海上风机发展趋势分析

海上风机发展趋势分析

1海上风电机组的发展历程

在90 年代， Bonus 的 450kW和 Vestas 的 500kW、 550kW、 600kW风电机组曾经在早期的

近海风电场应用， 2000 年以后就没有安装过 2MW以下的海上风电机组。

2001 年以后， Vestas 公司的 2MW和 3MW双馈式海上风电机组在欧洲海上风电场大批量应用，是经受住考验的成熟机型。 Vestas 公司的海上风电机组装机容量约占全球海上风电机组的 35% 左右；同样，西门子公司的 2.3MW和 3.6MW（高速齿轮箱 +异步感应式发电机 +全功率变流器）海

上风电机组也连续十一年在海上风电场大批量应用，是经受住考验的成熟机型，也是目前海上

风电场的主流机型。西门子公司的海上风电机组装机容量约占全球海上风电机组的50%以上。

2008 年以后，德国Repower 公司研制的5MW双馈式异步风电机组已经成功应用于海上风电场，

是传统双馈式风电机组大型化的典范。目前在爱尔兰、比利时和德国海上风电场安装运行。

该机组风轮直径126 米，轮毂高度120 米，额定功率5MW,已经安装使用39 台。在其基础上扩容

的REpower

6M也已经安装了 3 台。

近年来，德国BARD公司推出了5MW海上风电机组，风轮直径122 米，机舱部分重达425叶片长度为60 米， 28.5 吨。由德国Areodyn 公司设计，属于双馈式风电机组大型化的又一个范例。轮毂重量( 包括轴承座和其他附加设备) 70吨。机舱(包括发电机，但不包括叶片和轮毂280 吨。吨，)

德国Multibrid BARD 公司

半直驱型

5MW海上风电机组已经在海上风电场安装18 台，共

5MW风电机组也已在海上风电场投入运行，安装数量超

过

90MW；法 - 德合资的Areva

10 台。该机组额定功率:

5 MW；风轮直径 :116m。机组采用集成化设计：将风力机的主轴、齿轮箱、高速轴和发电机集成在一

起，以减少重量，从而降低成本。传动链为：风轮+单级齿轮箱（ 1：9.92)+ 多级永磁发电机。系统采用折中方案，兼顾了双馈式风电机组和直驱式风电机组的优点，折中考虑了性能与价格的关系。

此外， 2003 年 GEwind 公司的 3.6MW双馈式海上风电机组也已在海上风电场投入运行，安装数量

7 台；芬兰 Winwind 公司生产的 3MW半直驱海上风电机组也于 2009 年在海上风电场投入运行，安装数量10 台。但是后来这两个产品都没有继续进入海上风电场，说明它们的性能还不能适应海上风电

场的恶劣环境。

2010 年以后，中国华锐公司生产的3MW半直驱海上风电机组也已在海上风电场投入运行，目前

在海上风电场的安装数量超过50 台。

2011 年，中国上海电气风能公司生产的 3.6 MW 海上风电机组也有一台在海上风电场投入运行，

效果良好。

表1、各国海上风电机组在市场中的累计装机容量及所占比例

国家英国丹麦荷兰中国德国比利时瑞典爱尔兰挪威葡萄

牙

累计装2107.6 835.85246.8209.9198.3195163.6525.2 2.32机容量

（MW）

比例 52.8720.97 6.19 5.27 4.97 4.89 4.110.630.060.05（%）

表 2、各种 2MW以上海上风电机组在市场中的比例

序号产品型号2011 年安装容量2011 年市场份额2011 年累计安2011 年底累计市

（ MW）(%)

装容量 (MW)场份额1西门子 2.3MW48.310.28814.220.42

2西门子 3.6MW18038.311173.629.44 3Vestas2MW20.4341610.43 4Vestas3MW0095423.93 5Repower5MW15031.92210 5.27 6Areva(Multibrid00300.75 )5MW

7Bard 公司 5MW30 6.3890 2.26 8中国华锐 3MW5110.85153 4.7

9Winwind公司3MW00300.75

10上海电气 3.6MW 3.60.773,60.09

从表 2 看出：西门子、 Vestas 和 Repower 三家公司的产品占 2011 年底全球累计海上风电市场份额的89.5%; 占 2011 年全球新增海上风电市场份额的 81%。 Repower5MW占 2011 年全球新增海上风电市场份额的31.92%, 仅次于西门子3.6MW（38.31%）。表明目前5MW以上大功率海上风电机组有明显增长的趋势。

2欧美重点企业新研制海上大功率风电机组的技术特点；

2.1 丹麦 Vestas 公司的海上风电机组；

面向未来，该公司正在研制164-7.0MWVestas7MW半直驱新型海上风电机组。该机组采用了一个

中速齿轮箱、永磁发动机和全功率变流器。随着164-7.0MW Vestas引进设计选择将推动业主的海上

风电收益率到一个新的水平。该机组能量捕获的最大化，不仅是因为有164 米直径的巨大风轮，还因

为优化了风轮与发电机的比例。由于采用较少数量的大型风力机而减少了运行和管理的成本。减少了

投资风险的规模，因为较少数量的风力机也意味着较少的基础和电缆。由于164-7.0MWVestas的结构设计寿命是25 年，产业标准突出，因而使投资商的投资回报实现最大化。这会给业主一个更长的发电

期限，并增加业主的商业效益。设计理念是：可靠性高、可预测、保障寿命期性能。尽可能减少维修

次数，需要维修时，要做到安全、快捷和低成本。

2.2 德国西门子公司的海上风电机组；

作为世界海上风电领域的领军者，西门子2010 年在上海建立了风机叶片制造基地，2011 年赢得中国首个海上风电订单，同年10 月，西门子风力发电集团亚太区总部落户上海。西门子将为中国带

来先进的风电机组技术、国际化项目管理以及海上风电领域的运行经验。

面向未来，该公司正在研制SWT-6.0-154 直驱式新型海上风电机组。该机组风轮直径154 米，风轮轴后倾6o。机组额定功率为6MW,风轮直接驱动永磁发电机，结构紧凑，塔架上部重量为仅360吨。该机组主要特点如下：

1)量子（力学）叶片独特的设计和制造程序，采用一体化叶片，为获得最大的强度，实行一体化浇注。

为中高速风况优化气动特性，为更高的输出能量而增长了叶片长度。为使根部泄漏最小化并增

加升力而设计了叶片根部

2）直驱发电机永磁设计。全封闭、容易接近、轻重量设计；在可靠性和效率之间优化设计。与带齿轮箱的风

电机组比，整机零件数量减少50%

3）机舱坚固轻重量结构。进行了宽敞、人体工程学设计，并具有最大的服务能力。

4）冷却系统设计了简单、坚固流畅连接的水冷系统；顶部安装的被动冷却散热器，高效的两级冷却保证良

好的效果。

?

2.3 西班牙 Gamesa公司的 G128 型 4.5MW海上风电机组 ;

西班牙 Gamesa公司研制出风轮直径128 米、轮毂高度120 米的

G128 型 4.5MW高速传动永磁风电机组，机头重量 250 吨，属于半直驱永磁风电机组大型化的一个范例，

该机组采用两段式（碳纤维）叶片；混合式塔筒（混凝土＋钢），减少投资；内置吊车，便于安

装和拆卸部件；该机组采用一个两级传动的行星齿轮箱、永磁发电机和全功率变流器：该变流器由

6 个并联的770kW变流器（ IGBT）组成，提高了可靠性。该机组已有两台安装到现场。

2.4美国 GE公司的海上风电机组 ;

美国 GE公司研制的 GE4.1-113 型直驱式海上风电机组，风轮直径113 米，额定功率 4.1MW,采用永磁发动机，是美国GE风能公司首次研制的大型直驱式海上风电机组。

2.5 德国 Enercon 公司的 7MW直驱励磁风电机组

德国 Enercon 公司安装在比利时11 台新一代 E-126 直驱风电机组 , 风轮直径 127 米，采用了 1600吨的履带吊安装。单机容量为7MW；采用 2 段式叶片，便于运输和现场组装；轮毂高度198 米，采用混合式塔筒－钢制顶段，其余由混凝土建造，塔底直径为14.5 米。该机组采用“蛋形”机舱；新型叶片设计，与机舱罩和导流罩有机融合，使气流均匀地通过机舱，减少湍流和扰流，提高发电量；叶片

采用了“小翼”叶尖，可以在风轮平面内抑制生成扰流和旋涡，从而降低噪声，提高发电量；叶片法

兰直径大，采用双列螺栓连接。该机组采用励磁发电机，是德国Enercon公司近年来研制的最大型直驱式风电机组。 6MW直驱励磁风电机组已经安装 3 台，其前身 6MW直驱励磁风电机组已经安装9 台，总安装两量为 11 台。

但是，到目前为止，这种机型还没有在海上风电场安装。

2.6 远景能源拟开发两叶片

3.6MW直驱永磁海上风电机组

远景能源公司正在设计E128 型 3.6MW双叶片风轮直驱式海上风电机组。风轮直径128 米，由两个叶片组成。叶片总长度为62 米，叶片由根部定桨距部分和叶身变桨距部分两部分组成，号称部分变桨

叶片。一部分是根部长度20 米的定桨距叶片，一部分是外部长度42米的变桨距叶片。双叶片风轮可通过海上运输船直接整体运输，而且风轮总成可以一次吊装就位，因而节省安装时间和成本。风

轮叶片的定桨距部分在25 米 / 秒— 30 米 / 秒风速范围内仍可工作。

2.7法国阿尔斯通公司开发了阿尔斯通(Alstom)Haliade150型直驱式海上风电机组，额定功率为

6MW。采用液压冷却的永磁发电机。变流器置于塔架底部空间内。叶片长度为73.5 米，没有使用碳

纤维，叶片的表面由聚氨酯腹膜覆盖，叶片的迎风边做了抗腐蚀保护性处理。

2.8 德国 Nordex 公司正在研制6MW 直驱式海上风电机组

根据德国 Nordex 公司的计划，风轮直径150 米的 N150/6000 风电机组样机将于2012 在陆地上安装， 2013 年在海上安装，并于2014 年投入批量生产。

表： 3 欧美重点企业正在研制的海上大功率风电机组

序号公司名称型号功率（ MW）技术组合所处研发阶段

1Vestas164-7.0MW7中速齿轮箱 +永磁发电机 +全设计研制

功率变流器

2西门子SWT-6.0-1546直驱永磁式风电机组+全功样机试验

率变流器

3Gamesa G128-4.5MW 4.5中速齿轮箱 +永磁发电机 +全样机试验

功率变流器

4GE wind GE4.1-113 4.1直驱永磁式风电机组+全功样机研制

率变流器

5Enercon E-1267直驱励磁式风电机组+全功产品试验

率变流器

6远景能源E-128 3.6直驱永磁式风电机组+全功设计

率变流器

7阿尔斯通Haliade1506永磁式风电机组+全功率变设计研制

流器

8Nordex N150/60006直驱式风电机组+全功率变样机制造

流器

+全从表 3 看出：欧美重点企业面向未来开发的海上风电机组大多数部采用了直驱永磁风电机组

功率变流器的技术组合。部分企业采用了中速齿轮箱+永磁风电机组 +全功率变流器的技术组合。

3我国海上大功率风电机组设计、制造、研发的现状；

3.1 华锐风电大型海上风电机组研发现状

华锐风电 6MW海上风电机组已经于 2011 年 10 月下线。华锐风电 SL6000 系列风力发电机组是目

前中国第一台自主研发、拥有完全自主知识产权的电网友好型风电机组。可以广泛应用于陆地、海

上、潮间带各种环境和不同风资源条件的风电场。该机组风轮直径长达128 米，增加了扫风面积，提升了捕风能力，大大提高了风资源的有效利用率；同时可适应于-45 摄氏度的极限温度，并通过

了 62.5 米 / 秒的极限风速测试。

SL6000 采用平行轴齿轮传动和鼠笼异步电机技术，保证机组的高可靠性和经济性；通过全功率中

压变频技术，使之具有优越的并网特性，电网适应能力强；此外，卓越的低电压穿越能力，可以满足

各国电网导则的严苛要求；CMS 在线状态监测系统实时监测机组主轴承、齿轮箱、发电机运行状态，

实现故障预诊断；特殊的防腐系统，满足了海上高盐雾和高腐蚀的运行环境；SL6000 机组具有大部件自维修系统，使整台风机无需外部吊车即可对齿轮箱、发电机、叶片等核心部件进行更换，从而有效

降低吊装维护成本和维护时间，提高机组可利用率。目前，6MW机组已经吊装完毕，正在处于调试和试运行阶段。

华锐的 17 台 6MW海上风电机组已于2011 年 12 月中标上海临港海上风电场一期示范项目，将于近年投入商业运行。这将是6MW海上风电机组在全球范围内的首次大规模应用。

3.2 金风科技海上风电机组研发现状

2010 年，装机容量40 万千瓦的金风科技 2.5MW海上风电机组已经中标江苏潮间带风电场。面向

未来，金风科技正在研制6MW直驱永磁式海上风电机组，风轮直径126 米，轮毂高度约100

米，采用永磁同步风电机和全功率变流技术。目前已经完成整体设计和零部件试制，样机将于2012年 6 月在江苏大丰海上风电基地下线。

3.3 东方汽轮机在研制 5.5MW海上风电机组，预计2012 年下线。

3.4 湘潭风电海上风电机组研发现状

湘电风能 5 兆瓦风电机组项目整合了欧洲海上风电项目开发经验，采用的永磁直驱海上风力发电

机攻克了海上风力发电机组整机集成技术、专有单主轴承同步永磁发电机设计技术、海上风力发电机

组冷却系统及防腐防潮设计技术、大功率高叶尖线速度的复合材料叶片等难关，与欧洲已在试运行的

几种同功率等级的风电机组比较，具有结构简单、紧凑、运行可靠、单位功率对应质量最轻、便于维

护等显著特点。并与欧洲资深海上风电运营商共同打造风机的基础设计及方便快捷的吊装方案。

目前，湘电风能已形成XD115/128 等一系列 5 兆瓦风电机组，包括陆地、海上、潮间带系列机型，最长叶轮直径达128 米，大大提高了风资源的有效利用率，是技术领先的电网友好型风电机组，具有

单机功率大、风能利用效率高、经济效益好等优点。

3.5 中船重庆海装海上风电机组研发现状

海装风电自主研发的 5.0 兆瓦海上风电机组为变桨变速功率调节、三叶片、上风向、水平轴、高速永磁式并网型风力发电设备，具有技术先进性、高可靠性、可维护性好、电网适应性好等特征，

具有低电压穿越能力，采用标准化、系列化、模块化设计，可对风机输出功率进行在线设置。海装公

司瞄准国际前沿技术，攻克难关自主研发，拥有全部知识产权。

2012 年 7 月 27 日海装风电自主研发的 5.0 兆瓦海上风电机组在重庆海装风电总装基地成功下线。该机组采用全功率变流器、机舱全封闭结构+内部空空冷循环系统。机头结构紧凑，重量比同级

别风电机组轻15%。

3.6 上海电气海上风电机组研发现状

上海电气 3.6MW双馈式海上风电机组已经研制成功，并完成安装调试，正在试运行阶段。

3.6MW海上风机风轮直径达116 米，采用变速变桨恒频控制，结构紧凑。上海电气 3.6MW海上风电机组于2010 年 8 月 17 日在位于临港的试验风电场中，顺利实现自动并网。截至目前，这台机组

始终保持理想的运行状况：18 日发电功率达到2700 千瓦； 19 日 17 时 30 分，风速达到每秒11 米以上，机组经受了22 分钟的满发测试，功率、温度、振动等指标均正常。

上海电气始终致力于新能源事业的发展，是我国海上风电领先企业之一。上海电气风电设备有

限公司经过 6 年努力，已成为中国第一家同时拥有陆上、潮间带和海上风电机组业绩的企业，先后

中标国家海上风电首轮特许权招标以及东海大桥海上风电场二期（扩建）工程设备招标。

3.7 中国株洲南车

2010 年，中国南车正在研发 5 兆瓦WT5000海上风电机组，该型风机采用先进的独立变桨技术

（ IPC），并针对海上风电的特殊风况进行了多项优化设计。

WT5000 型风机型同样具备优越的电网适应能力和完全的低电压穿越功能，该型风机目前已经完

成了主要部件及系统设计，预计于2012 年下线。

3.8 国电联合动力 6 兆瓦风电机组下线

月

由国电联合动力技术有限公司研发的具有完全自主知识产权的6MW海上风电机组于2011 年 12 25 日在连云港生产基地成功下线。该6MW机组是国电联合动力技术有限公司在消化吸收 1.5MW、

2MW和 3MW技术及公司 3000 多台风电机组成功运行的基础上，自主设计研发的变速变桨恒频双馈

海上风力发电机组。

该6MW风力发电机组采用外齿圈偏航轴承、大型双列圆锥主轴承，以及短主轴的紧凑结构形式，大

大减轻了机组的重量；具有独自变桨功能的控制系统，有效降低了大兆瓦风机承受的不均匀载荷；同时还

具备低电压穿越能力及动态功率调节功能，使机组具备良好的电网适应性。该机型为海上风电

场设计，亦可广泛应用于陆地及潮间带环境和不同风资源条件的风场。6MW机组可谓庞然大物，其轮毂中心高95 米，主机舱重量约230 吨，尤其值得一提的是其风轮扫掠面积为14519 平方米，相当于两个标准足球场，大大提高了捕风发电能力。

同时下线的还有与自主研发生产的 6 兆瓦风电机组配套的叶片。6MW叶片长度为66.5 米，是目前国内自主设计和生产的最长的风力发电机组叶片。该叶片生产采用真空灌注的制作工艺，生产效率

高；使用高强、高模的碳纤维复合材料，有效降低了重量，进而降低了机组的载荷，性能稳定。

3.910MW海上风电机组已经列入国家863 项目

由金风科技、华锐风电和联合动力竞争开发的10MW海上风电机组已经列入国家863 的技

术路线如下：金风科技采用永磁直驱全功率变流技术，华锐风电采用齿轮箱驱动全功率变流技术，

联合动力采用超导技术。直驱永磁式风电机组制造成本略高于双馈式风电机组，但其维护成本低，

而且发电效率可比双馈式风电机组高 5%左右。

项目。三家表： 4 我国重点企业正在研制的海上大功率风电机组

序号公司名称型号功率（MW）1华锐风电SL60006技术组合高

速齿轮箱流

器

+双馈发电机+变

所处研发阶段

产品试验

2金风科技SWT-6.0-1546直驱永磁式风电机组

率变流器

+全功样机试验

3东方气轮 5.5高速齿轮箱 +双馈发电机 +变样机试验机流器

4湘潭电机XD115/1285直驱永磁式风电机组+全功样机研制

率变流器

5海装风电5高速永磁式风电机组+全功产品试验

率变流器

6上海电气 3.6高速齿轮箱 +双馈发电机 +变产品试验

流器

7中国南车WT50005待核实设计研制

8国电联合GD60006高速齿轮箱 +双馈发电机 +变样机下线

流器

从表 4 看出：我国重点企业面向未来开发的海上风电机组有一半企业采用了高速齿轮箱+双馈发

电机 +变流器的技术组合，部分企业采用了直驱永磁式风电机组+全功率变流器的技术组合，也有企

业采用了高速齿轮箱+永磁式风电机组+全功率变流器的技术组合。

4结论

1、2011 年-2020 年， 3.6MW-6MW海上风电机组将成为海上风电场的主流机型，小批量7MW-10MW 风电机组将进入海上风电场；2021 年-2030 年， 10MW-15MW海上风电机组将成为海上风电场的主流机

型，小批量16MW-20MW风电机组将进入海上风电场。

2、目前，海上风电机组的主流技术类型是高速齿轮箱+双馈式发电机组成的风电机组；少量低

速齿轮箱 +中速永磁式发电机组成的风电机组已经进入海上风电场。直驱永磁式风电机组仅在潮间带

风电场有少量试用。

3、将来，海上风电机组的主流技术类型将是直驱永磁式风电机组、低速齿轮箱+中速永磁式发

电机组成的风电机组，少量高速齿轮箱+永磁式发电机组成的风电机组也将进入海上风电场。上述风

电机组都将配备全功率变流器。总之，配备全功率变流器的各类大型风电机组将成为未来海上风电

场的主流机型。2020 年以后，高速齿轮箱+双馈式发电机组成的风电机组将逐步淡出海上风电场的

市场。

4、2015 年以后，单机功率6MW以上的海上风电机组技术成熟、进入大批量生产销售时期；同时，

全球海上风电场建设进入快速发展新阶段。2020 年前后，人们所预期的海上风电起飞时代随之到来。