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人类文明经历了千年的发展，从第一台水平轴式风力机出现，到机械能、电能量的转化，风机“传动链”的技术发展日趋成熟， “简单、高效、可靠”将成为后期发展趋势。 小编今天就想和大家来聊聊关于传动链那点事，总体说来，风机传动链分为“直驱型、双馈型、混合传动型以及异步全功率型”四大类。 传动链是什么
传动链一般指叶轮气动输入以及电能输出之间的硬件部分，主要功能包括机械能的传递以及机械能到电能之间的能量转化。完整的传动链设计意味着完整的产品技术平台，国际上著名的整机厂商一般仅仅开发2~3套传动链方案，甚至多数整机厂商一般只有一套传动链方案并且用传动链方案宣传自己的产品技术路线，因此，在风电机组整机设计中，传动链设计和采用是非常重要的。对于MW级风电机组而言，传动链的主要区分标志之一为是否包含齿轮箱，不包含齿轮箱的传动链意味着叶轮通过主轴直接同发电机连接，称为直驱。 双馈感应发电机型 （简称双馈，Double Fed Induction Generator，英文缩写DFIG） 双馈风电机组的传动链为典型的高速齿轮箱+感应发电机+部分功率变流传动形式，齿轮箱传动比一般在50~100之间，将叶轮转速由10r/min~20r/min增速到1000r/min以上。 齿轮箱输出端连接双馈发电机，双馈发电机定子直接同电网相连，双馈发电机转子通过变流器同电网相连，变流器通过对双馈发电机转子的交流励磁控制发电机的转速，从而实现额定风速以下追踪最优叶尖速比提高叶轮气动效率。 双馈异步发电机技术是基于异步感应电机技术一种升级，这种发电机设计始于上世纪80年代，日本日立公司、东芝公司和前苏联在这种发电机的研制和开发中都做出了显著的贡献。国际上多数风电整机厂商曾经生产过失速型风电机组（失速型风电机组采用了异步感应式发电机），因此这些厂家通过电控系统的改造可以较为容易的从失速型风电机组升级为双馈型风电机组（比如REPOWER的双馈型1500kW机组从外观上看即为REPOWER失速型750kW机组的比例放大版，见图1），此外，双馈机组升级成本较低（只需要增加一个相当于整机额定容量30%~40%的变流器即可），所以目前双馈风电机组占据了较大的市场份额。国际厂商包括VEATAS，GE，REPOWER, GAMESA等，以及国内整机厂商如华锐、东汽、联合动力的主要风电机组产品均为双馈型。 直接驱动型 （简称直驱，Direct Drive，英文缩写DD） 直驱风电机组没有齿轮箱，叶轮通过主轴直接同发电机组相连，发电机通过全功率变流器同电网相连。直驱型风电机组并不是一种新发明的机型，追溯发展历史应该同双馈风电机组同期甚至早于双馈风电机组。
直驱型风电机组在多年前即拥有非常完善的理论基础，但是相对于当时的技术水平而言，直驱型风电机组采用的发电机生产制造工艺难度较大、全功率变流器技术不够成熟并且成本较高，所以多年以来没有成为风电技术的主流。 近年来随着风电机组大规模并网以及单机容量的不断提高，电网对风电机组的并网性能（如低电压穿越能力、电能质量等）要求越来越高，而采用全功率变流器是解决此类问题的最好方法。此外，随着发电机生产工艺技术的提高以及大容量IGBT技术（电力机车的技术发展对此起到了重要的推动作用）的迅猛发展，直驱风电机组的生产制造已经不存在瓶颈，所以很多国际整机厂商（包括曾经以双馈风电机组作为主要产品的整机厂商）开始研究直驱风电机组，从而使直驱风电机组的市场份额逐渐加大（见图2）。 国际上一直坚持直驱路线的厂商最知名的为德国的ENERCON公司，该公司的风电技术极受业主技术人员推崇（产品质保10年，被誉为风能产业研究和发展的助推先锋力量），产品占据德国近50%的市场份额，机组售价也高于在德国销售的其它双馈风电机组（在德国、法国的市场份额超过排名世界第一的VESTAS）。 因为欧洲的稀土资源较为贫瘠，磁钢价格受国际市场影响波动较大，所以ENERCON公司的直驱型风电机组采用励磁发电机组+全功率变流器的形式。 国内采用直驱路线的整机厂商有金风科技、湘电风能、东电新能源、航天万源等，采用励磁发电机和永磁发电机两种形式。因为我国稀土资源较为丰富，所以目前国内装机最多的直驱型风电机组采用的发电机为永磁型的。 未来国际主流厂商的未来机组均采用直驱全功率变流型 混合传动型 （简称混驱，Hybrid） 混合传动型风电机组采用中速齿轮箱+永磁发电机+全功率变流的传动链形式，即靠近叶轮端和双馈型风电机组相似，靠近电网侧和直驱型风电机组结构相似，因此称为混合传动型风电机组。 直驱型风电机组由于发电机转速较低（与叶轮转速相同），因此发电机组的直径较大，对制造和运输提出了较大的挑战；双馈型风电机组齿轮箱输出端的小齿轮由于转速较高容易损坏，同时发电机定子直接同电网相连，所以并网性能欠佳。 混合传动型风电机组采用中速齿轮箱，首先通过提高发电机组的转速大大减小了发电机的直径，其次齿轮箱传动比降低可以降低输出端小齿轮的疲劳载荷，提高了齿轮箱的可靠性，而发电机通过全功率变流接入电网，可以实现同直驱型风电机组相同的并网特性。所以混合传动型风电机组是一款综合性能较为均衡的风电机组。很多国际知名整机制造商（如GAMESA等）已经开始针对大容量（多数大于2.5MW）风电机组进行混合型传动链结构的开发。 异步全功率型/双馈型（双模型） 西门子的海上风电机组提出了NetConverter概念并且注册了商标，具体的传动链结构形式为高速齿轮箱+异步发电机+全功率变流（见图3左图）。 西门子在原有的双馈型机组进行升级满足更高要求的并网特性，这种升级的方法是最简单的：主要机械结构不变，仅仅增大变流器的容量（电控技术是西门子公司的强项），这同失速型风电机组升级为双馈型风电机组有异曲同工之效（见1.1介绍）。西门子公司目前正大力推广NetConverter（实际上是推广全功率变流概念），并在几年前就预测了风电机组全功率变流的发展趋势（见图3右图）。 NetConverter传动链结构
（Fixed Speed：失速定速型；DFIG：双馈型；FSFC：全功率变流型） 国内部分双馈型风电机组整机厂家已经开始研究全功率变流并且提出两种模式切换的概念：即在机组输出功率小于双馈变流器额定容量时（小风段），机组采用异步全功率的运行模式，而在机组输出功率大于双馈变流器额定容量时，机组采用双馈运行模式。 这是一种很好的折中方案：在硬件成本没有明显增加的条件下，完成全功率变流的技术探索，并且这种工作模式使小风段传动链效率也有了一定的提升。 “双模”的最大的风险是异步全功率模式同双馈模式的切换过程中会降低机组工作的可靠性（需要重点关注和模式切换相关的主要元器件的故障率）。这种风险的担忧主要源自于：金风早期的失速型600kW机组（设计许可来源于Jacobs 600kw）采用了双绕组发电机组（即在同一台发电机组中通过双绕组结构包含额定功率为600kW和125kW的两套发电机），在小风速段进行大小发电机的切换（相当于失速型风电机组的“双模”），避免大容量发电机组在小风速段的效率损耗，但是在实际运行过程中因为发电机切换造成的机组故障率较高，而发电量提升并不显著，最终放弃了“双模”的控制方式（目前该机型实际工作中只选择了一个600kW发电机）。 没有齿轮箱的直驱机组，传动链简单，机组可靠性高、维护成本低、发电效率高，全功率变流技术并网性友好。未来风机技术发展，国内行业同仁也基本达成共识，那就是“永磁”、“直驱”、“全功率”将成为必选的“关键词”。 文章来自《从传动链效率角度浅谈风电场收益》（略有删减 文章来自《从传动链效率角度浅谈风电场收益》（略有删减），作者：孟庆顺。 |
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