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当前水平轴并网风电机组发展现状

北极星风力发电网  来源:风能产业  作者:沈德昌  2019/6/6 8:57:42  我要投稿  

北极星风力发电网讯:近年来由于风电产业的快速发展,一些原来从事火电、水电和核电专业的人员也转入风电行业工作,同时还有进入风电领域的一些大专毕业生。为了使这些专业人员能够尽快进入角色,对当前的风电技术有一个比较概括的了解,本文概括介绍了当前并网风电机组的主要类型、技术成熟度和发展前景。由于作者研究水平有限,文中难免有表述不当之处、或者存在某些错误,欢迎读者提出修改意见。

关键词:并网风电机组技术现状发展趋势

一、前言

10千瓦至300千瓦的水平轴并网风电机组一般由三个电动变桨距叶片组成的风轮通过风轮轴直接驱动永磁发电机发电,发出的电经控制器整流成直流电后输入并网逆变器,经并网逆变器转换成交流电后将电能输送到电网,或输出220伏/380伏交流电带动用电器工作。风力机由钢管式塔架或桁架式塔架支撑到空中某一高度,以便吸收足够的风能。少数厂家也可提供使风轮通过变速箱增速后驱动发电机发电的并网风电机组。

这类风电机组多用于发达国家农场主或中小企业的分布式生产用电。

2005年以前,定桨距风电机组曾经是全球风电场建设的主流机型。如我国金风公司和浙江运达公司早期生产的750型定桨距风电机组。

后来,由于变桨距功率调节方式具有载荷控制平稳、安全和高效等优点,2005年以后在大型风电机组上得到了广泛采用。结合变桨距技术的应用以及电力电子技术的发展,大多数风电机组制造厂商采用了变速恒频技术,并分别开发出了液压变桨变速风电机组和电动变桨变速风电机组,在风能转换效率上有了进一步完善和提高。 2014年以后,在世界上新安装的大型并网式风电机组全部采用了变桨变速恒频技术。功率3MW及以上的风电机组大多采用三个独立的电控变桨机构,通过三组变速电机和减速箱对桨叶分别进行闭环控制。

变桨变速功率调节技术将在今后很长一段时期内存在和发展,目前变桨变速功率调节技术已经以多种技术路线在大型变速恒频并网风电机组上应用。

二、介绍几种目前风电场应用的并网型风电机组

1、双馈异步式风电机组的现状和趋势

双馈异步式风电机组是由变桨距风轮通过高速齿轮箱驱动双馈式发电机发电,发电机转子通过变流器向电网馈电,定子电流直接向电网馈电的风力发电系统。

目前来讲,双馈异步发电型风电机组是世界上技术最成熟的变速恒频风电机组。欧美多数著名风电机组制造商,如:丹麦维斯塔斯、西班牙歌美飒、美国GE风能、印度苏司兰、德国Nodex等都在批量生产双馈异步发电机变速恒频风电机组。近十年来,1.5MW-4MW的双馈异步发电型风电机组在全球风电场的建设中发挥了主力军的作用。

中国多数风电机组制造企业,如:远景能源、国电联合动力、广东明阳、上海电气、中国海装、东方 电气、浙江运达和华锐风电等企业都在生产双馈异步发电机变速恒频风电机组。2017年中国新增风电机组中,双馈异步发电机变速恒频风电机组约占59%的比例。目前,我国2MW双馈异步发电机变速恒频风电机组技术非常成熟,已经成为主流机型。我国华锐风电研发的3MW的双馈异步发电型变速恒频风电机组已经在海上风电场批量投入应用。国电联合动力研发的6 MW双馈异步发电型变速恒频风电机组也已经安装试验。预计到2020年,我国新增风电机组中,双馈异步发电机变速恒频风电机组仍将占50%以上的市场份额。

但是由于直驱式风电机组技术和半直驱风电机组技术的不断成熟和发展,双馈异步发电机变速恒频风电机组的竞争能力将缓慢下降,预计到2030年以后,双馈异步发电机变速恒频风电机组将逐步退出主流机型的行列。

2、直驱永磁式全功率变流风电机组发展成熟

直驱永磁式全功率变流风电机组是由变桨距风轮直接驱动永磁发电机发电,通过全功率变流器向电网馈电的风力发电系统。

无齿轮箱的直驱方式能有效地减少由于齿轮箱问题而造成的机组故障,可有效提高系统运行的可靠性和寿命,同时会减少风电场维护成本,因而直驱永磁式风电机组逐步得到了市场的青睐。中国新疆金风科技有限公司生产的1.5MW直驱式永磁风电机组,已有一万多台安装在风电场。该公司研制的2MW和2.5MW直驱式风电机组已经批量投放国内外市场。

同时,中国湘电公司的2MW直驱风电机组也已大批量进入市场,5MW直驱风电机组也已安装运行。其他如:东方 电气、华创风能、北车集团、潍坊瑞其能等风电机组制造企业也在生产直驱永磁式风电机组。2017年中国新增大型风电机组中,永磁直驱式风电机组约占34%以上。

由于直驱永磁式风电机组技术不断成熟和发展,其市场占有率逐年上升。面向未来,欧美主要风电机组制造商在机组大型化进程中,也逐步转向研制大型直驱永磁式风电机组。例如:西门子公司已经研制出SWT-6.0-154直驱式新型海上风电机组。该机组风轮直径154米,风轮轴后倾6º。机组额定功率为6MW,风轮直接驱动永磁发电机,结构紧凑,塔架上部重量为仅360 吨。西门子6MW直驱永磁机组商业运营的第一个海上风电场,共安装35台机组,装机容量210MW,足以满足超过15万户英国家庭每年的电力需求。这就是位于英国东海岸的Westermost Rough海上风电场,在2015年5月底已实现满功率运行。2017年底,西门子8MW直驱永磁风电机组也已经通过DNV-GL型式认证,该机组将投入法国布列塔尼海岸的圣布里厄海上风电场建设。

此外,2015年,美国GE 公司收购了阿尔斯通公司的风电业务部分,拥有了该公司研发的GE-Haliade150型6MW直驱式海上风电机组技术。这款新一代海上风电机组采用无齿轮箱的直驱结构,并采用永磁发电机,所以设备内部的机械部件较少,故障率更低,这使其运行更为可靠,也更有助于降低运行和维护成本。该机组额定功率为6MW。采用液压冷却的永磁发电机。变流器置于塔架底部空间内。风轮直径150米,叶片长度为73.5米,叶片的表面由聚氨酯腹膜覆盖,叶片的迎风边做了抗腐蚀保护性处理。这款机型是专门针对海上环境而设计,美国第一个30MW海上风电场就安装5台GE-Haliade150型6MW直驱式海上风电机组。

中国金风科技公司2017年则推出了额定功率6.45MW的直驱永磁大型海上风电机组,并将在江苏大丰,辽宁大连等海上风电场安装投运。

大型直驱永磁式风电机组发展形势稳定向好,预计到2020年,我国新增风电机组中,大型直驱永磁式风电机组将占到45%左右的市场份额。

3、直驱励磁式全功率变流技术发展成熟

直驱励磁式全功率变流风电机组是由变桨距风轮直接驱动励磁发电机发电,通过全功率变流器向电网馈电的风电系统。

德国Enercon公司在21世纪初开发了直驱励磁式全功率变流风电机组,功率涵盖1.5MW至7.5MW,在欧洲风电场得到广泛应用。例如:该公司研制的新一代E-126直驱风电机组,风轮直径127米,采用了1600吨的履带吊安装。单机容量为7MW;采用2段式叶片,便于运输和现场组装;轮毂高度198米,直驱励磁式发电机,全功率变流器,采用混合式塔筒-钢制顶段,其余由混凝土建造,塔底直径为14.5米。该机组采用“蛋形”机舱;新型叶片设计,与机舱罩和导流罩有机融合,使气流均匀地通过机舱,减少湍流和扰流,提高发电量。叶片采用了“小翼”叶尖,可以在风轮平面内抑制生成扰流和旋涡,从而降低噪声,提高发电量;叶片法兰直径大,采用双列螺栓连接。该机组采用励磁发电机,是德国Enercon公司近年来研制的最大型直驱式风电机组。7MW直驱励磁风电机组以及其前身6MW直驱励磁风电机组已经在欧洲陆上风电场批量安装,并网发电。

此外,中国航天万源公司也在生产直驱励磁式风电机组并在中国陆上风电场得到应用。

4、半直驱永磁式全功率变流风电机组取得成功

半直驱永磁式全功率变流风电机组是由变桨距风轮驱动中速齿轮箱,再由齿轮箱驱动永磁发电机发电,通过全功率变流器向电网馈电的风电系统。

法-德合资的Areva Multibrid公司研制的半直驱永磁型5MW风电机组已在海上风电场批量投入运行。该机组额定功率 5 MW;风轮直径116 m。机组采用集成化设计:将风力机的主轴、齿轮箱、高速轴和发电机集成在一起,以减少重量,从而降低成本。传动链为:风轮+单级齿轮箱(1:9.92)+多级永磁发电机。系统采用折中方案,兼顾了双馈式风电机组和直驱式风电机组的优点,折中考虑了性能与价格的关系。

日本三菱重工和丹麦Vestas公司合作研制了164-8.0 MW半直驱新型海上风电机组。该机组采用了一个中速齿轮箱、永磁发动机和全功率变流器。随着164-8.0MW 半直驱海上风电机组在海上风电场的成功并网运行,Vestas公司将会把业主的海上风电收益率提高到一个新的水平。该机组能量捕获的最大化,不仅是因为有164米直径的巨大风轮,还因为优化了风轮与发电机的比例。由于采用较少数量的大型风力机而减少了运行和管理的成本。减少了投资风险的规模,因为较少数量的风力机也意味着较少的基础和电缆。由于164-8.0MW Vestas的结构设计寿命是25年,产业标准突出,因而使投资商的投资回报实现最大化。这会给业主一个更长的发电期限,并增加业主的商业效益。设计理念是:可靠性高、可预测、保障寿命期性能。尽可能减少维修次数,需要维修时,要做到安全、快捷和低成本。2018年,日本三菱重工和丹麦Vestas合资公司又设计研发出10MW半直驱海上风电机组,预计2021年投入海上风电场建设。

中国广东明阳风电公司研制了MySE5.5/7MW 紧凑型半直驱永磁式海上风电机组,该机组采用中速齿轮箱驱动永磁同步发电机的发电技术,发出的电通过全功率变流器馈入电网,采用液压独立变桨。系统具有高发电量、高可靠性、低度电成本、防盐雾、抗雷击、抗台风等独特优势。与传统的风力发电技术相比,其关键技术和优势体现在“超紧凑的传动链”、“轻量化结构”、“集成化液压系统”、“全密封设计”四个方面。

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