为了追求风能的最大化利用,变桨技术得到发展,并在电力电子技术的帮助下使机组实现了“变速”运行,从而提高了机组的年发电量(AEP)。同时,先进的电力电子技术的应用极大地改善了风力发电系统的运行和控制性能,提升了电网中风电的穿透率。于是,水平轴机组从第一代“定桨距恒速恒频”机组过度到了第二代“变桨距变速恒频”机组。目前新增的机组几乎都属于第二代。
2. “双馈”与“直驱”的较量
双馈机组,采用增速齿轮箱与绕线式转子异步发电机,其变流器的容量约占发电机功率的30%-40%,因此也叫部分功率变流机组。由于技术成熟度高、成本低,目前双馈机组的市场占有率最大,且在未来若干年里仍将占据市场主流地位。但是,随着机组单机容量的增大,齿轮箱高速级传动部件的故障问题日益突出,加之目前双馈异步发电机存在集电环碳刷磨损问题,需要定期维护,在海上风电应用中显现出劣势。因此,不带齿轮箱和集电环的直驱机组技术得到了快速发展。
直驱机组,采用低速永磁或电励磁同步发电机和全功率变流器,发电机的输入端直接与机组主轴和轮毂相连, 简化了机舱结构, 消除了增速齿轮箱和集电环的故障风险,减少了维护。但是,直驱机组低功率密度设计造成体积和重量的大幅增加,运输吊装困难,使得发电机的吊装维护成本很高。随着机组单机容量的增大,直驱机组成本和重量上升特别快,且同步发电机的气隙非常小,控制难度相当高。
根据2012 年全国风电设备运行质量调查对在运机组的统计,与2011 年相比,双馈机组的比例在降低,而直驱机组的比例在增加,其他机组的比例略有增加(如图3所示)。另外,由于技术的逐渐成熟,双馈机组的故障率明显降低,与直驱机组的故障率水平相当,而直驱机组的故障率却略有升高(如图4 所示)。
一般地,直驱机组的采购成本比双馈机组高。但是,在目前的海上风电建设中,机组成本占项目总成本的比重比陆上风电低很多。因此,若从全寿命周期的运维成本考虑,直驱比双馈将更适合于海上风电。
但到目前为止,双馈与直驱都各有优缺点。由于所站的立场不同,行业内各方的观点没法完全统一,加之缺乏相关统计数据,很难准确且定量地对两者的优势进行全面而公正的对比分析。但可以肯定的是,机组技术的成熟性、质量的稳定性和可靠性、及时且低成本的维修与维护将是市场选择最重要的标准。