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海上风电技术强势崛起!直驱、半直驱、双馈、鼠笼等谁是未来?

日期:2022-11-19    来源:风电头条

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2022
11/19
11:59
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关键词: 海上风电场 风电场项目 海上风电

2002年,丹麦西海岸Horns Rev海上风电场建成并网,这里安装了80台维斯塔斯2MW机组。但是在之后一年半的运行过程中,80台机组同时正常工作的时间仅仅1.5小时,期间运营商共出动了7.5万次运维航行,平均一天检修两台机组。

如此高的事故发生率,导致维斯塔斯在Horns Rev风电场运行两年后不得不拆除或大修其中80台机组。

Horns Rev风电场需要频繁调用直升机进行检修,成本巨大

高故障率在海上风电发展早期并不鲜见,人们对海上恶劣的自然条件还是预估不足。传统陆上机组沿用到海上往往会导致频发的“齿轮箱故障”。

于是,在2000年代,人们便尝试探索海上风电新的技术路线,以提升运行稳定性。2003年西门子推出了第一台应用于海上的3MW无齿轮箱型直驱机组。

在之后几年试验运行阶段,直驱机组在海上表现十分优异,并于2010年左右开始量产,以直驱机组逐步取代传统带有齿轮箱型机组。优异的直驱产品也帮助西门子不断斩获更多的海上订单,今天欧洲地区海上装机中70%来自西门子歌美飒。

《2022全球海上风电报告》显示,2016年欧洲地区新增海上风电机组中传统鼠笼异步发电机还占据40%的份额,而5年后的2021年新增海上风机全部变为直驱与半直驱型。

海上风机技术路线的演变趋势同样发生在中国,2016年中国海域新增风机中超过90%属于传统双馈和鼠笼发电机,2021年除高速永磁占据一定分额外,直驱与半直驱占比也迅速也提升到60%。

风力发电机按照传动链结构划分,可分为高速传动、中速传动和低速传动。高速传动特点是带有增速齿轮箱,分为鼠笼异步和双馈异步,中速传动即半直驱,低速传动又称直驱。

双馈和直驱是陆上风电主要应用的技术路线。但海上风电迥异的自然环境,而且机组功率越来越大兆瓦化,所以海上呈现出不同的技术路线之争。

高速传动

双馈、鼠笼逐渐式微

高速传动发电机属于异步发电机,所谓高速,便是借助增速齿轮箱使得转子以高于定子旋转磁场的转速旋转。

鼠笼和双馈是高速传动机组的两种主要形式。鼠笼发电机转子为封闭式笼型结构,不需要电刷和滑环等部件,发电机定子绕组经全功率变流器联网;且没有专门的励磁结构,通过定子侧变换器为其提供励磁,实现变速恒频控制。双馈发电机的叶轮通过增速齿轮箱与转子连接,转子的励磁绕组通过变流器连接电网,定子绕组直接联网,转子绕组电源的频率、电压、幅值和相位按运行要求由变流器自动调节,机组可以在不同的转速下实现恒频发电。

海上风机的风轮转速通常在5-25转/分钟,借助增速齿轮箱可以将转子的转速放大到1500转/分钟左右,从而实现高效的风能利用。但是齿轮箱是风机传动系统中容易过载、且损坏率相对较高的部件,其可靠性直接关系到风机的使用寿命。而且,双馈机组中集电环和电刷等部件,更是增加了机舱的结构复杂性。

机舱结构越复杂,发生故障的频率也往往更高。海上风电的运维成本占项目全生命周期总成本的20%~30%,是陆上风电的2~3倍。

除此之外,随着机组功率的增大,增速齿轮箱的设计难度也随之提高。

也正因高速传动机组应对海风时代的弊端,全球风电三巨头维斯塔斯、通用电气和西门子歌美飒纷纷选择了直驱或者半直驱技术路线。

维斯塔斯:2014年,9MW海上风电平台问世,采用半直驱技术,逐步取代了之前2000年双馈2MW平台与2010年鼠笼4MW平台。

通用电气:通用电气的海上风电业务源自阿尔斯通(Alston Wind),2012年,阿尔斯通Haliade150 6MW风机问世,采用永磁直驱,取代了之前的双馈技术路线。

西门子歌美飒:2003年推出直驱型海上风电机组。

目前国内涉足海上风电的整机厂商包括远景能源、金风科技、明阳智能、电气风电、中国海装、东方电气、哈电风能和运达股份。其中远景能源和运达股份的海上风机还采用增速齿轮箱高速传动技术,中国海装的H5.X/6.X及H8.X/10.X平台部分机型采用高速永磁。其余整机商全部转向直驱或半直驱技术。

在国外,8MW功率以上基本鲜有高速传动路线机组。国内,高速传动机组最高功率止步于10MW左右,除远景能源Model Y平台可提供最高12MW的高速传动机组。

中国风电整机商海上风电技术路线发展图谱

图片来源:GWEC

低速传动

永磁直驱眺望海洋

低速传动发电机,指在机组传动系统中取消了齿轮箱和传动轴,机组风轮系统直接驱动机组的同步发电机,所以又称直驱电机。世界上第一台直驱电机于1993年由Enercon制成。

直驱电机由于转子转速较低,所以需要提高磁场强度,即增加磁极数。

根据磁体性质不同,直驱机组可分为永磁直驱和电励磁直驱。而后者的电励磁设计实际上是增加了机舱结构的复杂度,市场应用并不多,德国Enercon等零星几家企业生产,这么做的目的也是为了减少对永磁材料的依赖性。

相比之下,永磁直驱的应用最为广泛。一般情况下,直驱机组指的就是永磁直驱。

陆上风电中,中国的金风科技与德国的Enercon是直驱机组的主要供应商。等到海上风电,直驱机组的“朋友圈”进一步扩大,国外的西门子歌美飒和通用电气,国内的电气风电、东方电气等纷纷加入。

直驱机组传统系统部件数量少,没有传动磨损和漏油所造成的机械故障,减少了齿轮传动装置需要的润滑、清洗等定期维护工作,不仅降低了风电机组的运行维护成本,也使得整机的生产周期大大缩短。

最重要的是,直驱型技术路线可以实现风电整机商追求大功率化的“野心”。

西门子-歌美飒和通用电气的最大功率机组功率已步入14MW时代,在国际市场展开激烈角逐。上海电气风电11MW“海燕”平台机组已投入到广东揭阳神泉第二风电场建设。

然而,相比双馈或鼠笼高速传动机组,直驱型机组碰到最大的问题便是机舱的重量。功率越高,机组需要的磁极数也越多,机组重量随之快速增长。

例如,金风科技2MW直驱机组机舱重量71.7t,3.6MW机组重量便达139.9t,功率增长80%,而重量增长95.1%。

重量的增长,对风机的运输、吊装都会带来难度。而海工(海上安装平台)的投资、研发周期又相对漫长,过于重笨的机组不仅安装时间长,拖延工期,甚至会碰到无船可用的尴尬。

当然,重量的“顽疾”也并非无法消除。西门子歌美飒入局海上直驱路线最早,技术储备也更为扎实。通过对机舱结构的“模块化”设计,西门子歌美飒成功遏制了机舱重量的快速增长。随着机组功率的增大,单兆瓦重量并没有显著增长。例如,西门子歌美飒14MW机组仅500吨,比通用电气的同功率机组轻100多吨。

直驱机组的造价也相对更贵,因为它对稀土永磁材料有着很强的依赖性。目前,永磁材料以钕铁硼应用为主,中国占据了全球钕铁硼产量85%的份额,所以对于国外直驱厂商而言,供应链也存在不稳定性。

中速传动

渐受欢迎的半直驱

中速传动技术路线的出现,是希望结合高速传动和低速传动的优点,而又规避二者的缺点。

中速传动不需要高速传动机组的高速齿轮箱,中速齿轮箱即可。一般情况下,相比高速传动1500转/分钟的转速,中速传动只需要将转子转速放大到150转/分钟,齿轮箱的结构大大简化。同时,它又不需要直驱机组那么多磁极数,从而保持机组重量在合理范围内。

所以,在国外中速传动技术路线被成为混合传动,它糅合了高速传动和低速传动两种路线。在国内,中速传动通常被叫做半直驱。

世界上第一台半直驱机组由德国Multibrid在1990年代末下线,功率5MW。但长期以来,半直驱技术并不受市场亲睐,始终处于边缘的地位。

直到海上风电大时代的到来,为半直驱技术的应用打开了一扇窗。

虽然第一台应用于海上的半直驱机组由Areva于2009年下线,但真正推动半直驱技术大规模应用的是维斯塔斯。

维斯塔斯早先应用在海上风电的既有双馈机组,也有鼠笼机组。在意识到传统技术路线的问题与瓶颈后,维斯塔斯选择半直驱作为海上风电技术的未来。相比西门子等同行纷纷选择直驱路线,维斯塔斯的选择令外界感到十分诧异。

维斯塔斯的半直驱路线也进行地非常顺利。2014年,采用半直驱的海上9MW平台问世,该系列风机迅速占领了全球多地市场。截止到2021年,维斯塔斯的9MW系列风机全球销售608台,销售规模达到5.4GW。在欧洲海上风电市场中,维斯塔斯的半直驱机组与西门子歌美飒的直驱机组形成了两强争霸的局面。

国内整机商中,明阳智能是最早开始笃定选择半直驱的整机商。2008年,明阳智能从欧洲风机设计公司aerodyn引进相关技术,开启半直驱技术的技术引进、消化吸收和再开发的过程。2015年MySE 3.0MW风机下线,开启MySE系列半直驱产品时代。

相比直驱,虽然半直驱还是配备了齿轮箱,但机舱重量的降低非常显著。以明阳智能的海陆大容量机组MySE11-203与MySE 6.25-172为例,二者机舱重量分别低于360吨和160吨,折算成单兆瓦重量为32.7吨/MW、25.6吨/MW。

在走向大兆瓦功率方面,半直驱也是屡破记录。

2021年,维斯塔斯成功下线15MW半直驱风机,国内明阳智能、中国海装与金风科技16MW半直驱风机也在2022年先后下线。

当然半直驱路线技术门槛较高,技术成熟度也没有达到双馈或者直驱的水平,这会成为它短时间内大规模应用的限制。

总结

随着陆上风电发展空间的收窄,海上风电将会迎来爆发式地增长。而推动海上风电度电成本不断下降的驱动力之一便是风机功率大型化。在2022年太原低碳能源发展论坛上,明阳智能的总工程师贺小兵说道:今年投产下线的一些海上风机产品功率已经达到16兆瓦,预计在“十四五”末,海上风机的功率会发展到25兆瓦,而“十五五”期间,海上风机的功率会进一步提升至30兆瓦的水平。

功率越大,海上风电也越难以承受机组故障宕机付出的高成本。如何提高海上风电的稳定性,国外风电厂商布局更早,提前研发稳定性更高、适应性更强的直驱或半直驱技术。

在国内海上风电逐步发展以后,国内风电厂商依循了相似的路线。

不过,风力发电作为“碳中和”关键的一环,技术的探索是没有终点的。兵无常形,水无常势,目的都是为了高效地利用自然界的风能。风电技术的创新未来或许还会出现意想不到的突破。

来源:国际能源网/风电头条



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