2023年我國風電機組技術分析：風機技術工藝進步助力大型化發展

風機發展涵蓋了恒速恒頻異步到變速恒頻雙饋式異步，再到直驅/半直驅式永磁同步式等階段。風電技術的大規模工業化應用始于上世紀90年代，早期階段以定槳距機組為主。

隨著技術水平和生產工藝的不斷提升，風電技術從恒速恒頻鼠籠式異步風機發展為變速恒頻的高速傳動雙饋式異步風機，隨后出現直驅式和半直驅式永磁同步風機。雙饋、直驅和半直驅機組是現階段主流的風電機組傳動型式，三者在結構部件的差異主要體現在發電機、齒輪箱、變流器等的不同。

對于雙饋異步發電系統，“雙饋”的含義在于定子和轉子均可以和電網進行功率交換，轉子側變流器通過控制轉子電流分量控制有功功率和無功功率，電網側變流器控制直流母線電壓并確保變流器運行在統一功率因素，因此雙饋異步發電系統可以做到通過勵磁變換器控制轉子電流的頻率、相位和幅值間接調節定子側的輸出功率，從而具備了調速范圍較寬、有功和無功功率可獨立調節等優點。為了輸出額定頻率的電能，發電機轉子的轉速通常需要達到1500r/min左右，因此風輪機需要通過增速齒輪箱與轉速較高的雙饋異步發電機轉子相連接。隨著風電機組額定功率不斷上升，風輪槳葉長度逐漸增加而轉速降低，如大型海上風電機組的風輪轉速通常在5-25r/min，使得轉速比通常需要達到100:1甚至更高，齒輪箱轉速比的增加，大大提升了大容量風電機組變速箱的設計和制造難度，同時齒輪箱是風機傳動系統中易過載、損壞率較高的部件，直接影響風機系統的可靠性。此外，雙饋機組是通過雙向變流器進行勵磁，需要定期對發電機進行清理碳粉和灰塵、更換電刷等維護工作，在一定程度上降低了發電機組的可靠性，且隨著機組容量的不斷增加，雙饋機組對齒輪箱技術、滑環、碳刷等技術的要求提升，使得雙饋機組的總體優勢性有所降低。

雙饋式發電系統示意圖

資料來源：CNKI

永磁同步發電機是轉子采用永磁體勵磁的同步發電機，相比于雙饋式發電系統其結構更加簡單。對于永磁直驅發電系統，風輪機與永磁同步發電機直接相連，省去增速齒輪箱；轉子的轉速較低，但發電機的極對數很多，因此發電機體積較大；定子繞組通過定子側和網側變換器連接至電網。對于永磁半直驅發電系統，與直驅發電系統的不同體現在風輪機通過低變速比的齒輪箱與永磁同步發電機相連接，減少了永磁發電機的極對數，從而降低發電機的體積重量。永磁直驅/半直驅發電機組具有通過永磁體勵磁，不會產生勵磁損耗，提高了發電效率；不需要吸收電網無功率建立磁場，改善電網的功率因數；采用全功率變流器，變換器容量與發電機額定容量相當，低電壓穿越能力較強；轉子無滑環、電刷等結構，維護量降低等優點。

永磁直驅和半直驅發電系統示意圖

資料來源：CNKI

雙饋式異步發電機系統早期在性能、技術難度和成本上具有一定的比較優勢，因此發展速度較快，現階段仍是我國主流風電機組類型之一，市場份額占比約為55%，在陸上風電有著較為廣泛的應用。在風電機組大型化的趨勢下，高轉速比齒輪箱增加了雙饋機組的設計及技術難度，疊加機組可靠性較低、維護次數較多等特點，其發展空間受到一定程度的限制。相比于雙饋機組，直驅/半直驅機組具備發電效率較高、維護偏少等特點，在風電機組大型化的趨勢下具備更加廣闊的發展空間。

不同風電機組技術路線對比

資料來源：CNKI

近年異步雙饋機組基本退出大型海上風電，永磁直驅和半直驅成為最主要的傳動型式。海上風能資源豐富，但海上風電的運輸吊裝難度較高、可達性較差、維護難度較高，因此海上風電對于機組的可靠性、穩定性的需求更為強烈。目前海上風電已經進入10MW+時代，永磁直驅和半直驅基于其優勢能夠更好地適配機組大型化的發展趨勢，且機組的可靠性相對較高，維護量較少，雖然不能有效降低運輸吊裝、維護的難度，但整體上更加契合海上風電的需求。國內外主要風電整機廠商推出的大型海上風電機組基本均采取永磁直驅或半直驅的傳動型式。

全球裝機容量 5 MW以上的海上風電機組

資料來源：CNKI

國外風電整機廠商的技術路線多由雙饋過渡到直驅/半直驅永磁機組，國內風電整機廠商技術路線的區別度較高。分具體風電整機企業看，維斯塔斯、GE、運達股份、遠景能源、電氣風電等企業涉及雙饋機組，技術發展情況均已較為成熟，其中運達股份和遠景能源主要采用了異步雙饋技術路線。而維斯塔斯和GE早期將雙饋異步風電機組的技術路線應用到海上風電場，單機容量小于4MW，后分別改為采取半直驅和直驅永磁風電機組的技術路線發展海上風電。西門子歌美颯和金風科技主要采取永磁直驅技術發展陸上和海上風電機組。明陽智能則主要采取永磁半直驅技術發展風電機組。

國內外主要風電整機廠商的技術路線和產品性能參數

來源：電氣風電上市招股說明書