专题分析

风电机组技术路线大比武

来源:刘建泉、王新华 发布时间:2022-04-14 18:35

风力发电机机型的技术路线几经变化,目前主流的有三种 :双馈直驱半直驱,随着平价时代风电行业的发展,性能和成本会成为最主要的考核指标。下面讨论一下三种机型的各自特点,结合目前的价格水平,提出风机选型的思路,供参考。


一、技术路线

55141e34d4c4882388e7658e5072dc83.png.双馈风力发电机


“双馈”顾名思义指的是双向反馈,即能量流动有两种形式:一种是电网给变频器供电,变频器对转子绕组进行励磁,对转子绕组进行馈电,能量的流向是从电网流向转子;另一种是发电机转子处于发电状态,输出能量,将中间直流母线电压逆变为和电网电压幅值频率一致的交流电,将能量输送给电网。其中变流器给转子励磁产生磁场,它的磁极对数少,所以需要经过齿轮箱变速,达到一千多转才能发电,由于采用了交流励磁,发电机和电力系统构成了"柔性连接",即可以根据电网电压、电流和发电机的转速来调节励磁电流,精确的调节发电机输出电压,可以在不同的转速下实现恒频发电,满足用电负载和并网的要求。


双馈发电机具有以下优缺点:

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dafdb6e249f1b75b489420580daae21c.png.直驱风力发电机

直驱式风力发电机,也称为低转速发电机、无齿轮风力发电机,采用多级电机和叶轮直接连接进行驱动,省去了齿轮箱这一传统部件。同样的切割磁场发电原理,直驱风机用的永磁体,它的发电机里面的磁极对数很大,一般在四、五十到一百对之间,在如此大的磁极对数之下,它的额定转速就只需很小,所以不必经过变速,直接由风轮通过主轴带动发电机的转子转动来发出电能,这就是直驱,永磁直驱式发电机在结构上有轴式和盘式两种结构。

直驱发动机需要全功率变流器,这里需要与双馈所需的变频器进行区分。变频器、逆变器、变压器等等从广义上讲来说都可称为变流器,变流器的根本作用是采取一定的控制手段,让发电机发出与电网完全一致的交流电,因为双馈电机的双向特性,只需要三分之一功率变流,变流器在转子侧。直驱风机由于用的是永磁体,变流器功率就得全覆盖,变流器在定子侧。


直驱永磁风力发电机有以下优缺点:

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33aed1ffbda53dff44cb27fc9fcce678.png.半直驱风力发电机

半直驱风机结合了双馈、直驱风机的优势,在风轮和永磁同步发电机之间加了齿轮箱,取消低速轴或减小低速轴的长度,主轴采用双轴承支撑,优化载荷承载路径,大大缓解了主轴传动链的载荷,这样通过齿轮箱可以让转子转速比永磁直驱式的高,可以有效减少永磁电机转子磁极数,有利于降低机舱的体积和重量。风机采用一级或两级增速齿轮箱、多极同步发电机,全功率变流器并网,其调速范围比双馈机组和直驱机组的都要宽,电能质量高,对电网影响小、提高了机组对风能的利用率,也具备了优良的低电压穿越能力。


半直驱风力发电机有以下优缺点:

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二、目前市场情况


在双馈、直驱以及半直驱的技术竞争道路上,各有优劣,直驱机型不含齿轮箱,运维简单,发电效率高,代表厂家包括金风科技,哈电风能(湘电风能)及东方电气。双馈机型因为其技术成熟,价格便宜,全球60%以上的在役机型为双馈机型,国内多数厂家都清一色的双馈机型,包括远景能源、运达风能、上海电气等,从国内每年的投运风电场来看,双馈还是占据优势。另外,对于以明阳智能为代表的半直驱机组,不断在大容量风机和海上风电领域拓宽市场,市场占有率达到了10%左右,在2020年整机商吊装量排到第三。


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随着风机容量越来越大,有一个明显的趋势是各家整机制造企业都在研发半直驱机型以迎合市场需求并降低造价,这也可以从2021年北京国际风能展上各家整机制造企业发布的新机型可以看出。


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从2021北京国际风能展发布的最新机型可以看出,直驱机型占比越来越小,只有电气风电1款和东方电气的2款机型,连我国国产直驱风机的鼻祖金风科技都一口气推出了15款中速永磁风机,这说明各家风机整机制造企业基于自己的供应链和市场需求越来越倾向于半直驱机型,这其实对于我国风电供应链的进一步成熟以及度电成本的下降都是有利的。

三、风机选型思路

一年多以来,我国陆上风机设备(含塔筒)的平均价格快速下降:2020年初,2.5MW机型均价已超4000元/kw (2020年3月24日,三峡新能源湖南道县洪塘营二期50MW风电项目运达风电中标,平均单价为4885元/千瓦。3月31日,湖南龙源风力发电有限公司慈利金坪50MW风电项目远景能源中标,平均单价为4118元/千瓦)。接下来风机价格一路走低至2300元/kw左右(2021年9月,中广核云南曲靖市文兴480MW风电场、麻栗坡大王岩180MW风电场机组采购开标,两项目前三名风机厂家的平均报价为2098元/kW)。同时,海上风机价格也下降明显,很多整机商的主机销售价格已经接近甚至低于成本。相比光伏组件价格的节节攀升,使行业内人士不得不承认风电的开发迎来了窗口期。

未来的风电市场,对于低风速区域(包括海上风电)的开发,由于半直驱/双馈技术路线不断扩大装机规模和捕风效率,可能在造价优势的情况下逐渐赢得市场主导地位;对于目前解决送出通道后回归三北区域的大趋势,直驱技术路线凭借其高转换效率和低运营成本可能在风况良好的区域继续大放异彩。