“直驅(qū) VS 雙饋” 風機技術流派大比對

2018-01-02 15:26:53 大云網(wǎng)　點擊量：評論 (0)

核心提示：在風電技術的選擇方面，隨著國內(nèi)風機大型化趨勢的升級，業(yè)內(nèi)對于直驅(qū)與雙饋技術孰優(yōu)孰劣的討論也更加激烈。今天我們就從發(fā)展歷史、運維情況、發(fā)展趨勢等方面來比對一下這兩種技術的特點。　　隨著國家

核心提示：在風電技術的選擇方面，隨著國內(nèi)風機大型化趨勢的升級，業(yè)內(nèi)對于直驅(qū)與雙饋技術孰優(yōu)孰劣的討論也更加激烈。今天我們就從發(fā)展歷史、運維情況、發(fā)展趨勢等方面來比對一下這兩種技術的特點。
　　隨著國家新能源發(fā)展線路的明確，風電行業(yè)的發(fā)展正在被越來越多的人所關注和期待。在風電技術的選擇方面，隨著國內(nèi)風機大型化趨勢的升級，業(yè)內(nèi)對于直驅(qū)與雙饋技術孰優(yōu)孰劣的討論也更加激烈。今天我們就從發(fā)展歷史、運維情況、發(fā)展趨勢等方面來比對一下這兩種技術的特點。

　　發(fā)展歷史

　　現(xiàn)在市場上有一種誤解，即直驅(qū)技術是一種新興的技術，而雙饋技術是傳統(tǒng)的技術。其實，從誕生時間看，雙饋和直驅(qū)兩種技術幾乎是同時出現(xiàn)的，甚至直驅(qū)技術的出現(xiàn)要比雙饋技術更早些。但是發(fā)展至今，雙饋技術因其運行穩(wěn)定的特性占據(jù)了大片的市場份額。

　　雙饋、直驅(qū)兩種技術路線的本質(zhì)區(qū)別在于雙饋型是帶“齒輪箱”的，而直驅(qū)型是不帶“齒輪箱”的?，F(xiàn)在全世界風電機組中，85%以上是帶齒輪箱的機型。尤其在技術、穩(wěn)定性及可靠性要求更高的海上機組中，無一例外的全部采用了技術成熟且可靠性好的帶齒輪箱技術方案，包括2兆瓦、2.3兆瓦、3兆瓦、3.6兆瓦、5兆瓦等各級別機型，廠商包括Vestas，Siemens, Repower,華銳風電等全球所有主要海上風電機組生產(chǎn)廠商。目前為止，除金風科技的一臺1.5兆瓦機組外，全世界范圍內(nèi)還沒有更多的直驅(qū)機組下海。

　　從目前國內(nèi)的情況來看，雙饋變槳變速型風機的裝機容量最大。代表廠家包括vestas，GE，GAMESA，華銳，東汽，國電聯(lián)合動力、明陽、上海電氣，北重等；直驅(qū)式變槳變速型風機也有一定裝機容量，代表廠家包括如金風，湘電，上海萬德等；此外還有一種失速型定槳定速風機，多數(shù)為小功率機型，目前在大功率機型上基本淘汰。

　　從市場份額來看，多數(shù)業(yè)內(nèi)人士認為，帶齒輪箱的風電技術將在今后相當長的時間內(nèi)繼續(xù)占據(jù)市場主流地位。而直驅(qū)技術的市場表現(xiàn)如何，還有待觀察。

　　部件差異

　　在發(fā)電機、變頻器、齒輪箱等風機主要部件中，雙饋和直驅(qū)機型都存在一定的差異。

　　從發(fā)電機看：目前雙饋機組采用雙饋式異步發(fā)電機，而直驅(qū)機組多采用低速多極發(fā)電機，發(fā)電機的勵磁方式分為永磁和電勵磁兩類。在勵磁發(fā)動機方面全球領先的是德國的Enercon公司，其產(chǎn)品的全球市場占有率一直穩(wěn)定在10%左右。永磁發(fā)電機的主要代表則是中國的金風和湘電兩家公司。

　　直驅(qū)式發(fā)電機由于轉(zhuǎn)數(shù)低，且磁極數(shù)很多，通常在90極以上，而且體積和重量相比雙饋式機組也大很多，對其軸承等轉(zhuǎn)動部件要求極高。另外，永磁材料在震動、沖擊、高溫情況下容易發(fā)生失磁的現(xiàn)象；而且材料中含有鐵，在海上強鹽霧的情況下防腐問題難以解決；同時，由于永磁材料存在永久的強磁性，無法在現(xiàn)場條件下檢修，所以一旦出現(xiàn)問題只有返回廠家才能維修，現(xiàn)場不具有可維護性，給運行帶來了很大的隱患。而雙饋式異步風電機則具有技術成熟可靠，成本低，重量輕、易維護等優(yōu)點，目前國際前幾大整機廠商均采用雙饋式異步風電機就充分證明了這一技術的上述優(yōu)點。

　　從變頻器看：直驅(qū)機組采用的是全功率變頻器，容量大，價格昂貴，并且變頻器產(chǎn)生諧波大。雙饋機組中僅有轉(zhuǎn)差功率經(jīng)過變頻器，充分發(fā)揮了雙饋發(fā)電機以小博大的優(yōu)點，所以變頻器容量小，價格低，并且機組的諧波小。

　　從齒輪箱看：直驅(qū)機組不采用齒輪箱，風輪直接帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。省去齒輪箱會減少齒輪箱的機械故障，但風輪與發(fā)電機直接連接會增加葉片的沖擊載荷，并且將其直接傳遞到發(fā)電機上，增加了發(fā)電機出故障的可能性。雙饋機組采用齒輪箱將風輪轉(zhuǎn)速升高，提高了發(fā)電機的效率，而齒輪箱技術從上世紀90年代起已經(jīng)發(fā)展的非常成熟，其故障率已經(jīng)非常低。

　　運維情況與故障維修

　　從低風速下的運行情況看，直驅(qū)式風機沒有運行轉(zhuǎn)速下限的限制，而雙饋式風機存在著運行轉(zhuǎn)速的下限，所以從原理上來講直驅(qū)式風機的切入風速可以更低。但是，直驅(qū)式風機所使用的全功率變頻器

存在較高的功率損耗的問題，由于全功率變頻器的容量是雙饋風機中變頻器的三倍左右，所以變頻器的功率器件和冷卻等設備所消耗功率也要大很多。同時，風電機組可以吸收的風能與風速的三次方成正比，所以在低的切入風速的情況下可利用的風能非常有限。綜合考慮以上兩個方面，在低風速下雙饋式風機和直驅(qū)式風機的實際發(fā)電功率是旗鼓相當?shù)摹?/div>

　　從故障維修方面看，直驅(qū)技術由于沒有齒輪箱會減少相對應的故障率，但是直驅(qū)技術也并非沒有短板，發(fā)電機散熱與機頭載荷，就是困擾直驅(qū)技術的兩大問題。由于直驅(qū)機組必須通過空氣流過轉(zhuǎn)子和定子之間的間隙來進行冷卻，空氣中含有的帶電粒子、灰塵等會在永磁場的作用下附著在永磁體的表面，造成風機磁隙發(fā)生變化，從而影響機組性能，由于存在強磁場，附著后的帶電粒子和灰塵很難去除。此外，直驅(qū)機組雖然省去了“齒輪箱”卻增加了其機頭載荷，機身更大，用鋼材更多。機頭重量過重容易使機艙、輪轂的聯(lián)合處磨損。而且由于存在強的永磁場，在機組上進行維修幾乎不可能，金屬工具在機組上也很難運作，一旦發(fā)生故障就要將整個機艙運回車間維修，而在海上項目中一旦發(fā)生故障則需將整個機艙拆下，拆卸和安裝成本可以與整個風電機組造價相比。而雙饋機型可以單獨對齒輪箱、發(fā)電機等部件單獨維修，其維護難度和維護成本要遠遠低于直驅(qū)機型。

　　未來幾年內(nèi)雙饋和直驅(qū)兩種技術的發(fā)展趨勢

　　現(xiàn)階段雙饋技術經(jīng)過多年發(fā)展，技術已相對成熟，機組運行狀態(tài)穩(wěn)定，市場認可度較高；相對而言永磁同步（直驅(qū)、半直驅(qū)為代表）技術近幾年雖得到一定的發(fā)展，但是在以下幾方面仍較雙饋技術有所不足：

　　（1）發(fā)電量比較：永磁同步技術其機組轉(zhuǎn)速范圍較寬，在低風速下發(fā)電量有一定優(yōu)勢，但其全功率變頻的特點導致隨風速提高，其發(fā)電量優(yōu)勢將因變頻器損耗迅速增大而減小。理論計算的發(fā)電量比較兩者相近，雙饋技術略優(yōu)于永磁同步技術。

　?。?）成本比較：永磁同步技術雖然降低或省去了齒輪箱成本，但其發(fā)電機和全功率變頻器均較雙饋技術更加昂貴。

　?。?）電能質(zhì)量：永磁同步技術所采用的全功率變頻系統(tǒng)的諧波含量非常高（基本超過5%），必須使用諧波濾波器。而雙饋機組中的諧波含量可控制在較低水平。

　?。?）機組安全：電網(wǎng)故障時雙饋系統(tǒng)可提供更高的電流能力，更有利于啟動過電流保護及故障清除；全功率變頻系統(tǒng)其電流能力基本被限制在2倍額定電流。

　　（5）退磁問題：永磁同步技術其發(fā)電機存在退磁隱患，尚無明確更換方案。Enercon公司發(fā)電機仍采用損耗大的電勵磁方式。

　?。?）海上裝機：直驅(qū)機組往往采用利用定轉(zhuǎn)子間氣隙以自然通風的方式對發(fā)電機進行冷卻，當安裝到海上風場時，發(fā)電機作為核心部件會直接與腐蝕性空氣接觸，防腐問題極難解決。且出現(xiàn)問題維修更換耗資巨大?，F(xiàn)在海上風場尚無安裝大型直驅(qū)風電機組的先例。

　?。?）維護成本：直驅(qū)機組其發(fā)電機尺寸重量大，更換維護不便，需預訂專業(yè)安裝船或大型浮吊完成工作，但全球目前可用的安裝船只和大型浮吊寥寥可數(shù)，且船期需要至少提前一年預定，所以故障處理時間無法保證。而且動用大型海上吊裝船只成本極高，所以其維護的時間成本和經(jīng)濟成本都比較高昂。

　　結(jié)語

　　雙饋技術已經(jīng)在過去的十多年中成為不可爭辯的主流技術，而直驅(qū)和永磁直驅(qū)技術目前來看尚無法動搖帶齒輪箱技術的主流地位?？梢钥隙ǖ氖牵L電機組技術的成熟性、質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性、及時而低成本的維修和維護將是市場選擇的最重要標準，特別是在海上風電的機組選擇中，目前看來，帶齒輪箱的風電機組仍是海上風電的絕對主流。