2023年我国风电机组技术分析：风机技术工艺进步助力大型化发展

风机发展涵盖了恒速恒频异步到变速恒频双馈式异步，再到直驱/半直驱式永磁同步式等阶段。风电技术的大规模工业化应用始于上世纪90年代，早期阶段以定桨距机组为主。

随着技术水平和生产工艺的不断提升，风电技术从恒速恒频鼠笼式异步风机发展为变速恒频的高速传动双馈式异步风机，随后出现直驱式和半直驱式永磁同步风机。双馈、直驱和半直驱机组是现阶段主流的风电机组传动型式，三者在结构部件的差异主要体现在发电机、齿轮箱、变流器等的不同。

对于双馈异步发电系统，“双馈”的含义在于定子和转子均可以和电网进行功率交换，转子侧变流器通过控制转子电流分量控制有功功率和无功功率，电网侧变流器控制直流母线电压并确保变流器运行在统一功率因素，因此双馈异步发电系统可以做到通过励磁变换器控制转子电流的频率、相位和幅值间接调节定子侧的输出功率，从而具备了调速范围较宽、有功和无功功率可独立调节等优点。为了输出额定频率的电能，发电机转子的转速通常需要达到1500r/min左右，因此风轮机需要通过增速齿轮箱与转速较高的双馈异步发电机转子相连接。随着风电机组额定功率不断上升，风轮桨叶长度逐渐增加而转速降低，如大型海上风电机组的风轮转速通常在5-25r/min，使得转速比通常需要达到100:1甚至更高，齿轮箱转速比的增加，大大提升了大容量风电机组变速箱的设计和制造难度，同时齿轮箱是风机传动系统中易过载、损坏率较高的部件，直接影响风机系统的可靠性。此外，双馈机组是通过双向变流器进行励磁，需要定期对发电机进行清理碳粉和灰尘、更换电刷等维护工作，在一定程度上降低了发电机组的可靠性，且随着机组容量的不断增加，双馈机组对齿轮箱技术、滑环、碳刷等技术的要求提升，使得双馈机组的总体优势性有所降低。

双馈式发电系统示意图

资料来源：CNKI

永磁同步发电机是转子采用永磁体励磁的同步发电机，相比于双馈式发电系统其结构更加简单。对于永磁直驱发电系统，风轮机与永磁同步发电机直接相连，省去增速齿轮箱；转子的转速较低，但发电机的极对数很多，因此发电机体积较大；定子绕组通过定子侧和网侧变换器连接至电网。对于永磁半直驱发电系统，与直驱发电系统的不同体现在风轮机通过低变速比的齿轮箱与永磁同步发电机相连接，减少了永磁发电机的极对数，从而降低发电机的体积重量。永磁直驱/半直驱发电机组具有通过永磁体励磁，不会产生励磁损耗，提高了发电效率；不需要吸收电网无功率建立磁场，改善电网的功率因数；采用全功率变流器，变换器容量与发电机额定容量相当，低电压穿越能力较强；转子无滑环、电刷等结构，维护量降低等优点。

永磁直驱和半直驱发电系统示意图

资料来源：CNKI

双馈式异步发电机系统早期在性能、技术难度和成本上具有一定的比较优势，因此发展速度较快，现阶段仍是我国主流风电机组类型之一，市场份额占比约为55%，在陆上风电有着较为广泛的应用。在风电机组大型化的趋势下，高转速比齿轮箱增加了双馈机组的设计及技术难度，叠加机组可靠性较低、维护次数较多等特点，其发展空间受到一定程度的限制。相比于双馈机组，直驱/半直驱机组具备发电效率较高、维护偏少等特点，在风电机组大型化的趋势下具备更加广阔的发展空间。

不同风电机组技术路线对比

资料来源：CNKI

近年异步双馈机组基本退出大型海上风电，永磁直驱和半直驱成为最主要的传动型式。海上风能资源丰富，但海上风电的运输吊装难度较高、可达性较差、维护难度较高，因此海上风电对于机组的可靠性、稳定性的需求更为强烈。目前海上风电已经进入10MW+时代，永磁直驱和半直驱基于其优势能够更好地适配机组大型化的发展趋势，且机组的可靠性相对较高，维护量较少，虽然不能有效降低运输吊装、维护的难度，但整体上更加契合海上风电的需求。国内外主要风电整机厂商推出的大型海上风电机组基本均采取永磁直驱或半直驱的传动型式。

全球装机容量 5 MW以上的海上风电机组

资料来源：CNKI

国外风电整机厂商的技术路线多由双馈过渡到直驱/半直驱永磁机组，国内风电整机厂商技术路线的区别度较高。分具体风电整机企业看，维斯塔斯、GE、运达股份、远景能源、电气风电等企业涉及双馈机组，技术发展情况均已较为成熟，其中运达股份和远景能源主要采用了异步双馈技术路线。而维斯塔斯和GE早期将双馈异步风电机组的技术路线应用到海上风电场，单机容量小于4MW，后分别改为采取半直驱和直驱永磁风电机组的技术路线发展海上风电。西门子歌美飒和金风科技主要采取永磁直驱技术发展陆上和海上风电机组。明阳智能则主要采取永磁半直驱技术发展风电机组。

国内外主要风电整机厂商的技术路线和产品性能参数

来源：电气风电上市招股说明书