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风电知识 | 浅析水平轴风力发电机组的技术发展趋向
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颁布功夫：2025-02-12 11:20:45人气：
在能源和环境双沉；木薮笱沽ο，基于无传染、可再生的风能而发展起来的风力发电成为世界列国积极提倡和支持的战术性新兴产业。出格是在最近十几年的功夫里，并网型风力发电机组（以下简称机组）得到了大规模的开发和利用。在全球风电装机容量逐年递增的大海潮中，风力发电在我国电力系统中的比沉也呈逐年增长的趋向，据统计，2013 年我国风电发电量达1349 亿千瓦时，占整年国内发电总量的2.63%（如图1 所示），仅次于火电和水电，自2012 年以来持续维持我国第三大电源的职位。
在目前的并网型机组中，水平轴风电机组占据着主导职位。从早期的定桨距恒速恒频到此刻普遍利用的变桨距变速恒频，风电机组技术经历了从第一代到第二代的改革。目前，水平轴机组的重要代表是双馈型机组（带增速齿轮箱的）和直驱型机组（不带增速齿轮箱），这两类机组在2011 年我国新增风电机组中的总占有率高达97% 以上，其余还有以半直驱、混合驱动或紧凑型为代表的中速全功率变流机组，以选取高速同步发电机和高速笼型异步发电机为代表的高速全功率变流机组等。常见的水平轴机组可按发电机的分歧转速领域分类，如图2 所示。
1. 从“恒速”到“变速”的刷新
直到20 世纪90 年代末，恒速机组的概想依然摆布着市场，约30% 的现着实运的机组都属于这类机型[3]。国内利用最宽泛的恒速机组为恒速恒频笼型异步发电机系统，该系统的结构单一靠得住、成本低，但由于桨叶不成调节，无法跟踪最大Cp 值，所以对风能的利用并不充分。
为了钻营风能的最大化利用，变桨技术得到发展，并在电力电子技术的援手下使机组实现了“变速”运行，从而提高了机组的年发电量（AEP）。同时，先进的电力电子技术的利用极大地改善了风力发电系统的运行和节造机能，提升了电网中风电的穿透率。因而，水平轴机组从第一代“定桨距恒速恒频”机组过度到了第二代“变桨距变速恒频”机组。目前新增的机组险些都属于第二代。
2. “双馈”与“直驱”的较量
双馈机组，选取增速齿轮箱与绕线式转子异步发电机，其变流器的容量约占发电机功率的30%-40%，因而也叫部门功率变流机组。由于技术成熟度高、成本低，目前双馈机组的市场占有率最大，且在将来若干年里仍将占据市场主流职位。但是，随着机组单机容量的增大，齿轮箱高速级传动部件的故障问题日益凸起，加之目前双馈异步发电机存在集电环碳刷磨损问题，必要定期守护，在海优势电利用中显露出劣势。因而，不带齿轮箱和集电环的直驱机组技术得到了急剧发展。
直驱机组，选取低速永磁或电励磁同步发电机和全功率变流器，发电机的输入端直接与机组主轴和轮毂相连， 简化了机舱结构， 解除了增速齿轮箱和集电环的故障风险，削减了守护。但是，直驱机组低功率密度设计造成体积和沉量的大幅增长，运输吊装难题，使得发电机的吊装守护成本很高。随着机组单机容量的增大，直驱机组成本和沉量上升出格快，且同步发电机的气隙极度幼，节造难度相当高。
凭据2012 年全国风电设备运行质量调查对在运机组的统计，与2011 年相比，双馈机组的比例在降低，而直驱机组的比例在增长，其他机组的比例略有增长（如图3所示）。另表，由于技术的逐步成熟，双馈机组的故障率显著降低，与直驱机组的故障率水平相当，而直驱机组的故障率却略有升高（如图4 所示）。
通常地，直驱机组的采购成本比双馈机组高。但是，在目前的海优势电建设中，机组成本占项目总成本的比沉比陆优势电低好多。因而，若从全寿命周期的运维成本思考，直驱比双馈将更适合于海优势电。
但到目前为止，双馈与直驱都各有优弊端。由于所站的态度分歧，行业内各方的概想没法齐全统一，加之不足有关统计数据，很难正确且定量地对两者的优势进行全面而公正的对比分析。但能够注定的是，机组技术的成熟性、质量的不变性和靠得住性、实时且低成本的维建与守护将是市场选择最沉要的尺度。
3. 各类“全功率变流”技术争相发展
相对于双馈部门功率变流机组而言，全功率变流技术使机组在更宽的转速领域内运行，因而提升了机组的发电量。据有关资料显示，2MW 高速永磁机组选取高速永磁全功率变流技术，年发电量比双馈机组要高5% 左右。直驱机组就是典型的全功率变流机组，但是随着单机容量的增长，直驱机组沉量增长出格显著（如表1 所示），由此带来成本、运输、吊装、维建等一些列的问题，因而出现了各类带齿轮箱的全功率变流机组。
常见的全功率变流机组除直驱以表，还有半直驱、混合驱动或紧凑型等中速永磁机组，高速永磁机组，以及选取高速笼型异步发电机的全功率变流机组。从某种意思上讲，他们都是直驱和双馈机组的折中规划。由于他们既保留了直驱的全功率变流技术，缩减了直驱发电机的沉量和尺寸，又借鉴了双馈的增速齿轮传动，提高了机组的综合效能。通过折中之后，齿轮箱和发电机两大部件在沉量上都将得到显著的降低。
目前，除直驱以表，上述各类全功率变流技术在国内尚未大规模批量化利用，出格是半直驱技术。据悉， 价值昂贵是目前半直驱技术大规模推广利用的重要阻碍，但通过集成化设计及规；霾，其竞争力将越来越强。例如，Winergy 公司近年来推出的HybridDrive 混合驱动技术，通过选取齿轮箱与发电机集成设计，传动链沉量实现了最幼化，传动链的长度也可缩短35% ～ 50%[12]。此表，齿轮箱和发电机两大部件选取独立拆卸的结构设计，出格适合于海优势电的守护需要。因而，在传动系统当选取集成化设计和紧凑型结构被以为是将来特大型风电机组的发展趋向。
4. “同步级并网”的提出
能够说，由于提升了电网中风电的穿透水平，电力电子技术催生了现代风电产业的繁华。但是，由于风电与生俱来的不不变性和可调控性差等弊端，在其电网穿透率不休提升的过程中，对电网的安全不变运行也造成了极大的隐患。出格是近几年，由于低电压穿越能力的普遍缺失、风场无功节造不到位等方面的问题，以至机组大规模脱网变乱频发。并且，机组因低电压脱网后往往导致系统无功过剩，进而又引发高电压脱网等次滋变乱。
对此，国度目前采取的解决法子是对现有机组进行低电压穿越能力的技术刷新，并为每台机组增设无功赔偿装置。截止2013 年9 月，国度风电技术与监测钻研中心对全国247 个风电场进行了低电压穿越能力技术刷新的抽检，最终98%的机组都获得通过。但据相识，仅双馈机组因低电压穿越技术刷新而破费的成本就逾百亿，将来若再进行高电压穿越技术刷新，用度更是不菲。
另一方面，通过选取全功率变流技术提升了机组的低电压穿越机能，但即便如此，其对电网的支持能力仍远逊于通例发电机组。与电力系统中大量使用的火力或水力同步发电机组相比，双馈和直驱等主流机组的暂态过载能力较弱，在电网产生故障时虽能实现穿越，却难以构筑“倔强”的电力系统。
为解决以上问题，国表效仿通例火力发电机组选取同步发电机直接并网的方式，首先提出了“同步级并网”风电机组的概想。由于发电机自身就能发出电网所需的无功功率，因而不必要增设无功赔偿装置，省去了技术刷新的用度。而要实现这种概想需对机组传动系统进行恒速设计，使同步发电机始终恒速运行，发出频率和电压与电网一致的电，而后直接并网。所以，该技术的另一个益处是省去了价值昂贵且国产化依然不及的变流器。
目前， 国表已成功推出WinDrive 液力调速装置， 实现了机组传动链的恒速输出，国内也有大量文章对该装置进行了分析和钻研。但是，WinDrive 系统设计较为复杂，技术难度大，国内尚无企业把握该技术。并且，变矩器内部工作油的压力很高，因而有人质疑其在持久运行过程中存在密封失效的风险，进而导致其使用成本很高。除此之表，类似的设计还有Windtec 公司提出了超等油泵油马达差动齿轮组合调速装置的道理模型，SET 公司提出了用变频电机与差动齿轮组合调速的道理模型，其主张都是为了实现传动链的恒速输出。近年，国内清华大学电机工程系研发出了一种新型恒速输出装置——变频调速电磁耦合器，并在一款1.5MW 机组样机上成功得到了利用。其必要建设的调速变频器的容量仅为机组额定功率的15%左右，比双馈机组用的变频器还要幼。经过理论分析，耦合器额定运行时的效能能达到98% 左右，可实现比力高效的传动。由于选取过电磁耦合实现输入输出轴的非接触式衔接，解除了传动系统的冲击载荷，出格适合利用在机组传动链中。目前，这种技术在结构和沉量上都还有进一步优化的空间，但是并不影响其潜在的竞争优势，从长远分析，这种新型传动技术将有望引领“同步级并网”技术的发展方向。
5. 总结
风力发电作为战术性新兴产业，与通例的火力及水力发电比力，技术还不是很成熟。加之风能的随机性和可控性相对较差，其技术难度比通例发电系统更高。风力发电机组固然已大规模利用了十几年的功夫，但仍必要更多的功夫来检验其靠得住性，并为风电机组技术的逐步美满堆集经验，出格是对那些刚推出的尚不足现实利用经验的新技术更是如此。
作为目前并网型风电机组的主流机型，水平轴机组的技术发展情况直接决定了将来风电产业的发展。纵观水平轴机组的发展过程，新技术的出现和利用根基都是为了提高机组发电量、降低机组沉量和成本、提升系统运行靠得住性和电网安全机能等主张。且随着风电在电网中所占比例的不休提升，机组系统设计将更多地思考电网敦睦性和安全性要求。若是说水平轴机组的第一次技术刷新实现了风力发电机组“量”的提升——即风能的最大化利用和电网穿透率的提升，那么，其第二次技术刷新将是对机组“质”的提升——即做到真正意思上的电网敦睦和安全运行。由于只有这样，风电才会发展地更好。
在目前的并网型机组中，水平轴风电机组占据着主导职位。从早期的定桨距恒速恒频到此刻普遍利用的变桨距变速恒频，风电机组技术经历了从第一代到第二代的改革。目前，水平轴机组的重要代表是双馈型机组（带增速齿轮箱的）和直驱型机组（不带增速齿轮箱），这两类机组在2011 年我国新增风电机组中的总占有率高达97% 以上，其余还有以半直驱、混合驱动或紧凑型为代表的中速全功率变流机组，以选取高速同步发电机和高速笼型异步发电机为代表的高速全功率变流机组等。常见的水平轴机组可按发电机的分歧转速领域分类，如图2 所示。
1. 从“恒速”到“变速”的刷新
直到20 世纪90 年代末，恒速机组的概想依然摆布着市场，约30% 的现着实运的机组都属于这类机型[3]。国内利用最宽泛的恒速机组为恒速恒频笼型异步发电机系统，该系统的结构单一靠得住、成本低，但由于桨叶不成调节，无法跟踪最大Cp 值，所以对风能的利用并不充分。
为了钻营风能的最大化利用，变桨技术得到发展，并在电力电子技术的援手下使机组实现了“变速”运行，从而提高了机组的年发电量（AEP）。同时，先进的电力电子技术的利用极大地改善了风力发电系统的运行和节造机能，提升了电网中风电的穿透率。因而，水平轴机组从第一代“定桨距恒速恒频”机组过度到了第二代“变桨距变速恒频”机组。目前新增的机组险些都属于第二代。
2. “双馈”与“直驱”的较量
双馈机组，选取增速齿轮箱与绕线式转子异步发电机，其变流器的容量约占发电机功率的30%-40%，因而也叫部门功率变流机组。由于技术成熟度高、成本低，目前双馈机组的市场占有率最大，且在将来若干年里仍将占据市场主流职位。但是，随着机组单机容量的增大，齿轮箱高速级传动部件的故障问题日益凸起，加之目前双馈异步发电机存在集电环碳刷磨损问题，必要定期守护，在海优势电利用中显露出劣势。因而，不带齿轮箱和集电环的直驱机组技术得到了急剧发展。
直驱机组，选取低速永磁或电励磁同步发电机和全功率变流器，发电机的输入端直接与机组主轴和轮毂相连， 简化了机舱结构， 解除了增速齿轮箱和集电环的故障风险，削减了守护。但是，直驱机组低功率密度设计造成体积和沉量的大幅增长，运输吊装难题，使得发电机的吊装守护成本很高。随着机组单机容量的增大，直驱机组成本和沉量上升出格快，且同步发电机的气隙极度幼，节造难度相当高。
凭据2012 年全国风电设备运行质量调查对在运机组的统计，与2011 年相比，双馈机组的比例在降低，而直驱机组的比例在增长，其他机组的比例略有增长（如图3所示）。另表，由于技术的逐步成熟，双馈机组的故障率显著降低，与直驱机组的故障率水平相当，而直驱机组的故障率却略有升高（如图4 所示）。
通常地，直驱机组的采购成本比双馈机组高。但是，在目前的海优势电建设中，机组成本占项目总成本的比沉比陆优势电低好多。因而，若从全寿命周期的运维成本思考，直驱比双馈将更适合于海优势电。
但到目前为止，双馈与直驱都各有优弊端。由于所站的态度分歧，行业内各方的概想没法齐全统一，加之不足有关统计数据，很难正确且定量地对两者的优势进行全面而公正的对比分析。但能够注定的是，机组技术的成熟性、质量的不变性和靠得住性、实时且低成本的维建与守护将是市场选择最沉要的尺度。
3. 各类“全功率变流”技术争相发展
相对于双馈部门功率变流机组而言，全功率变流技术使机组在更宽的转速领域内运行，因而提升了机组的发电量。据有关资料显示，2MW 高速永磁机组选取高速永磁全功率变流技术，年发电量比双馈机组要高5% 左右。直驱机组就是典型的全功率变流机组，但是随着单机容量的增长，直驱机组沉量增长出格显著（如表1 所示），由此带来成本、运输、吊装、维建等一些列的问题，因而出现了各类带齿轮箱的全功率变流机组。
常见的全功率变流机组除直驱以表，还有半直驱、混合驱动或紧凑型等中速永磁机组，高速永磁机组，以及选取高速笼型异步发电机的全功率变流机组。从某种意思上讲，他们都是直驱和双馈机组的折中规划。由于他们既保留了直驱的全功率变流技术，缩减了直驱发电机的沉量和尺寸，又借鉴了双馈的增速齿轮传动，提高了机组的综合效能。通过折中之后，齿轮箱和发电机两大部件在沉量上都将得到显著的降低。
目前，除直驱以表，上述各类全功率变流技术在国内尚未大规模批量化利用，出格是半直驱技术。据悉， 价值昂贵是目前半直驱技术大规模推广利用的重要阻碍，但通过集成化设计及规；霾，其竞争力将越来越强。例如，Winergy 公司近年来推出的HybridDrive 混合驱动技术，通过选取齿轮箱与发电机集成设计，传动链沉量实现了最幼化，传动链的长度也可缩短35% ～ 50%[12]。此表，齿轮箱和发电机两大部件选取独立拆卸的结构设计，出格适合于海优势电的守护需要。因而，在传动系统当选取集成化设计和紧凑型结构被以为是将来特大型风电机组的发展趋向。
4. “同步级并网”的提出
能够说，由于提升了电网中风电的穿透水平，电力电子技术催生了现代风电产业的繁华。但是，由于风电与生俱来的不不变性和可调控性差等弊端，在其电网穿透率不休提升的过程中，对电网的安全不变运行也造成了极大的隐患。出格是近几年，由于低电压穿越能力的普遍缺失、风场无功节造不到位等方面的问题，以至机组大规模脱网变乱频发。并且，机组因低电压脱网后往往导致系统无功过剩，进而又引发高电压脱网等次滋变乱。
对此，国度目前采取的解决法子是对现有机组进行低电压穿越能力的技术刷新，并为每台机组增设无功赔偿装置。截止2013 年9 月，国度风电技术与监测钻研中心对全国247 个风电场进行了低电压穿越能力技术刷新的抽检，最终98%的机组都获得通过。但据相识，仅双馈机组因低电压穿越技术刷新而破费的成本就逾百亿，将来若再进行高电压穿越技术刷新，用度更是不菲。
另一方面，通过选取全功率变流技术提升了机组的低电压穿越机能，但即便如此，其对电网的支持能力仍远逊于通例发电机组。与电力系统中大量使用的火力或水力同步发电机组相比，双馈和直驱等主流机组的暂态过载能力较弱，在电网产生故障时虽能实现穿越，却难以构筑“倔强”的电力系统。
为解决以上问题，国表效仿通例火力发电机组选取同步发电机直接并网的方式，首先提出了“同步级并网”风电机组的概想。由于发电机自身就能发出电网所需的无功功率，因而不必要增设无功赔偿装置，省去了技术刷新的用度。而要实现这种概想需对机组传动系统进行恒速设计，使同步发电机始终恒速运行，发出频率和电压与电网一致的电，而后直接并网。所以，该技术的另一个益处是省去了价值昂贵且国产化依然不及的变流器。
目前， 国表已成功推出WinDrive 液力调速装置， 实现了机组传动链的恒速输出，国内也有大量文章对该装置进行了分析和钻研。但是，WinDrive 系统设计较为复杂，技术难度大，国内尚无企业把握该技术。并且，变矩器内部工作油的压力很高，因而有人质疑其在持久运行过程中存在密封失效的风险，进而导致其使用成本很高。除此之表，类似的设计还有Windtec 公司提出了超等油泵油马达差动齿轮组合调速装置的道理模型，SET 公司提出了用变频电机与差动齿轮组合调速的道理模型，其主张都是为了实现传动链的恒速输出。近年，国内清华大学电机工程系研发出了一种新型恒速输出装置——变频调速电磁耦合器，并在一款1.5MW 机组样机上成功得到了利用。其必要建设的调速变频器的容量仅为机组额定功率的15%左右，比双馈机组用的变频器还要幼。经过理论分析，耦合器额定运行时的效能能达到98% 左右，可实现比力高效的传动。由于选取过电磁耦合实现输入输出轴的非接触式衔接，解除了传动系统的冲击载荷，出格适合利用在机组传动链中。目前，这种技术在结构和沉量上都还有进一步优化的空间，但是并不影响其潜在的竞争优势，从长远分析，这种新型传动技术将有望引领“同步级并网”技术的发展方向。
5. 总结
风力发电作为战术性新兴产业，与通例的火力及水力发电比力，技术还不是很成熟。加之风能的随机性和可控性相对较差，其技术难度比通例发电系统更高。风力发电机组固然已大规模利用了十几年的功夫，但仍必要更多的功夫来检验其靠得住性，并为风电机组技术的逐步美满堆集经验，出格是对那些刚推出的尚不足现实利用经验的新技术更是如此。
作为目前并网型风电机组的主流机型，水平轴机组的技术发展情况直接决定了将来风电产业的发展。纵观水平轴机组的发展过程，新技术的出现和利用根基都是为了提高机组发电量、降低机组沉量和成本、提升系统运行靠得住性和电网安全机能等主张。且随着风电在电网中所占比例的不休提升，机组系统设计将更多地思考电网敦睦性和安全性要求。若是说水平轴机组的第一次技术刷新实现了风力发电机组“量”的提升——即风能的最大化利用和电网穿透率的提升，那么，其第二次技术刷新将是对机组“质”的提升——即做到真正意思上的电网敦睦和安全运行。由于只有这样，风电才会发展地更好。
