金屬的鈍態(tài)。海上環(huán)境往往是高溫高濕度伴隨著鹽霧存在，鹽霧會加速風(fēng)電設(shè)備的腐蝕，破壞產(chǎn)品涂鍍層、器件管腳腐蝕、PCBA銅皮腐蝕、接觸器觸點(diǎn)腐蝕等，給設(shè)備安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重后果，它們將導(dǎo)致電氣設(shè)備故障或損壞。鹽霧對產(chǎn)品的影響主要體現(xiàn)在腐蝕效應(yīng)、電效應(yīng)和物理效應(yīng)三個方面。因此，鹽霧對于沿海和海上的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備來說，是個必須重點(diǎn)考慮的因素。鹽霧對變流器影響見表5。

4.4 霉菌營養(yǎng)源。經(jīng)研究，霉菌的生長和繁殖需要一定的溫度和濕度，絕大多數(shù)霉菌繁殖和生長的最適宜溫度為22ˉ27 ℃，最適宜濕度95 %RHˉ100 %RH。

海上變流器外圍環(huán)境基本都屬于一個長期潮濕環(huán)境，容易受到霉菌生長的危害。如柜體的密封膠條、塑膠件、PCB板等都是屬于合成有機(jī)材料，很容易在這些部位滋生霉菌。霉菌對變流器的影響見表6。

4.5 機(jī)械

海上變流器產(chǎn)品耐受的機(jī)械應(yīng)力從港口或者碼頭安裝就開始了，在經(jīng)歷拆包后的吊裝、跌落，海運(yùn)過程中的振動和搖擺，到最后的海上塔基平臺進(jìn)行安裝，如圖3。在海上風(fēng)機(jī)塔筒中長期運(yùn)行后受到海浪和臺風(fēng)影響產(chǎn)生的振動或者地震應(yīng)力等，機(jī)械應(yīng)力對變流器的影響見表7。

5 總結(jié)

表3 濕度對變流器的影響

表4 海水主要成分

表5 鹽霧對變流器的影響

表6 霉菌對變流器的影響

霉菌屬于真菌中的一類，霉菌的產(chǎn)生必須要有菌種和存在促進(jìn)其生長能被吸收的營養(yǎng)。幾乎所有的含碳化合物和合成有機(jī)化合物都被霉菌用作

本文僅對海洋環(huán)境中變流器產(chǎn)品可遇的單一環(huán)境因素進(jìn)行分析和產(chǎn)品影響介紹，但實際上由于海上應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜多變，單一環(huán)境因素的影響分析還不能等效綜合環(huán)境因素作用于產(chǎn)品的影響。實際工程中環(huán)境因素對變流器的影響也絕不是單一，而是多種因素疊加的復(fù)合作用。這種復(fù)合作用效應(yīng)遠(yuǎn)高于單一環(huán)境因素的作用水平。如適宜的溫度和濕度易于霉菌繁殖生長，高溫和高濕環(huán)境還會加速腐蝕和氧化，大風(fēng)雨易于形成鹽霧環(huán)境，在高濕環(huán)境下溫度快速變化會凝露以及加深呼吸效應(yīng)等。因此，海洋環(huán)境對風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的影響具有疊加性、綜合性。對于海上風(fēng)電變流器的應(yīng)用環(huán)境還有待進(jìn)一步深入的研究。

圖3 海上風(fēng)電機(jī)組安裝

表7 機(jī)械應(yīng)力對變流器的影響

［1］汪學(xué)華.自然環(huán)境試驗技術(shù)［M］.北京：航空工業(yè)出版社， 2003.

［2］ 力學(xué)環(huán)境試驗技術(shù) 編委委員會.力學(xué)試驗技術(shù)［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社， 2003.

［3］李嬋，黃海軍，王俊，揭敢新，黃開云，宋曉萍.風(fēng)力發(fā)電設(shè)備在我國不同氣候條件下環(huán)境適應(yīng)性分析［J］.環(huán)境技術(shù)， 2013（2）.

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余建宏（1984.10-），男，工程師，在艾默生網(wǎng)絡(luò)能源從事7年電力電子產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性與可靠性設(shè)計和試驗研究。

Analysis of Application Environment Factors for Offshore Wind Power Converter

YU Jian-hong
（Emerson Network Power（Xi’an）Co.， Ltd.， Xi’an 710075）

In order to clearly understand the offshore wind power converter application environment， this paper expounds the difficulties of offshore wind power and the environmental factors of the life cycle，and then analyzes the harm and influence of the main environmental factors to the wind power converter，so that the developers are able to early identify the offshore wind power converter for environment stress and make corresponding design.

offshore application； wind power converter； environment factor

X828

A

1004-7204（2016）03-0051-05