水平轴并网风电机组发展现状

知识点：水平轴向风力发电机组

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。

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6?。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。

5、高速齿轮箱驱动鼠笼式感应发电机全功率变流风电机组

鼠笼式感应发电机全功率变流风电机组是由变桨距风轮通过高速齿轮箱驱动异步鼠笼式感应发电机发电，通过全功率变流器向电网馈电的风电系统。

西门子公司的2.3MW 和3.6MW海上风电机组就采用了液压变桨风轮驱动高速齿轮箱，带动异步鼠笼式感应发电机发电，通过全功率变流器向电网馈电这种技术路线。这两种规格的海上风电机组已经在海上风电场大批量应用，是经受住考验的成熟机型，也是2016年以前海上风电场的主流机型。

中国上海电气引进西门子技术研制的4MW海上风电机组也采用这种技术路线，并且在中国近海风电场大批量投入运行。

中国远景能源公司研制的4MW海上风电机组也采用这种技术路线，并且在中国近海风电场批量投入运行。

与鼠笼式感应发电机全功率变流风电机组类似的还有高速永磁式全功率变流风电机组。该机组是由变桨距风轮通过高速齿轮箱驱动高速永磁发电机发电，通过全功率变流器向电网馈电的风电系统。例如：中国重庆海装风电研制的H127-5MW风电机组就是这类机组。

6、低风速风电机组和其它适合特殊气候环境风电机组

针对中国大多数地区处于低风速区的实际情况，中国风电企业通过技术创新，研发出针对性的风电机组产品及解决方案，最为明显的特征为风轮叶片更长、塔架更高，捕获的风能资源更多。以2MW风电机组为例，中国远景能源、国电联合动力、明阳智慧、金风科技、中国海装等公司提供的2MW低风速风电机组的风轮直径已经达到121米以上。金风科技公司的3MW低速风电机组的风轮直径已经达到140米以上。这些低风速风电机组在我国中、南部省份的风电场建设运行中发挥了较好的作用。为了获取更多的风资源，部分2MW及以上功率的低风速风电机组近年来采用了高达140米的柔性塔架或两段式混合塔架（底段为混凝土制成，上段为钢筒制成）。

由于中国的北方具有沙尘暴、低温、冰雪、雷暴，东南沿海具有台风、盐雾，西南地区具有高海拔等恶劣气候特点，恶劣气候环境已对风电机组造成很大的影响，包括增加维护工作量，减少发电量，严重时还导致风电机组损坏。因此，在风电机组设计和运行时，必须具有一定的防范措施，以提高风电机组抗恶劣气候环境的能力，减少损失。近年来，中国的风电机组制造商已经开发了抗风沙型、抗低温型、高原型和抗盐雾型等适应恶劣气候环境下的各类并网型风电机组，确保了风电机组能够在恶劣气候条件下的风电场可靠运行，并有效地提高了发电量。

近年来海上风电机组发展情况

1、当前的技术状况

2013年以后，英国、德国和中国海上风电场建设项目加速。欧洲主要风电机组制造商加速了大型海上风电机组的研制。2015年以后，西门子公司研制的直驱永磁式6MW海上风电机组已经在欧洲海上风电场投入并网运行。2016年，日本三菱公司与丹麦Vestas公司联合研制的8MW半直驱及其支撑基础取得成功。海上专用运输吊装船只和专用运行维护设备的研究取得重大进展。到2018年，欧洲海上风电场批量投入运行的最大海上风电机组的单机容量已经达到8MW，欧洲海上风电场建设新增设备进入8MW时代，最大的半直驱海上风电机组已经达到8.8MW。与此同时，日本三菱与丹麦Vestas的合资公司2018 年已经研制出10MW半直驱永磁式发电机海上风电机组，并预期于2021年在海上风电场安装运行。2019年初，西门子-歌美飒合资公司也宣布研制出10MW直驱永磁式风电机组。而美国GE风能公司则宣布正在研制风轮直径220米的12MW的大型海上风电机组，并将在2019年进行样机试验。

2017年以后，英国和德国又开发了深海风电场。海上风电场规模一般比陆上风电场大，单个海上风电场的装机容量多为300MW以上。2018年，欧洲最大的海上风电场装机容量达到650MW。

在中国，随着海上风电场规划规模的不断扩大，各主要风电机组整机制造厂都积极投入大功率海上风电机组的研制工作。华锐率先推出3MW海上风电机组，并在上海东海大桥海上风电场批量投入并网运行。金风公司在江苏大丰县海上风电机组研发基地研制的2.5MW直驱式风电机组已经在潮间带风电场批量应用，其6.7MW直驱永磁式海上风电机组也已经于2018年并网运行。2016年7月底，10台由湘电公司研发的5MW海上直驱永磁式风电机组已经在福建莆田平海湾海上风场成功并网发电。2017年，中国海装研制的5 MW海上高速永磁风电机组也在海上风电场投入批量运行。国电联合动力研制的6MW海上风电机组样机已经安装试运行。远景能源研制的4MW海上风电机组已经在江苏海上风电场批量并网运行。2016年，上海电气-西门子联合研制的4MW海上风电机组都已经大批量应用于中国海上风电场，上海电气从西门子引进的6MW直驱永磁式海上风电机组也已在2017年安装在中国福建海上风电场。明阳智能研制的5.5MW中速传动永磁发电机全功率变流超紧凑型风电机组也已经于2018年并网运行。2019年1月，明阳智能在广东省揭阳市海上风电场安装了（7.25MW）半直驱永磁发电机的海上风电机组，这是迄今为止在我国安装的最大功率海上风电机组。

东方 电气于2015年研制出5.5MW高速永磁海上风电机组，在2018年东方 电气研制的10MW 海上风电机组通过了中国质量认证中心的设计认证。此外，南车株洲电力、浙江运达、太原重工等也在全力研制大型海上风电机组。

2、海上风电发展趋势

未来风能技术更新发展的驱动力主要来自蓬勃崛起的海上风电场建设，这一发展趋势已经不可逆转。海上风电机组将继续向单机功率10MW以上的大型化机组发展，海上风电场的规模也将继续向500MW 以上大型化风电场发展，海上风电场将从近海走向远海，从浅海走向深海，海上风电机组的支撑基础将从固定式走向漂浮式。

目前，漂浮式海上风电基础主要有：驳船式、半潜式、单柱式和张力腿式四类。其中，根据锚链的受力状态，又可将前三类归为悬链式基础，最后一类为张紧式基础。根据欧盟对新技术应用设定的成熟度等级划分，半潜式、单柱式漂浮基础技术已经成熟。2017年10月，采用5台西门子6MW直驱永磁风电机组和单柱式漂浮基础、总装机容量30MW的漂浮式海上风电场在苏格兰海域建成投运。驳船式和张力腿式漂浮基础将在2019年进入技术成熟期，可以预见在不久的将来，很快就会出现这四类漂浮基础技术同场竞技的场景。

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