文|國際能源網(wǎng)/風(fēng)電頭條
2002年，丹麥西海岸Horns Rev海上風(fēng)電場建成并網(wǎng)，這里安裝了80臺維斯塔斯2MW機(jī)組。但是在之后一年半的運行過程中，80臺機(jī)組同時正常工作的時間僅僅1.5小時，期間運營商共出動了7.5萬次運維航行，平均一天檢修兩臺機(jī)組。
如此高的事故發(fā)生率，導(dǎo)致維斯塔斯在Horns Rev風(fēng)電場運行兩年后不得不拆除或大修其中80臺機(jī)組。
高故障率在海上風(fēng)電發(fā)展早期并不鮮見，人們對海上惡劣的自然條件還是預(yù)估不足。傳統(tǒng)陸上機(jī)組沿用到海上往往會導(dǎo)致頻發(fā)的“齒輪箱故障”。
于是，在2000年代，人們便嘗試探索海上風(fēng)電新的技術(shù)路線，以提升運行穩(wěn)定性。2003年西門子推出了第一臺應(yīng)用于海上的3MW無齒輪箱型直驅(qū)機(jī)組。
在之后幾年試驗運行階段，直驅(qū)機(jī)組在海上表現(xiàn)十分優(yōu)異，并于2010年左右開始量產(chǎn)，以直驅(qū)機(jī)組逐步取代傳統(tǒng)帶有齒輪箱型機(jī)組。優(yōu)異的直驅(qū)產(chǎn)品也幫助西門子不斷斬獲更多的海上訂單，今天歐洲地區(qū)海上裝機(jī)中70%來自西門子歌美颯。
《2022全球海上風(fēng)電報告》顯示，2016年歐洲地區(qū)新增海上風(fēng)電機(jī)組中傳統(tǒng)鼠籠異步發(fā)電機(jī)還占據(jù)40%的份額，而5年后的2021年新增海上風(fēng)機(jī)全部變?yōu)橹彬?qū)與半直驅(qū)型。
海上風(fēng)機(jī)技術(shù)路線的演變趨勢同樣發(fā)生在中國，2016年中國海域新增風(fēng)機(jī)中超過90%屬于傳統(tǒng)雙饋和鼠籠發(fā)電機(jī)，2021年除高速永磁占據(jù)一定分額外，直驅(qū)與半直驅(qū)占比也迅速也提升到60%。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)按照傳動鏈結(jié)構(gòu)劃分，可分為高速傳動、中速傳動和低速傳動。高速傳動特點是帶有增速齒輪箱，分為鼠籠異步和雙饋異步，中速傳動即半直驅(qū)，低速傳動又稱直驅(qū)。
雙饋和直驅(qū)是陸上風(fēng)電主要應(yīng)用的技術(shù)路線。但海上風(fēng)電迥異的自然環(huán)境，而且機(jī)組功率越來越大兆瓦化，所以海上呈現(xiàn)出不同的技術(shù)路線之爭。
高速傳動，雙饋、鼠籠逐漸式微
高速傳動發(fā)電機(jī)屬于異步發(fā)電機(jī)，所謂高速，便是借助增速齒輪箱使得轉(zhuǎn)子以高于定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。
鼠籠和雙饋是高速傳動機(jī)組的兩種主要形式。鼠籠發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為封閉式籠型結(jié)構(gòu)，不需要電刷和滑環(huán)等部件，發(fā)電機(jī)定子繞組經(jīng)全功率變流器聯(lián)網(wǎng)；且沒有專門的勵磁結(jié)構(gòu)，通過定子側(cè)變換器為其提供勵磁，實現(xiàn)變速恒頻控制。雙饋發(fā)電機(jī)的葉輪通過增速齒輪箱與轉(zhuǎn)子連接，轉(zhuǎn)子的勵磁繞組通過變流器連接電網(wǎng)，定子繞組直接聯(lián)網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組電源的頻率、電壓、幅值和相位按運行要求由變流器自動調(diào)節(jié)，機(jī)組可以在不同的轉(zhuǎn)速下實現(xiàn)恒頻發(fā)電。
海上風(fēng)機(jī)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速通常在5-25轉(zhuǎn)/分鐘，借助增速齒輪箱可以將轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速放大到1500轉(zhuǎn)/分鐘左右，從而實現(xiàn)高效的風(fēng)能利用。但是齒輪箱是風(fēng)機(jī)傳動系統(tǒng)中容易過載、且損壞率相對較高的部件，其可靠性直接關(guān)系到風(fēng)機(jī)的使用壽命。而且，雙饋機(jī)組中集電環(huán)和電刷等部件，更是增加了機(jī)艙的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。
機(jī)艙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，發(fā)生故障的頻率也往往更高。海上風(fēng)電的運維成本占項目全生命周期總成本的20%~30%，是陸上風(fēng)電的2~3倍。
除此之外，隨著機(jī)組功率的增大，增速齒輪箱的設(shè)計難度也隨之提高。
也正因高速傳動機(jī)組應(yīng)對海風(fēng)時代的弊端，全球風(fēng)電三巨頭維斯塔斯、通用電氣和西門子歌美颯紛紛選擇了直驅(qū)或者半直驅(qū)技術(shù)路線。
維斯塔斯：2014年，9MW海上風(fēng)電平臺問世，采用半直驅(qū)技術(shù)，逐步取代了之前2000年雙饋2MW平臺與2010年鼠籠4MW平臺。
通用電氣：通用電氣的海上風(fēng)電業(yè)務(wù)源自阿爾斯通（Alston Wind），2012年，阿爾斯通Haliade150 6MW風(fēng)機(jī)問世，采用永磁直驅(qū)，取代了之前的雙饋技術(shù)路線。
西門子歌美颯：2003年推出直驅(qū)型海上風(fēng)電機(jī)組。
目前國內(nèi)涉足海上風(fēng)電的整機(jī)廠商包括遠(yuǎn)景能源、金風(fēng)科技、明陽智能、電氣風(fēng)電、中國海裝、東方電氣、哈電風(fēng)能和運達(dá)股份。其中遠(yuǎn)景能源和運達(dá)股份的海上風(fēng)機(jī)還采用增速齒輪箱高速傳動技術(shù)，中國海裝的H5.X/6.X及H8.X/10.X平臺部分機(jī)型采用高速永磁。其余整機(jī)商全部轉(zhuǎn)向直驅(qū)或半直驅(qū)技術(shù)。
在國外，8MW功率以上基本鮮有高速傳動路線機(jī)組。國內(nèi)，高速傳動機(jī)組最高功率止步于10MW左右，除遠(yuǎn)景能源Model Y平臺可提供最高12MW的高速傳動機(jī)組。
中國風(fēng)電整機(jī)商海上風(fēng)電技術(shù)路線發(fā)展圖譜
圖片來源：GWEC
低速傳動，永磁直驅(qū)眺望海洋
低速傳動發(fā)電機(jī)，指在機(jī)組傳動系統(tǒng)中取消了齒輪箱和傳動軸，機(jī)組風(fēng)輪系統(tǒng)直接驅(qū)動機(jī)組的同步發(fā)電機(jī)，所以又稱直驅(qū)電機(jī)。世界上第一臺直驅(qū)電機(jī)于1993年由Enercon制成。
直驅(qū)電機(jī)由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較低，所以需要提高磁場強(qiáng)度，即增加磁極數(shù)。
根據(jù)磁體性質(zhì)不同，直驅(qū)機(jī)組可分為永磁直驅(qū)和電勵磁直驅(qū)。而后者的電勵磁設(shè)計實際上是增加了機(jī)艙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，市場應(yīng)用并不多，德國Enercon等零星幾家企業(yè)生產(chǎn)，這么做的目的也是為了減少對永磁材料的依賴性。
相比之下，永磁直驅(qū)的應(yīng)用最為廣泛。一般情況下，直驅(qū)機(jī)組指的就是永磁直驅(qū)。
陸上風(fēng)電中，中國的金風(fēng)科技與德國的Enercon是直驅(qū)機(jī)組的主要供應(yīng)商。等到海上風(fēng)電，直驅(qū)機(jī)組的“朋友圈”進(jìn)一步擴(kuò)大，國外的西門子歌美颯和通用電氣，國內(nèi)的電氣風(fēng)電、東方電氣等紛紛加入。
直驅(qū)機(jī)組傳統(tǒng)系統(tǒng)部件數(shù)量少，沒有傳動磨損和漏油所造成的機(jī)械故障，減少了齒輪傳動裝置需要的潤滑、清洗等定期維護(hù)工作，不僅降低了風(fēng)電機(jī)組的運行維護(hù)成本，也使得整機(jī)的生產(chǎn)周期大大縮短。
最重要的是，直驅(qū)型技術(shù)路線可以實現(xiàn)風(fēng)電整機(jī)商追求大功率化的“野心”。
西門子-歌美颯和通用電氣的最大功率機(jī)組功率已步入14MW時代，在國際市場展開激烈角逐。上海電氣風(fēng)電11MW“海燕”平臺機(jī)組已投入到廣東揭陽神泉第二風(fēng)電場建設(shè)。
然而，相比雙饋或鼠籠高速傳動機(jī)組，直驅(qū)型機(jī)組碰到最大的問題便是機(jī)艙的重量。功率越高，機(jī)組需要的磁極數(shù)也越多，機(jī)組重量隨之快速增長。
例如，金風(fēng)科技2MW直驅(qū)機(jī)組機(jī)艙重量71.7t，3.6MW機(jī)組重量便達(dá)139.9t，功率增長80%，而重量增長95.1%。
重量的增長，對風(fēng)機(jī)的運輸、吊裝都會帶來難度。而海工（海上安裝平臺）的投資、研發(fā)周期又相對漫長，過于重笨的機(jī)組不僅安裝時間長，拖延工期，甚至?xí)龅綗o船可用的尷尬。
當(dāng)然，重量的“頑疾”也并非無法消除。西門子歌美颯入局海上直驅(qū)路線最早，技術(shù)儲備也更為扎實。通過對機(jī)艙結(jié)構(gòu)的“模塊化”設(shè)計，西門子歌美颯成功遏制了機(jī)艙重量的快速增長。隨著機(jī)組功率的增大，單兆瓦重量并沒有顯著增長。例如，西門子歌美颯14MW機(jī)組僅500噸，比通用電氣的同功率機(jī)組輕100多噸。
直驅(qū)機(jī)組的造價也相對更貴，因為它對稀土永磁材料有著很強(qiáng)的依賴性。目前，永磁材料以釹鐵硼應(yīng)用為主，中國占據(jù)了全球釹鐵硼產(chǎn)量85%的份額，所以對于國外直驅(qū)廠商而言，供應(yīng)鏈也存在不穩(wěn)定性。
中速傳動，漸受歡迎的半直驅(qū)
中速傳動技術(shù)路線的出現(xiàn)，是希望結(jié)合高速傳動和低速傳動的優(yōu)點，而又規(guī)避二者的缺點。
中速傳動不需要高速傳動機(jī)組的高速齒輪箱，中速齒輪箱即可。一般情況下，相比高速傳動1500轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速，中速傳動只需要將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速放大到150轉(zhuǎn)/分鐘，齒輪箱的結(jié)構(gòu)大大簡化。同時，它又不需要直驅(qū)機(jī)組那么多磁極數(shù)，從而保持機(jī)組重量在合理范圍內(nèi)。
所以，在國外中速傳動技術(shù)路線被成為混合傳動，它糅合了高速傳動和低速傳動兩種路線。在國內(nèi)，中速傳動通常被叫做半直驅(qū)。
世界上第一臺半直驅(qū)機(jī)組由德國Multibrid在1990年代末下線，功率5MW。但長期以來，半直驅(qū)技術(shù)并不受市場親睞，始終處于邊緣的地位。
直到海上風(fēng)電大時代的到來，為半直驅(qū)技術(shù)的應(yīng)用打開了一扇窗。
雖然第一臺應(yīng)用于海上的半直驅(qū)機(jī)組由Areva于2009年下線，但真正推動半直驅(qū)技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的是維斯塔斯。
維斯塔斯早先應(yīng)用在海上風(fēng)電的既有雙饋機(jī)組，也有鼠籠機(jī)組。在意識到傳統(tǒng)技術(shù)路線的問題與瓶頸后，維斯塔斯選擇半直驅(qū)作為海上風(fēng)電技術(shù)的未來。相比西門子等同行紛紛選擇直驅(qū)路線，維斯塔斯的選擇令外界感到十分詫異。
維斯塔斯的半直驅(qū)路線也進(jìn)行地非常順利。2014年，采用半直驅(qū)的海上9MW平臺問世，該系列風(fēng)機(jī)迅速占領(lǐng)了全球多地市場。截止到2021年，維斯塔斯的9MW系列風(fēng)機(jī)全球銷售608臺，銷售規(guī)模達(dá)到5.4GW。在歐洲海上風(fēng)電市場中，維斯塔斯的半直驅(qū)機(jī)組與西門子歌美颯的直驅(qū)機(jī)組形成了兩強(qiáng)爭霸的局面。
國內(nèi)整機(jī)商中，明陽智能是最早開始篤定選擇半直驅(qū)的整機(jī)商。2008年，明陽智能從歐洲風(fēng)機(jī)設(shè)計公司aerodyn引進(jìn)相關(guān)技術(shù)，開啟半直驅(qū)技術(shù)的技術(shù)引進(jìn)、消化吸收和再開發(fā)的過程。2015年MySE 3.0MW風(fēng)機(jī)下線，開啟MySE系列半直驅(qū)產(chǎn)品時代。
相比直驅(qū)，雖然半直驅(qū)還是配備了齒輪箱，但機(jī)艙重量的降低非常顯著。以明陽智能的海陸大容量機(jī)組MySE11-203與MySE 6.25-172為例，二者機(jī)艙重量分別低于360噸和160噸，折算成單兆瓦重量為32.7噸/MW、25.6噸/MW。
在走向大兆瓦功率方面，半直驅(qū)也是屢破記錄。
2021年，維斯塔斯成功下線15MW半直驅(qū)風(fēng)機(jī)，國內(nèi)明陽智能、中國海裝與金風(fēng)科技16MW半直驅(qū)風(fēng)機(jī)也在2022年先后下線。
當(dāng)然半直驅(qū)路線技術(shù)門檻較高，技術(shù)成熟度也沒有達(dá)到雙饋或者直驅(qū)的水平，這會成為它短時間內(nèi)大規(guī)模應(yīng)用的限制。
總結(jié)
隨著陸上風(fēng)電發(fā)展空間的收窄，海上風(fēng)電將會迎來爆發(fā)式地增長。而推動海上風(fēng)電度電成本不斷下降的驅(qū)動力之一便是風(fēng)機(jī)功率大型化。在2022年太原低碳能源發(fā)展論壇上，明陽智能的總工程師賀小兵說道：今年投產(chǎn)下線的一些海上風(fēng)機(jī)產(chǎn)品功率已經(jīng)達(dá)到16兆瓦，預(yù)計在“十四五”末，海上風(fēng)機(jī)的功率會發(fā)展到25兆瓦，而“十五五”期間，海上風(fēng)機(jī)的功率會進(jìn)一步提升至30兆瓦的水平。
功率越大，海上風(fēng)電也越難以承受機(jī)組故障宕機(jī)付出的高成本。如何提高海上風(fēng)電的穩(wěn)定性，國外風(fēng)電廠商布局更早，提前研發(fā)穩(wěn)定性更高、適應(yīng)性更強(qiáng)的直驅(qū)或半直驅(qū)技術(shù)。
在國內(nèi)海上風(fēng)電逐步發(fā)展以后，國內(nèi)風(fēng)電廠商依循了相似的路線。
不過，風(fēng)力發(fā)電作為“碳中和”關(guān)鍵的一環(huán)，技術(shù)的探索是沒有終點的。兵無常形，水無常勢，目的都是為了高效地利用自然界的風(fēng)能。風(fēng)電技術(shù)的創(chuàng)新未來或許還會出現(xiàn)意想不到的突破。