3. 各种“全功率变流”技术争相发展
相对于双馈部分功率变流机组而言,全功率变流技术使机组在更宽的转速范围内运行,因而提升了机组的发电量。据相关资料显示,2MW 高速永磁机组采用高速永磁全功率变流技术,年发电量比双馈机组要高5% 左右。直驱机组就是典型的全功率变流机组,但是随着单机容量的增加,直驱机组重量增加特别明显(如表1 所示),由此带来成本、运输、吊装、维修等一些列的问题,因而出现了各种带齿轮箱的全功率变流机组。
常见的全功率变流机组除直驱以外,还有半直驱、混合驱动或紧凑型等中速永磁机组,高速永磁机组,以及采用高速笼型异步发电机的全功率变流机组。从某种意义上讲,他们都是直驱和双馈机组的折中方案。因为他们既保留了直驱的全功率变流技术,缩减了直驱发电机的重量和尺寸,又借鉴了双馈的增速齿轮传动,提高了机组的综合效率。通过折中之后,齿轮箱和发电机两大部件在重量上都将得到显著的降低。
目前,除直驱以外,上述各种全功率变流技术在国内尚未大规模批量化应用,特别是半直驱技术。据悉, 价格昂贵是目前半直驱技术大规模推广应用的主要障碍,但通过集成化设计及规模化生产,其竞争力将越来越强。例如,Winergy 公司近年来推出的HybridDrive 混合驱动技术,通过采用齿轮箱与发电机集成设计,传动链重量实现了最小化,传动链的长度也可缩短35% ~ 50%[12]。此外,齿轮箱和发电机两大部件采用独立拆卸的结构设计,特别适合于海上风电的维护需求。因此,在传动系统中采用集成化设计和紧凑型结构被认为是未来特大型风电机组的发展趋势。
4. “同步级并网”的提出
可以说,由于提升了电网中风电的穿透水平,电力电子技术催生了现代风电产业的繁荣。但是,由于风电与生俱来的不稳定性和可调控性差等毛病,在其电网穿透率不断提升的过程中,对电网的安全稳定运行也造成了极大的隐患。特别是近几年,由于低电压穿越能力的普遍缺失、风场无功控制不到位等方面的问题,致使机组大规模脱网事故频发。而且,机组因低电压脱网后往往导致系统无功过剩,进而又引发高电压脱网等次生事故。
对此,国家目前采取的解决办法是对现有机组进行低电压穿越能力的技术改造,并为每台机组增设无功补偿装置。截止2013 年9 月,国家风电技术与监测研究中心对全国247 个风电场进行了低电压穿越能力技术改造的抽检,最终98%的机组都获得通过。但据了解,仅双馈机组因低电压穿越技术改造而花费的成本就逾百亿,将来若再进行高电压穿越技术改造,费用更是不菲。
另一方面,通过采用全功率变流技术提升了机组的低电压穿越性能,但即便如此,其对电网的支撑能力仍远逊于常规发电机组。与电力系统中大量使用的火力或水力同步发电机组相比,双馈和直驱等主流机组的暂态过载能力较弱,在电网发生故障时虽能实现穿越,却难以构筑“坚强”的电力系统。
为解决以上问题,国外效仿常规火力发电机组采用同步发电机直接并网的方式,首先提出了“同步级并网”风电机组的概念。由于发电机本身就能发出电网所需的无功功率,因此不需要增设无功补偿装置,省去了技术改造的费用。而要实现这种概念需对机组传动系统进行恒速设计,使同步发电机始终恒速运行,发出频率和电压与电网一致的电,然后直接并网。所以,该技术的另一个好处是省去了价格昂贵且国产化仍然不足的变流器。