摘要：近年来由于风电产业的快速发展，一些原来从事火电、水电和核电专业的人员也转入风电行业工作。为了使这些专业人员能够尽快进入角色，对当前的风电机组技术有一个比较概括的了解，本文概括介绍了当前陆上和海上风电机组的主要类型、技术成熟度和发展前景。
关键词：设备技术；发展现状；前景
引言
概括介绍了当前风电机组的主要类型、技术成熟度和发展前景
1小型风电机组技术
1.1水平轴风电机组
一般功率为100～5000W的水平轴风电机组都是离网型风电机组。此类风电机组是由3个定桨距叶片组成的风轮驱动永磁发电机发电，发出的电经控制器整流成直流电充入蓄电池储存，蓄电池里的直流电经逆变器转换成交流电后，输出220V交流电带动用电器工作。这类风电机组多用于为发展中国家远离电网地区的农牧民家庭供电。功率为5～10kW的水平轴离网型风电机组一般是由3个机械变桨距叶片组成的风轮驱动永磁发电机发电，发出的电经控制器整流成直流电充入蓄电池储存，蓄电池里的直流电经逆变器转换成交流电后，输出220V交流电带动用电器工作。这类风电机组多用于为发展中国家和部分发达国家远离电网地区的农牧民家庭供电或社区供电。功率为10～200kW的水平轴并网风电机组一般是由3个电动变桨距叶片组成的风轮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，经逆变器转换成交流电后将电能输送到电网，或输出220/380V交流电带动用电器工作。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。
1.2垂直轴风电机组
目前垂直轴风电机组的额定功率一般为300W～50kW。此类风电机组是由3个以上叶片组成的垂直轴风轮驱动永磁发电机发电，发出的电经控制器整流成直流电充入蓄电池储存，蓄电池里的直流电经逆变器转换成交流电后，输出220V交流电带动用电器工作。风力机由钢轴式塔架支撑，发电机和控制系统位于塔架下部，便于维修。垂直轴风电机组风轮的旋转轴垂直于地面或气流的方向。垂直轴风电机组在风向改变时无需对风，这相对于水平轴风电机组而言是一大优势，它不仅使结构设计简化，而且也减少了风轮对风时的陀螺力。从空气动力学角度来看，垂直轴风电机组主要分为阻力型和升力型。阻力型垂直轴风电机组主要是利用空气流过叶片产生的阻力作为驱动力，而升力型则是利用空气流过叶片产生的升力作为驱动力。由于叶片在旋转过程中，随着转速的增加，阻力急剧减小，升力反而会增大，所以，升力型垂直轴风电机组的效率要比阻力型的高很多。目前，市场上垂直轴风电机组的功率多为300W～50kW的升力型机组。国内曾尝试研制过MW级垂直轴并网型风电机组，但是至今未实现产业化。丹麦AWP公司已研制出750kW的可变桨距的垂直轴并网型风电机组，并正在研制2MW的同类型风电机组。
2大型并网型风电机组技术
2005年以前，定桨距风电机组曾是全球风电场建设的主流机型，如金风科技公司早期生产的功率为750kW的定桨距风电机组。由于变桨距的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，变桨距在大型风电机组上得到了广泛应用。结合变桨距技术的应用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桨变速恒频技术，并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，使风能转换效率有了进一步的提高。2014年以后，世界上新安装的大型并网型风电机组全部采用了变桨变速恒频技术。变桨变速恒频技术将在今后很长一段时期内存在并发展。
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2.1双馈异步发电技术现状和趋势
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。从目前来看，双馈异步发电机变速恒频风电机组是世界上技术最成熟的变速恒频风电机组。欧美多家领先的风电机组制造商，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等都在批量生产此类风电机组。近10年来，1.5～4MW的双馈异步发电机变速恒频风电机组在全球风电场的建设中发挥了主力军的作用。我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都在生产双馈异步发电机变速恒频风电机组。2016年我国新增的风电机组中，双馈异步发电机变速恒频风电机组占比约为61%。目前，我国2MW双馈异步发电机变速恒频风电机组的技术已经非常成熟，并已成为主流机型。华锐风电研发的3MW的此类风电机组已在海上风电场批量应用。国电联合动力研发的6MW此类风电机组也已安装试验。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的占比仍将超过50%。但是由于直驱式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性将不断下降，预计到2030年以后，此类风电机组将逐步退出风电市场。
2.2直驱永磁式风电机组技术发展成熟
直驱永磁式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，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。金风科技生产的1.5MW直驱永磁式风电机组已有1万多台安装在风电场，并且该公司研制的2MW和2.5MW直驱永磁式风电机组也已批量投放至国内外市场。湘电公司的2MW直驱永磁式风电机组已大批量进入市场，5MW的此类机组也已安装运行。其他公司，如，华创风能、东方电气、北车集团、潍坊瑞其能等风电机组制造企业也在生产此类机组。2016年，我国新增大型风电机组中，永磁直驱式风电机组的占比达34%以上。由于直驱永磁式风电机组技术的不断成熟和发展，其市场占有率逐年上升。欧美主要风电机组制造商也逐步转向研制大型直驱永磁式风电机组。如，西门子公司已研制出SWT-6.0-154直驱永磁式新型海上风电机组，该机组的风轮直径为154m，风轮直接驱动永磁发电机，风轮轴后倾6°，机组额定功率为6MW，塔架上部重量仅为360t。位于英国东海岸的WestermostRough海上风电场共安装有35台西门子6MW直驱永磁式风电机组，装机容量为210MW，2015年5月底已实现满功率运行，足以满足超过15万户英国家庭每年的电力需求。2017年底，西门子8MW直驱永磁式风电机组也已通过DNV-GL型式认证，该机组将应用于法国的圣布里厄海上风电场。
2.3直驱励磁式风电机组技术发展成熟
直驱励磁式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1.5～7.5MW，在欧洲风电场得到了广泛应用。该公司近年来研制的新一代E-126大型直驱励磁式风电机组的风轮直径为127m，轮毂高度为198m；单机容量为7MW；采用2段式叶片，便于运输和现场组装；叶片采用“小翼”叶尖，可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；采用直驱励磁式发电机，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14.5m。新一代7MW及其前身6MW直驱励磁式风电机组已在欧洲陆上风电场批量安装，并网发电。此外，我国的航天万源公司生产的直驱励磁式风电机组也已在陆上风电场得到应用。预计大型直驱励磁式风电机组今后的发展形势稳定，将成为21世纪全球风电场建设的主流机型之一。
结语
本文根据不同类型，分别对当前全球风电机组的技术进行了介绍，并对各类型风电机组的未来发展趋势进行了预测。由于笔者研究水平有限，文中难免有表述不当之处、或者存在某些错误，欢迎读者提出修改意见
参考文献:
[1]沈德昌.当前风电设备技术发展现状及前景.2018.5
论文作者:薄涛
论文发表刊物:《电力设备》2018年第14期
论文发表时间:2018/8/22
标签：机组论文; 风电论文; 永磁论文; 风轮论文; 发电机论文; 功率论文; 叶片论文; 《电力设备》2018年第14期论文;