浅析水平轴风力发电机组的技术发展趋势 .pdf

浅析水平轴风力发电机组的技术发展趋势

在能源和环境双重危机的巨大压力下，于无污染、可再生的风

能而发展起来的风力发电成为世界各国积极倡导和支持的战略性新

兴产业。特别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）得到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长的趋

势，据统计，2013年我国风电发电量达1349亿千瓦时，占全年国内

发电总量的2.63%（如图1所示），仅次于火电和水电，自2012年

以来继续保持我国第三大电源的地位。

在目前的并网型机组中，水平轴风电机组占据着主导地位。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，风电机组技

术经历了从第一代到第二代的革新。目前，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,

以采用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不同转速范围分类，如

图2所示。

1.从“恒速”到“变速”的变革

直到20世纪90年代末，恒速机组的概念仍然支配着市场，约30%的

实际在运的机组都属于这类机型［3］。国内应用最广泛的恒速机组为

恒速恒频笼型异步发电机系统，该系统的结构简单可靠、成本低，但

由于桨叶不可调节，无法跟踪最大Cp值，所以对风能的利用并不充

分。

为了追求风能的最大化利用，变桨技术得到发展，并在电力电子

技术的帮助下使机组实现了“变速”运行，从而提高了机组的年发电

量（AEP）o同时，先进的电力电子技术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”机组过度到了第二代“变桨距变

速恒频”机组。目前新增的机组几乎都属于第二代。

2.“双馈”与“直驱”的较量

双馈机组，采用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，且在未来若

干年里仍将占据市场主流地位。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突出，加之目前双馈异步发电机

存在集电环碳刷磨损问题，需要定期维护，在海上风电应用中显现出

劣势。因此，不带齿轮箱和集电环的直驱机组技术得到了快速发展。

直驱机组，采用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风险，减少了维护。但是，直驱机组低功率

密度设计造成体积和重量的大幅增加，运输吊装困难，使得发电机的

吊装维护成本很高。随着机组单机容量的增大，直驱机组成本和重量

上升特别快，且同步发电机的气隙非常小，控制难度相当高。

根据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加，

其他机组的比例略有增加（如图3所示）。另外，由于技术的逐渐成

熟，双馈机组的故障率明显降低，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）。

一般地，直驱机组的采购成本比双馈机组高。但是，在目前的海

上风电建设中，机组成本占项目总成本的比重比陆上风电低很多。因

此，若从全寿命周期的运维成本考虑，直驱比双馈将更适合于海上风

电。

但到目前为止，双馈与直驱都各有优缺点。由于所站的立场不同，

行业内各方的观点没法完全统一，加之缺乏相关统计数据，很难准确

且定量地对两者的优势进行全面而公正的对比分析。但可以肯定的是,

机组技术的成熟性、质量的稳定性和可靠性、及时且低成本的维修与

维护将是市场选择最重要的标准。

3.各种“全功率变流”技术争相发展

相对于双馈部分功率变流机组而言，全功率变流技术使机组在更宽的

转速范围内运行，因而提升了机组的发电量。据相关资料显示，2MW

高速永磁机组采用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