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“直驱VS双馈”风机技术流派大比对  

2016-09-09 12:05:37|  分类: 生产工艺 |  标签: |举报 |字号 订阅

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 在风电技术的选择方面,随着国内风机大型化趋势的升级,业内对于直驱与双馈技术孰优孰劣的讨论也更加激烈。今天我们就从发展历史、运维情况、发展趋势等方面来比对一下这两种技术的特点。

  随着国家新能源发展线路的明确,风电行业的发展正在被越来越多的人所关注和期待。在风电技术的选择方面,随着国内风机大型化趋势的升级,业内对于直驱与双馈技术孰优孰劣的讨论也更加激烈。今天我们就从发展历史、运维情况、发展趋势等方面来比对一下这两种技术的特点。

  发展历史

  现在市场上有一种误解,即直驱技术是一种新兴的技术,而双馈技术是传统的技术。其实,从诞生时间看,双馈和直驱两种技术几乎是同时出现的,甚至直驱技术的出现要比双馈技术更早些。但是发展至今,双馈技术因其运行稳定的特性占据了大片的市场份额。

  双馈、直驱两种技术路线的本质区别在于双馈型是带“齿轮箱”的,而直驱型是不带“齿轮箱”的。现在全世界风电机组中,85%以上是带齿轮箱的机型。尤其在技术、稳定性及可靠性要求更高的海上机组中,无一例外的全部采用了技术成熟且可靠性好的带齿轮箱技术方案,包括2兆瓦、2.3兆瓦、3兆瓦、3.6兆瓦、5 兆瓦等各级别机型,厂商包括Vestas,Siemens, Repower,华锐风电等全球所有主要海上风电机组生产厂商。目前为止,除金风科技的一台1.5兆瓦机组外,全世界范围内还没有更多的直驱机组下海。

  从目前国内的情况来看,双馈变桨变速型风机的装机容量最大。代表厂家包括vestas,GE,GAMESA,华锐,东汽,国电联合动力、明阳、上海电气,北重等;直驱式变桨变速型风机也有一定装机容量,代表厂家包括如金风,湘电,上海万德等;此外还有一种失速型定桨定速风机,多数为小功率机型,目前在大功率机型上基本淘汰。

  从市场份额来看,多数业内人士认为,带齿轮箱的风电技术将在今后相当长的时间内继续占据市场主流地位。而直驱技术的市场表现如何,还有待观察。

  部件差异

  在发电机、变频器、齿轮箱等风机主要部件中,双馈和直驱机型都存在一定的差异。

  从发电机看:目前双馈机组采用双馈式异步发电机,而直驱机组多采用低速多极发电机,发电机的励磁方式分为永磁和电励磁两类。在励磁发动机方面全球领先的是德国的Enercon公司,其产品的全球市场占有率一直稳定在10%左右。永磁发电机的主要代表则是中国的金风和湘电两家公司。

  直驱式发电机由于转数低,且磁极数很多,通常在90极以上,而且体积和重量相比双馈式机组也大很多,对其轴承等转动部件要求极高。另外,永磁材料在震动、冲击、高温情况下容易发生失磁的现象;而且材料中含有铁,在海上强盐雾的情况下防腐问题难以解决;同时,由于永磁材料存在永久的强磁性,无法在现场条件下检修,所以一旦出现问题只有返回厂家才能维修,现场不具有可维护性,给运行带来了很大的隐患。而双馈式异步风电机则具有技术成熟可靠,成本低,重量轻、易维护等优点,目前国际前几大整机厂商均采用双馈式异步风电机就充分证明了这一技术的上述优点。

  从变频器看:直驱机组采用的是全功率变频器,容量大,价格昂贵,并且变频器产生谐波大。双馈机组中仅有转差功率经过变频器,充分发挥了双馈发电机以小博大的优点,所以变频器容量小,价格低,并且机组的谐波小。

  从齿轮箱看:直驱机组不采用齿轮箱,风轮直接带动发电机转子旋转。省去齿轮箱会减少齿轮箱的机械故障,但风轮与发电机直接连接会增加叶片的冲击载荷,并且将其直接传递到发电机上,增加了发电机出故障的可能性。双馈机组采用齿轮箱将风轮转速升高,提高了发电机的效率,而齿轮箱技术从上世纪90年代起已经发展的非常成熟,其故障率已经非常低。

  运维情况与故障维修

  从低风速下的运行情况看,直驱式风机没有运行转速下限的限制,而双馈式风机存在着运行转速的下限,所以从原理上来讲直驱式风机的切入风速可以更低。但是,直驱式风机所使用的全功率变频器。存在较高的功率损耗的问题,由于全功率变频器的容量是双馈风机中变频器的三倍左右,所以变频器的功率器件和冷却等设备所消耗功率也要大很多。同时,风电机组可以吸收的风能与风速的三次方成正比,所以在低的切入风速的情况下可利用的风能非常有限。综合考虑以上两个方面,在低风速下双馈式风机和直驱式风机的实际发电功率是旗鼓相当的。

  从故障维修方面看,直驱技术由于没有齿轮箱会减少相对应的故障率,但是直驱技术也并非没有短板,发电机散热与机头载荷,就是困扰直驱技术的两大问题。由于直驱机组必须通过空气流过转子和定子之间的间隙来进行冷却,空气中含有的带电粒子、灰尘等会在永磁场的作用下附着在永磁体的表面,造成风机磁隙发生变化,从而影响机组性能,由于存在强磁场,附着后的带电粒子和灰尘很难去除。此外,直驱机组虽然省去了“齿轮箱”却增加了其机头载荷,机身更大,用钢材更多。机头重量过重容易使机舱、轮毂的联合处磨损。而且由于存在强的永磁场,在机组上进行维修几乎不可能,金属工具在机组上也很难运作,一旦发生故障就要将整个机舱运回车间维修,而在海上项目中一旦发生故障则需将整个机舱拆下,拆卸和安装成本可以与整个风电机组造价相比。而双馈机型可以单独对齿轮箱、发电机等部件单独维修,其维护难度和维护成本要远远低于直驱机型。

  未来几年内双馈和直驱两种技术的发展趋势

  现阶段双馈技术经过多年发展,技术已相对成熟,机组运行状态稳定,市场认可度较高;相对而言永磁同步(直驱、半直驱为代表)技术近几年虽得到一定的发展,但是在以下几方面仍较双馈技术有所不足:

  (1)发电量比较:永磁同步技术其机组转速范围较宽,在低风速下发电量有一定优势,但其全功率变频的特点导致随风速提高,其发电量优势将因变频器损耗迅速增大而减小。理论计算的发电量比较两者相近,双馈技术略优于永磁同步技术。

  (2)成本比较:永磁同步技术虽然降低或省去了齿轮箱成本,但其发电机和全功率变频器均较双馈技术更加昂贵。

  (3)电能质量:永磁同步技术所采用的全功率变频系统的谐波含量非常高(基本超过5%),必须使用谐波滤波器。而双馈机组中的谐波含量可控制在较低水平。

  (4)机组安全:电网故障时双馈系统可提供更高的电流能力,更有利于启动过电流保护及故障清除;全功率变频系统其电流能力基本被限制在2倍额定电流。

  (5)退磁问题:永磁同步技术其发电机存在退磁隐患,尚无明确更换方案。Enercon公司发电机仍采用损耗大的电励磁方式。

  (6)海上装机:直驱机组往往采用利用定转子间气隙以自然通风的方式对发电机进行冷却,当安装到海上风场时,发电机作为核心部件会直接与腐蚀性空气接触,防腐问题极难解决。且出现问题维修更换耗资巨大。现在海上风场尚无安装大型直驱风电机组的先例。

  (7)维护成本:直驱机组其发电机尺寸重量大,更换维护不便,需预订专业安装船或大型浮吊完成工作,但全球目前可用的安装船只和大型浮吊寥寥可数,且船期需要至少提前一年预定,所以故障处理时间无法保证。而且动用大型海上吊装船只成本极高,所以其维护的时间成本和经济成本都比较高昂。

  结语

  双馈技术已经在过去的十多年中成为不可争辩的主流技术,而直驱和永磁直驱技术目前来看尚无法动摇带齿轮箱技术的主流地位。可以肯定的是,风电机组技术的成熟性、质量的稳定性和可靠性、及时而低成本的维修和维护将是市场选择的最重要标准,特别是在海上风电的机组选择中,目前看来,带齿轮箱的风电机组仍是海上风电的绝对主流。

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