淺析水平軸風力發電機組的技術發展趨勢(圖表)

　　3. 各種“全功率變流”技術爭相發展
　　相對于雙饋部分功率變流機組而言，全功率變流技術使機組在更寬的轉速范圍內運行，因而提升了機組的發電量。據相關資料顯示，2MW 高速永磁機組采用高速永磁全功率變流技術，年發電量比雙饋機組要高5% 左右。直驅機組就是典型的全功率變流機組，但是隨著單機容量的增加，直驅機組重量增加特別明顯（如表1 所示），由此帶來成本、運輸、吊裝、維修等一些列的問題，因而出現了各種帶齒輪箱的全功率變流機組。

常見的全功率變流機組除直驅以外，還有半直驅、混合驅動或緊湊型等中速永磁機組，高速永磁機組，以及采用高速籠型異步發電機的全功率變流機組。從某種意義上講，他們都是直驅和雙饋機組的折中方案。因為他們既保留了直驅的全功率變流技術，縮減了直驅發電機的重量和尺寸，又借鑒了雙饋的增速齒輪傳動，提高了機組的綜合效率。通過折中之后，齒輪箱和發電機兩大部件在重量上都將得到顯著的降低。
　　目前，除直驅以外，上述各種全功率變流技術在國內尚未大規模批量化應用，特別是半直驅技術。據悉， 價格昂貴是目前半直驅技術大規模推廣應用的主要障礙，但通過集成化設計及規模化生產，其競爭力將越來越強。例如，Winergy 公司近年來推出的HybridDrive 混合驅動技術，通過采用齒輪箱與發電機集成設計，傳動鏈重量實現了最小化，傳動鏈的長度也可縮短35% ～ 50%[12]。此外，齒輪箱和發電機兩大部件采用獨立拆卸的結構設計，特別適合于海上風電的維護需求。因此，在傳動系統中采用集成化設計和緊湊型結構被認為是未來特大型風電機組的發展趨勢。
　　4. “同步級并網”的提出
　　可以說，由于提升了電網中風電的穿透水平，電力電子技術催生了現代風電產業的繁榮。但是，由于風電與生俱來的不穩定性和可調控性差等毛病，在其電網穿透率不斷提升的過程中，對電網的安全穩定運行也造成了極大的隱患。特別是近幾年，由于低電壓穿越能力的普遍缺失、風場無功控制不到位等方面的問題，致使機組大規模脫網事故頻發。而且，機組因低電壓脫網后往往導致系統無功過剩，進而又引發高電壓脫網等次生事故。
　　對此，國家目前采取的解決辦法是對現有機組進行低電壓穿越能力的技術改造，并為每臺機組增設無功補償裝置。截止2013 年9 月，國家風電技術與監測研究中心對全國247 個風電場進行了低電壓穿越能力技術改造的抽檢，最終98%的機組都獲得通過。但據了解，僅雙饋機組因低電壓穿越技術改造而花費的成本就逾百億，將來若再進行高電壓穿越技術改造，費用更是不菲。
　　另一方面，通過采用全功率變流技術提升了機組的低電壓穿越性能，但即便如此，其對電網的支撐能力仍遠遜于常規發電機組。與電力系統中大量使用的火力或水力同步發電機組相比，雙饋和直驅等主流機組的暫態過載能力較弱，在電網發生故障時雖能實現穿越，卻難以構筑“堅強”的電力系統。
　　為解決以上問題，國外效仿常規火力發電機組采用同步發電機直接并網的方式，首先提出了“同步級并網”風電機組的概念。由于發電機本身就能發出電網所需的無功功率，因此不需要增設無功補償裝置，省去了技術改造的費用。而要實現這種概念需對機組傳動系統進行恒速設計，使同步發電機始終恒速運行，發出頻率和電壓與電網一致的電，然后直接并網。所以，該技術的另一個好處是省去了價格昂貴且國產化仍然不足的變流器。