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风电知识 | 浅析水平轴风力发电机组的手艺生长趋势

宣布时间：2025-02-12 11:20:45人气：
       在能源和情形双重� ；；；；；； ；闹卮笱沽ο拢�，， ，，，，基于无污染、可再生的风能而生长起来的风力发电成为天下各国起劲提倡和支持的战略性新兴工业。。。 。。。特殊是在最近十几年的时间里，，， ，，，，并网型风力发电机组（以下简称机组）获得了大规模的开发和应用。。。 。。。在全球风电装机容量逐年递增的大浪潮中，，， ，，，，风力发电在我国电力系统中的比重也呈逐年增添的趋势，，， ，，，，据统计，，， ，，，，2013 年我国风电发电量达1349 亿千瓦时，，， ，，，，占整年海内发电总量的2.63%（如图1 所示），，， ，，，，仅次于火电和水电，，， ，，，，自2012 年以来继续坚持我国第三大电源的职位。。。 。。。

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       在现在的并网型机组中，，， ，，，，水平轴风电机组占有着主导职位。。。 。。。从早期的定桨距恒速恒频到现在普遍应用的变桨距变速恒频，，， ，，，，风电机组手艺履历了从第一代到第二代的刷新。。。 。。。现在，，， ，，，，水平轴机组的主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，，， ，，，，其余尚有以半直驱、混淆驱动或紧凑型为代表的中速全功率变流机组，，， ，，，，以接纳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差别转速规模分类，，， ，，，，如图2 所示。。。 。。。

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1. 从“恒速”到“变速”的厘革
       直到20 世纪90 年月末，，， ，，，，恒速机组的看法仍然支配着市�。。。 。。。�，， ，，，，约30% 的现着实运的机组都属于这类机型[3]。。。 。。。海内应用最普遍的恒速机组为恒速恒频笼型异步发电机系统，，， ，，，，该系统的结构简朴可靠、本钱低，，， ，，，，但由于桨叶不可调理，，， ，，，，无法跟踪最大Cp 值，，， ，，，，以是对风能的使用并不充分。。。 。。。

        为了追求风能的最大化使用，，， ，，，，变桨手艺获得生长，，， ，，，，并在电力电子手艺的资助下使机组实现了“变速”运行，，， ，，，，从而提高了机组的年发电量（AEP）。。。 。。。同时，，， ，，，，先进的电力电子手艺的应用极大地改善了风力发电系统的运行和控制性能，，， ，，，，提升了电网中风电的穿透率。。。 。。。于是，，， ，，，，水平轴机组从第一代“定桨距恒速恒频”机组太过到了第二代“变桨距变速恒频”机组。。。 。。。现在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，，， ，，，，接纳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%，，， ，，，，因此也叫部分功率变流机组。。。 。。。由于手艺成熟度高、本钱低，，， ，，，，现在双馈机组的市场占有率最大，，， ，，，，且在未来若干年里仍将占有市场主流职位。。。 。。。可是，，， ，，，，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突出，，， ，，，，加之现在双馈异步发电机保存集电环碳刷磨损问题，，， ，，，，需要按期维护，，， ，，，，在海优势电应用中展现出劣势。。。 。。。因此，，， ，，，，不带齿轮箱和集电环的直驱机组手艺获得了快速生长。。。 。。。
       直驱机组，，， ，，，，接纳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，，， ，，，， 消除了增速齿轮箱和集电环的故障危害，，， ，，，，镌汰了维护。。。 。。。可是，，， ，，，，直驱机组低功率密度设计造成体积和重量的大幅增添，，， ，，，，运输吊装难题，，， ，，，，使得发电机的吊装维护本钱很高。。。 。。。随着机组单机容量的增大，，， ，，，，直驱机组本钱和重量上升特殊快，，， ，，，，且同步发电机的气隙很是�。。。 。。。�，， ，，，，控制难度相当高。。。 。。。
       凭证2012 年天下风电装备运行质量视察对在运机组的统计，，， ，，，，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添，，， ，，，，其他机组的比例略有增添（如图3所示）。。。 。。。另外，，， ，，，，由于手艺的逐渐成熟，，， ，，，，双馈机组的故障率显着降低，，， ，，，，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）。。。 。。。

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       一样平常地，，， ，，，，直驱机组的采购本钱比双馈机组高。。。 。。。可是，，， ，，，，在现在的海优势电建设中，，， ，，，，机组本钱占项目总本钱的比重比陆优势电低许多。。。 。。。因此，，， ，，，，若从全寿命周期的运维本钱思量，，， ，，，，直驱比双馈将更适合于海优势电。。。 。。。
       但到现在为止，，， ，，，，双馈与直驱都各有优弱点。。。 。。。由于所站的态度差别，，， ，，，，行业内各方的看法没法完全统一，，， ，，，，加之缺乏相关统计数据，，， ，，，，很难准确且定量地对两者的优势举行周全而公正的比照剖析。。。 。。。但可以一定的是，，， ，，，，机组手艺的成熟性、质量的稳固性和可靠性、实时且低本钱的维修与维护将是市场选择最主要的标准。。。 。。。

3. 种种“全功率变流”手艺争相生长
       相关于双馈部分功率变流机组而言，，， ，，，，全功率变流手艺使机组在更宽的转速规模内运行，，， ，，，，因而提升了机组的发电量。。。 。。。据相关资料显示，，， ，，，，2MW 高速永磁机组接纳高速永磁全功率变流手艺，，， ，，，，年发电量比双馈机组要高5% 左右。。。 。。。直驱机组就是典范的全功率变流机组，，， ，，，，可是随着单机容量的增添，，， ，，，，直驱机组重量增添特殊显着（如表1 所示），，， ，，，，由此带来本钱、运输、吊装、维修等一些列的问题，，， ，，，，因而泛起了种种带齿轮箱的全功率变流机组。。。 。。。

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       常见的全功率变流机组除直驱以外，，， ，，，，尚有半直驱、混淆驱动或紧凑型等中速永磁机组，，， ，，，，高速永磁机组，，， ，，，，以及接纳高速笼型异步发电机的全功率变流机组。。。 。。。从某种意义上讲，，， ，，，，他们都是直驱和双馈机组的折中计划。。。 。。。由于他们既保存了直驱的全功率变流手艺，，， ，，，，缩减了直驱发电机的重量和尺寸，，， ，，，，又借鉴了双馈的增速齿轮传动，，， ，，，，提高了机组的综合效率。。。 。。。通过折中之后，，， ，，，，齿轮箱和发电机两大部件在重量上都将获得显著的降低。。。 。。。
       现在，，， ，，，，除直驱以外，，， ，，，，上述种种全功率变流手艺在海内尚未大规模批量化应用，，， ，，，，特殊是半直驱手艺。。。 。。。据悉，，， ，，，， 价钱腾贵是现在半直驱手艺大规模推广应用的主要障碍，，， ，，，，但通过集成化设计及规� ；；；；；； ；�，， ，，，，其竞争力将越来越强。。。 。。。例如，，， ，，，，Winergy 公司近年来推出的HybridDrive 混淆驱下手艺，，， ，，，，通过接纳齿轮箱与发电机集成设计，，， ，，，，传动链重量实现了最小化，，， ，，，，传动链的长度也可缩短35% ～ 50%[12]。。。 。。。别的，，， ，，，，齿轮箱和发电机两大部件接纳自力拆卸的结构设计，，， ，，，，特殊适合于海优势电的维护需求。。。 。。。因此，，， ，，，，在传动系统中接纳集成化设计和紧凑型结构被以为是未来特大型风电机组的生长趋势。。。 。。。

4. “同步级并网”的提出
       可以说，，， ，，，，由于提升了电网中风电的穿透水平，，， ，，，，电力电子手艺催生了现代风电工业的昌盛。。。 。。。可是，，， ，，，，由于风电与生俱来的不稳固性和可调控性差等毛�。。。 。。。�，， ，，，，在其电网穿透率一直提升的历程中，，， ，，，，对电网的清静稳固运行也造成了极大的隐患。。。 。。。特殊是近几年，，， ，，，，由于低电压穿越能力的普遍缺失、风场无功控制不到位等方面的问题，，， ，，，，致使机组大规模脱网事故频发。。。 。。。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生事故。。。 。。。
       对此，，， ，，，，国家现在接纳的解决步伐是对现有机组举行低电压穿越能力的手艺刷新，，， ，，，，并为每台机组增设无功赔偿装置。。。 。。。阻止2013 年9 月，，， ，，，，国家风电手艺与监测研究中心对天下247 个风电场举行了低电压穿越能力手艺刷新的抽检，，， ，，，，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手艺刷新而破费的本钱就逾百亿，，， ，，，，未来若再举行高电压穿越手艺刷新，，， ，，，，用度更是不菲。。。 。。。
       另一方面，，， ，，，，通过接纳全功率变流手艺提升了机组的低电压穿越性能，，， ，，，，但即便云云，，， ，，，，其对电网的支持能力仍远逊于通例发电机组。。。 。。。与电力系统中大宗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，，， ，，，，在电网爆发故障时虽能实现穿越，，， ，，，，却难以修建“顽强”的电力系统。。。 。。。
       为解决以上问题，，， ，，，，外洋效仿通例火力发电机组接纳同步发电机直接并网的方法，，， ，，，，首先提出了“同步级并网”风电机组的看法。。。 。。。由于发电机自己就能发出电网所需的无功功率，，， ，，，，因此不需要增设无功赔偿装置，，， ，，，，省去了手艺刷新的用度。。。 。。。而要实现这种看法需对机组传动系统举行恒速设计，，， ，，，，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，，， ，，，，然后直接并网。。。 。。。以是，，， ，，，，该手艺的另一个利益是省去了价钱腾贵且国产化仍然缺乏的变流器。。。 。。。

       现在，，， ，，，， 外洋已乐成推出WinDrive 液力调速装置，，， ，，，， 实现了机组传动链的恒速输出，，， ，，，，海内也有大宗文章对该装置举行了剖析和研究。。。 。。。可是，，， ，，，，WinDrive 系统设盘算为重大，，， ，，，，手艺难度大，，， ，，，，海内尚无企业掌握该手艺。。。 。。。并且，，， ，，，，变矩器内部事情油的压力很高，，， ，，，，因此有人质疑其在恒久运行历程中保存密封失效的危害，，， ，，，，进而导致其使用本钱很高。。。 。。。除此之外，，， ，，，，类似的设计尚有Windtec 公司提出了超等油泵油马达差动齿轮组合调速装置的原理模子，，， ，，，，SET 公司提出了用变频电机与差动齿轮组合调速的原理模子，，， ，，，，其目的都是为了实现传动链的恒速输出。。。 。。。近年，，， ，，，，海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 机组样机上乐成获得了应用。。。 。。。其需要配备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小。。。 。。。经由理论剖析，，， ，，，，耦合器额定运行时的效率能抵达98% 左右，，， ，，，，可实现较量高效的传动。。。 。。。由于接纳过电磁耦合实现输入输出轴的非接触式毗连，，， ，，，，消除了传动系统的攻击载荷，，， ，，，，特殊适合应用在机组传动链中。。。 。。。现在，，， ，，，，这种手艺在结构和重量上都尚有进一步优化的空间，，， ，，，，可是并不影响其潜在的竞争优势，，， ，，，，从久远剖析，，， ，，，，这种新型传下手艺将有望引领“同步级并网”手艺的生长偏向。。。 。。。

5. 总结
       风力发电作为战略性新兴工业，，， ，，，，与通例的火力及水力发电较量，，， ，，，，手艺还不是很成熟。。。 。。。加之风能的随机性和可控性相对较差，，， ，，，，其手艺难度比通例发电系统更高。。。 。。。风力发电机组虽然已大规模应用了十几年的时间，，， ，，，，但仍需要更多的时间来磨练其可靠性，，， ，，，，并为风电机组手艺的逐步完善积累履历，，， ，，，，特殊是对那些刚推出的尚缺乏现实应用履历的新手艺更是云云。。。 。。。
       作为现在并网型风电机组的主流机型，，， ，，，，水平轴机组的手艺生长状态直接决议了未来风电工业的生长。。。 。。。纵观水平轴机组的生长历程，，， ，，，，新手艺的泛起和应用基本都是为了提高机组发电量、降低机组重量和本钱、提升系统运行可靠性和电网清静性能等目的。。。 。。。且随着风电在电网中所占比例的一直提升，，， ，，，，机组系统设计将更多地思量电网友好性和清静性要求。。。 。。。若是说水平轴机组的第一次手艺厘革实现了风力发电机组“量”的提升——即风能的最大化使用和电网穿透率的提升，，， ，，，，那么，，， ，，，，其第二次手艺厘革将是对机组“质”的提升——即做到真正意义上的电网友好和清静运行。。。 。。。由于只有这样，，， ，，，，风电才会生长地更好。。。 。。。 
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