半直驱！风电第三势力兴起

作为除双馈与直驱外的第三大主流技术路线，中速传动正快速兴起，这源于风电行业对更低度电成本的主动探索。

种种迹象表明，中速传动（也称“半直驱、混合”）技术的春天来了。

一位部件制造商生产负责人向本刊记者透露，他所在的企业正为20余款中速传动产品进行部件生产或试制，当然，这其中不乏一家整机商的多款机型。另据了解，国内排名靠前的整机商，大多数在评估是否转向或添加这一技术路线，实际上已有整机商立起样机，有的正在开发此类产品。

这种热火朝天的景象，在一年前还难以想象。曾经被无数业内人士奚落的“半吊子”，如今成了“香馍馍”，风电技术路线除双馈、直驱外的第三势力正迅速崛起。

全球数据也呈现出同样的趋势。能源调研机构Wood Mackenzie预测，到2029年中速传动机组在全球陆上风电、海上风电市场的占有率将分别达到45%、34%。稍加时日，中速传动甚至可能坐上风电技术路线的“第二把交椅”。

市场需求说了算

“从企业经营角度来说，技术是为市场服务的，市场需要什么，技术就怎么跟。在不同市场条件下，技术需要持续跟踪、动态调整。任何技术路线没有谁领先谁的问题，只有市场适应性问题。”对于愈演愈烈的中速传动热潮，某整机商产品总监李辉认为。

市场与技术确实在不断演进，受技术进步与成本控制影响，在颠覆性技术出现之前，风电机组大型化趋势已是不争的事实。据李辉预测，未来5年海上机组单机容量将以年均1MW的速度递增，这意味着单机容量将由如今的10MW左右，在5年内发展到15MW以上。陆上机组单机容量相对较小，但在大型化方面也不会放慢脚步，已有不少整机商喊出了“海陆同款”的产品推广计划。

在目前技术条件下，随着机组的体积与重量不断增加，机组运输难度将由量变引发质变；出于对成本与可靠性的考虑，一些机型的发电机不断增大，其发电效率也将受到挑战；更高的运维难度则要求大型海上机组运行必须足够可靠，这给采用传统技术路线的整机商出了难题。

如果说大型化对于整机商技术提升与变革的要求还不是火烧眉毛，那么，成本倒逼可能是催促其立即行动的导火索。

近期我国陆上风电主机的平均价格快速下降，由2020年6月的3450元/千瓦，快速下降至2021年5月的2580元/千瓦。而铜价、螺纹钢价则分别由同期的4万元/吨、3600元/吨，分别上升到6.8万元/吨、6000元/吨。有整机商的主机销售价格，已经接近甚至低于成本。

对此，李辉认为，中速传动机组的体积与重量相对较小，成本也具有较强竞争力，可靠性能够得到有效把控，在目前的市场条件与技术发展趋势下，不失为一条解决机组大型化技术难题的有效途径。

据李辉介绍，某3.xMW机型中速传动机组机舱的重量仅为105吨，其发电机磁钢用量不足300公斤；某6MW机型的发电机与齿轮箱的径向尺寸仅为2.2米，整个传动链的最大直径处位于塔架轴心，也仅为3米。另据一家正在研发中速传动技术的整机商透露，当单机容量达到15MW时，中速传动机组与传统机组的重量或将相差100余吨。主机重量轻、体积小的一个显而易见好处是，能够降低整机载荷，使用原材料更少，以实现更低的生产与运输成本。

“随着头部制造商的不懈努力，除主轴承与PLC外，我国已形成完整且开放的中速传动技术国产零部件供应链体系，这也在一定程度上降低了产品成本。”李辉认为。

此外，中速传动机型的可靠性同样更易把控，其齿轮箱普遍采用两级行星轮传动，主流机型发电机与齿轮箱通过壳体的刚性联接而无需对中，为机组的可靠运行打下基础。

自主研发并不晚

中速传动并不是一项新技术，只是形成大规模应用的时间较短。

“中速传动是从双馈与直驱技术派生的，吸收了双方的特点，机械传动部分类似双馈，电气传动部分类似直驱。”李辉谈到：“因此，它在国外也被称为混合传动，在国内为方便理解冠以‘半直驱’多年。”

有信息显示，最早进行中速传动技术研究的是德国风电整机设计公司aerodyn。1998年前后，直驱技术已出现约10年，双馈技术逐渐兴起，设计工程师们发现，这两项技术的差异明显，且各有所长，便尝试将双方中和，做出中间的技术路线，寄望鱼与熊掌兼得。通过进行大量技术研究，aerodyn最终形成4套可对比方案。第一套方案由Multbird于2003年完成5MW样机，并实现批量化生产。第二套由Winwind开发为3MW和1MW两款机型，3MW机型实现小批量投运，1MW机型被国内整机商引进。第三套为超紧凑型方案，由我国另一家整机商引进，并通过消化、吸收、再创新等不断努力，实现了对该中速传动技术路线的自主研发能力，开发出多款具备里程碑意义的机型，实现批量应用。第四套方案则未能实现成品落地。

更值得关注的是，我国首台中速传动样机并非来自于aerodyn方案，而是由我国头部整机商纯自主研发的产品。

据此前媒体报道，这款单机容量为3MW的中速传动机型，肇始于2006年的国家科技部立项，在2009年研制成功并实现样机并网，是全球第三款实现样机的中速传动机型。

一位参与相关研发的工程师，在与本刊记者谈及该样机的研发过程时提到，工程师们首先考虑的是中速传统系的主轴系、齿轮箱、发电机三大组成部分应如何选择，谁来制造，如何连接为一体等问题。

“在样机研发过程中，我们解决了一系列挑战，现在看来仍是这类技术路线产品所普遍采用的方案。比如双主轴承，一体化轴承座，大约40的传动比，纯自主研发的三大件联接装置，以及国产永磁发电机等。”这位工程师说：“这些问题解决了，3MW中速传动样机也就成功了。”

谈及该样机的运行情况时，这位工程师表达更多的是认可：“样机运行比较稳定，测试数据比设计预期要好。”

据了解，目前我国已实现中速传动机组样机的整机商与设计公司，包括明阳智能、金风科技、三力新能、哈电风能、华创风能、南京中人等。

有差距但能追赶

即便是中速传动技术路线阵营本身，根据主轴系、齿轮箱与发电机的集成度与组合关系，也可分为多种形式技术方案。

首先是三者之间均有中间轴相连的中速传动机组，传动系统集成度较低，相对而言更接近双馈机组的布局。这可以算作是第一种形式，但目前采用该形式的机型已屈指可数。

随着技术发展，齿轮箱与发电机之间的中间轴逐渐被设计工程师去除，但两者仍相对独立，由联轴器连接在一起，实现了传动系统的中度集成。在此基础上，日前有国际齿轮箱制造商公开表示，其进一步集成了发电机与齿轮箱，将“发电机的转子通过空心轴和轴承直接挂在齿轮箱的输出太阳轴上，定子可以直接安装在齿轮箱上”。这可以统归为第二种形式的中速传动技术。

而将主轴系、齿轮箱、发电机全部集成在一起的超紧凑型机型，则可归结为第三类中速传动机型，是目前我国装机容量最大、实现样机单机容量最大的中速传动形式。

在谈及中速传动技术的未来发展时，李辉认为关键在于齿轮箱。“在由发电机与齿轮箱所组成的发电单元中，齿轮箱的重量占到三分之二，优化它的意义更大。”

上述国际齿轮箱制造商的理解则更深层次地解释了李辉的观点：当机组单机容量与风轮直径不断增加时，扭矩增加速度将远远大于功率增加速度，这对于成本、重量、扭矩为正相关关系的齿轮箱是一项关键挑战，如果齿轮箱想满足三项目标，就必须提升自身扭矩密度。例如，如果两个齿轮箱都是25吨，一个可以传递3MW功率，另一个可传递4MW功率，那么第二个齿轮箱的扭矩密度更大。

另据李辉介绍，目前提升扭矩密度的主流方式有两种：一是增加行星轮数量；二是功率分流技术。

“齿轮箱行星轮数量越多，能够分担的总功率就越大，在同样功率下齿轮箱重量就越轻。打个比方，同样装一车煤，5个人肯定比4个人装省力。”李辉进一步解释道：“常规齿轮箱能做到4个行星轮，而有国际齿轮箱企业宣传最多能做到8个，这是需要我国厂家进一步提升技术水平的地方。”

功率分流则是以另外一种方式分担扭矩，简而言之是将第一级的输入功率分为两路输入，就如同一个重物需要由200千克的大胖子扛，但由两个80千克的人一起承担也能够搬动。这项技术的挑战在于，对设计要求较高，目前我国还没有团队进行这方面的研究工作。

事实上，对于齿轮箱扭矩密度的提升，上述国际齿轮箱制造商已给出了明确的目标，即达到200牛米/千克以上。而据李辉介绍，目前我国传统齿轮箱扭矩密度仍相差较远，相关企业正努力通过工艺与技术进步实现提升。这或许就是中速传动技术进一步实现内生性竞争力提升，所重点角力的地方。