风机技术路线

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风机技术路线主要分为双馈,半直驱和直驱。

风力发电机按照传动链结构划分,可分为高速传动、中速传动和低速传动。高速传动特点是带有增速齿轮箱,分为鼠笼异步和双馈异步,中速传动即半直驱,低速传动又称直驱。

高速传动发电机属于异步发电机,所谓高速,便是借助增速齿轮箱使得转子以高于定子旋转磁场的转速旋转。

鼠笼和双馈是高速传动机组的两种主要形式。鼠笼发电机转子为封闭式笼型结构,不需要电刷和滑环等部件,发电机定子绕组经全功率变流器联网;且没有专门的励磁结构,通过定子侧变换器为其提供励磁,实现变速恒频控制。双馈发电机的叶轮通过增速齿轮箱与转子连接,转子的励磁绕组通过变流器连接电网,定子绕组直接联网,转子绕组电源的频率、电压、幅值和相位按运行要求由变流器自动调节,机组可以在不同的转速下实现恒频发电。

海上风机的风轮转速通常在5-25转/分钟,借助增速齿轮箱可以将转子的转速放大到1500转/分钟左右,从而实现高效的风能利用。但是齿轮箱是风机传动系统中容易过载、且损坏率相对较高的部件,其可靠性直接关系到风机的使用寿命。而且,双馈机组中集电环和电刷等部件,更是增加了机舱的结构复杂性。

机舱结构越复杂,发生故障的频率也往往更高。海上风电的运维成本占项目全生命周期总成本的20%~30%,是陆上风电的2~3倍。

除此之外,随着机组功率的增大,增速齿轮箱的设计难度也随之提高。

另外双馈的维护成本比较高。双馈风机进行陆上维护,每年需进行12次三类保养及巡检,两次二类保养,一次一类维护。维护人员需要爬上塔筒,进入机舱进行操作。将这项维护工作从陆地移到海上,其难度可想而知,后续维护成本开支更大。如果不维护,国外经验而言,问题将会在风机运行3-5年后爆发。


最早的风机是双馈模式,使用了齿轮箱。这种风机在陆上使用还好,但是国外用于海上使用时齿轮箱故障频发,于是在2000年代,人们便尝试探索海上风电新的技术路线,以提升运行稳定性。2003年西门子推出了第一台应用于海上的3MW无齿轮箱型直驱机组。

在之后几年试验运行阶段,直驱机组在海上表现十分优异,并于2010年左右开始量产,以直驱机组逐步取代传统带有齿轮箱型机组。

所以双馈改为直驱,主要是为了满足海上风电的要求。

2016年欧洲地区新增海上风电机组中传统鼠笼异步发电机还占据40%的份额,而5年后的2021年新增海上风机全部变为直驱与半直驱型。

海上风机技术路线的演变趋势同样发生在中国,2016年中国海域新增风机中超过90%属于传统双馈和鼠笼发电机,2021年除高速永磁占据一定分额外,直驱与半直驱占比也迅速也提升到60%。

直驱就是低速传动发动机。

低速传动发电机,指在机组传动系统中取消了齿轮箱和传动轴,机组风轮系统直接驱动机组的同步发电机,所以又称直驱电机。世界上第一台直驱电机于1993年由Enercon制成。

陆上风电中,中国的金风科技与德国的Enercon是直驱机组的主要供应商。等到海上风电,直驱机组的“朋友圈”进一步扩大,国外的西门子歌美飒和通用电气,国内的电气风电东方电气等纷纷加入。

直驱机组传统系统部件数量少,没有传动磨损和漏油所造成的机械故障,减少了齿轮传动装置需要的润滑、清洗等定期维护工作,不仅降低了风电机组的运行维护成本,也使得整机的生产周期大大缩短。

最重要的是,直驱型技术路线可以实现风电整机商追求大功率化的“野心”。

然而,相比双馈或鼠笼高速传动机组,直驱型机组碰到最大的问题便是机舱的重量。功率越高,机组需要的磁极数也越多,机组重量随之快速增长。

直驱机组的造价也相对更贵,因为它对稀土永磁材料有着很强的依赖性。目前,永磁材料以钕铁硼应用为主,中国占据了全球钕铁硼产量85%的份额,所以对于国外直驱厂商而言,供应链也存在不稳定性。


鉴于直驱存在的问题,衍生了半直驱技术。

中速传动技术路线的出现,是希望结合高速传动和低速传动的优点,而又规避二者的缺点。

中速传动不需要高速传动机组的高速齿轮箱,中速齿轮箱即可。一般情况下,相比高速传动1500转/分钟的转速,中速传动只需要将转子转速放大到150转/分钟,齿轮箱的结构大大简化。同时,它又不需要直驱机组那么多磁极数,从而保持机组重量在合理范围内。

所以,在国外中速传动技术路线被成为混合传动,它糅合了高速传动和低速传动两种路线。在国内,中速传动通常被叫做半直驱。


世界上第一台半直驱机组由德国Multibrid在1990年代末下线,功率5MW。但长期以来,半直驱技术并不受市场亲睐,始终处于边缘的地位。直到海上风电大时代的到来,为半直驱技术的应用打开了一扇窗。

虽然第一台应用于海上的半直驱机组由Areva于2009年下线,但真正推动半直驱技术大规模应用的是维斯塔斯。

维斯塔斯早先应用在海上风电的既有双馈机组,也有鼠笼机组。在意识到传统技术路线的问题与瓶颈后,维斯塔斯选择半直驱作为海上风电技术的未来。

维斯塔斯的半直驱路线也进行地非常顺利。2014年,采用半直驱的海上9MW平台问世,该系列风机迅速占领了全球多地市场。截止到2021年,维斯塔斯的9MW系列风机全球销售608台,销售规模达到5.4GW。在欧洲海上风电市场中,维斯塔斯的半直驱机组与西门子歌美飒的直驱机组形成了两强争霸的局面。

国内整机商中,明阳智能是最早开始笃定选择半直驱的整机商。2008年,明阳智能从欧洲风机设计公司aerodyn引进相关技术,开启半直驱技术的技术引进、消化吸收和再开发的过程。2015年MySE 3.0MW风机下线,开启MySE系列半直驱产品时代。

相比直驱,虽然半直驱还是配备了齿轮箱,但机舱重量的降低非常显著。以明阳智能的海陆大容量机组MySE11-203与MySE 6.25-172为例,二者机舱重量分别低于360吨和160吨,折算成单兆瓦重量为32.7吨/MW、25.6吨/MW。

在走向大兆瓦功率方面,半直驱也是屡破记录。

2021年,维斯塔斯成功下线15MW半直驱风机,国内明阳智能、中国海装与金风科技16MW半直驱风机也在2022年先后下线。


总结,

双馈具有成本优势,而且陆上风机容量上限预计在10MW左右,再大没有意义,双馈目前的技术可以支持,所以因此陆上风机以双馈为主。

国内的厂家,远景,三一是以双馈为主。远景的陆上和海上都是采用双馈技术路线,三一和运达也学习远景,也是陆上海上都用双馈。


明阳在去年在陆上风电5-6MW采用了双馈路线,但是新发布的7-10MW陆上机型还是用半直驱。鉴于陆上风电的竞争状态,预计明阳未来可能会把国内全部陆上风电改为双馈,半直驱安全性更好可能用于国外出口项目。

海上风机今年已经开发出了18MW机型,未来的开发上限可以到30MW。因此和陆上不同,海上风机会越来越大。直驱技术在大型化上存在瓶颈,无论国际还是国内,半直驱都是海上风电主要采用的技术路线。主要是因为海上风机更看重稳定性和可靠性,半直驱比较适合。

但是半直驱技术不像双馈和直驱技术那样成熟,需要各家厂家自己研发,存在一定的技术难度。

从国内市场看,目前海上风电,在南方高速风区,因为需要应对台风,所以明阳的半直驱风机适应性更强。而三一的海上采用双馈,主要用于山东等中速风区。运达去年中标了浙江海上项目采用双馈异步,远景中标的广东海上项目使用了鼠笼异步机型。高速传动用于海上风电项目,还需要时间去验证其可靠性。

但是从发展看,明阳今年可能会推出20MW以上的风机,再往上发展,双馈的竞争劣势会更大,还有更高的维护成本,因此双馈在海上的发展前景还是有疑虑的。



明阳智能机型汇总

2020年7月7日,明阳发布了MySE11 MW-203半直驱海上风机。该机型功率11 MW,叶轮直径203米。

明阳的MySE 14-260海上风机,即MySE 12-242型号的最新升级版,将在中广核阳江帆石海上风电场进行国内首次亮相,50台将于2023年第三季度交付。

2021年明阳下线MySE 16.0-242型号。该款机型高达264 米,叶片长度 118 米,风轮直径 242 米。明阳计划2022年推出样机,2023年上半年样机安装,2024年商用。

MySE16.X-260风电机组计划于今年在设计水深200米、离岸距离10千米的挪威海域投运。

2023年1月10日,明阳智能正式发布18兆瓦全球最大海上风电机组——MySE18.X-28X。MySE18.X-28X机组将搭载超140米叶片,其叶轮直径超280米,最大扫风面积66052平方米。

同日,明阳智能在汕尾粤东漂浮式海洋能源智能智造基地下线MySE16.X-260漂浮式海上风电机组。



陆上风机大型化机型

2022年12月,在吉林通榆,三一重能7.XMW平台首台风电机组成功完成吊装。

2022年12月29日,由明阳智能自主研制的MySE7.15-216陆上超大型风电整机在包头市明阳新能源智能制造产业园成功下线。

同日,中车株洲所面向“沙戈荒”大基地推出的最新旗舰机型——8MW+风电机组在河北张家口市成功吊装。

2023年1月,运达股份陆上9MW平台机组,已斩获近2GW订单。运达股份表示,自公司北方大基地项目开始大批量交付以来,WD200-8340机组共150台,将陆续开展吊装工作,成为全球首批交付的陆上9MW平台机组。WD215-9100、WD215-10000机组将于2023年6月在山东滨州进行交付、吊装,风场目前已开始前期建设工作。

2023年2月8日,远景能源新产品与解决方案推介会在乌鲁木齐举办,重磅发布全球陆上最大兆瓦风机EN-220/10MW,单机容量和叶轮直径均是目前全球最大水平。

2月28日,三一重能8.5-11MW陆上平台230米叶轮直径首台风电机组在北京南口智能制造产业园成功下线。

2023年3月31日,明阳智能在河北省张家口市发布MySE10.X-23X陆上超大单机容量风电机组。同日,张家口明阳新能源高端装备制造产业基地(以下简称“明阳张家口基地”)实现首台风机下线。

全部讨论

2023-03-01 18:48

风机制造成本是一方面,后期维护保养是一方面,全生命周期的发电量才能彰显各技术线路的优劣。以5年或10年为一周期数据比较,这个目前有数据可比没有?
同一个风源区域,装上三种技术线路同MW机型,一定的时间周期内比较一下,装机成本、维护成本、发电量应该可以PK出结果的。

2023-03-01 09:24

专业的,全面的!

2023-03-01 05:56

讲的不错