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风力发电机机型的技术路线几经变化，目前主流的有三种 ：双馈、直驱、半直驱，随着平价时代风电行业的发展，性能和成本会成为最主要的考核指标。本期讨论一下三种机型的各自特点，结合目前的价格水平，提出风机选型的开发思路，供大家参考。
风力发电机组是将叶轮吸收的风能转化为机械能，再经由发电机将机械能转化为电能（导体切割磁感线产生感应电流），最终输出交流电。风机的形式多种多样，可以按照叶片数量、来风方向、主轴方向、机械连接方式等进行分类，其中双馈和直驱的分类主要是发电机类型、机械连接方式以及机舱内部构造的区别。双馈型风机主要由风轮、增速箱、双馈异步发电机、AC-DC-AC变流器、变压器等组成。“双馈”顾名思义指的是双向反馈，即能量流动有两种形式：一种是电网给变频器供电，变频器对转子绕组进行励磁，对转子绕组进行馈电，能量的流向是从电网流向转子；另一种是发电机转子处于发电状态，输出能量，将中间直流母线电压逆变为和电网电压幅值频率一致的交流电，将能量输送给电网。其中变流器给转子励磁产生磁场，它的磁极对数少，所以需要经过齿轮箱变速，达到一千多转才能发电，由于采用了交流励磁，发电机和电力系统构成了'柔性连接'，即可以根据电网电压、电流和发电机的转速来调节励磁电流，精确的调节发电机输出电压，可以在不同的转速下实现恒频发电，满足用电负载和并网的要求。双馈式风力发电机具有以下优缺点： 1、双馈发电机体积与重量小，对塔筒载荷的要求相对较低，变流器功率小，总体价格与施工成本较低。 2、双馈异步技术成熟度较高，具有运输维护成本低、供应链成熟等优势。
3、双馈发电机从转子电路中励磁，还能产生和控制无功功率，通过独立控制转子励磁电流进行有功功率和无功功率控制，属于电网友好型技术。 4、因为变频器具有励磁的功能，因此该设备的的功率没必要全覆盖风机功率，只需占到三分之一，利于节省重量和成本，但也因此风机对电网的波动较为敏感，在电网电压波动时，容易跳闸脱网。 5、齿轮箱增加了机械损耗与维护工作量，传动效率降低，而且转子上存在滑环碳刷装置，可靠性较差，维护工作量大，增加了故障风险。 直驱式风力发电机，也称为低转速发电机、无齿轮风力发电机，采用多级电机和叶轮直接连接进行驱动，省去了齿轮箱这一传统部件，主要由风轮、永磁同步电机、AC-DC-AC变流器、变压器等部分组成。同样的切割磁场发电原理，直驱风机用的永磁体，它的发电机里面的磁极对数很大，一般在四、五十到一百对之间，在如此大的磁极对数之下，它的额定转速就只需很小，所以不必经过变速，直接由风轮通过主轴带动发电机的转子转动来发出电能，这就是直驱，磁直驱式发电机在结构上有轴式和盘式两种结构。直驱发动机需要全功率变流器，这里需要与双馈所需的变频器进行区分。变频器、逆变器、变压器等等从广义上讲来说都可称为变流器，变流器的根本作用是采取一定的控制手段，让发电机发出与电网完全一致的交流电，因为双馈电机的双向特性，只需要三分之一功率变流，变流器在转子侧。直驱风机由于用的是永磁体，变流器功率就得全覆盖，变流器在定子侧。直驱永磁风力发电机有以下优缺点： 1、直驱机组没有齿轮箱，简化了传动结构，减少了传动损耗，提高了机组的可靠性，提高了发电效率。 2、直驱机组的低电压穿越使得电网并网点电压跌落时，风力发电机组能够在一定电压跌落的范围内不间断并网运行，利于维持电网的稳定运行。 3、总体来说，在同等水平下，直驱机组相比双馈风机要贵一些，对塔筒的载荷要求更高，另外全覆盖变流器功率容量大、成本高，电机尺寸重量大，轴承承载载荷较大，对发电机的轴承要求高，另外冷却散热也有难度。 4、在震动、冲击、高温等条件下，电机存在退磁隐患，如果在运营长期后真出现退磁的情况，整个风机都得换。 半直驱式风力发电机，核心原理是风叶带动齿轮箱来驱动永磁电机发电，半直驱风机结合了双馈、直驱风机的优势，在风轮和永磁同步发电机之间加了齿轮箱，取消低速轴或减小低速轴的长度，主轴采用双轴承支撑，优化载荷承载路径，大大缓解了主轴传动链的载荷，这样通过齿轮箱可以让转子转速比永磁直驱式的高，可以有效减少永磁电机转子磁极数，有利于降低机舱的体积和重量。风机采用一级或两级增速齿轮箱、多极同步发电机，全功率变流器并网，其调速范围比双馈机组和直驱机组的都要宽，可保证在额定风速之下全范围内对最佳尖速比的跟踪，电能质量高，对电网影响小、提高了机组对风能的利用率，也具备了优良的低电压穿越能力。半直驱风力发电机有以下优缺点： 1、相对于双馈风机而言，半直驱风电机组具有传动链简单、可靠性较高、后期维护较少、低电压穿越能力强等优点。传动链支撑为四点支撑形式，齿轮箱只承受风轮传递的扭矩，受力状态稳定，安全可靠性高。由于采用了永磁发电机，由于不用提供或少提供励磁电流的原因，在低速时也会有较高的效率，因此同相比功率的双馈发电机，在输入功率相同情况下可以多输出电力。 2、与直驱式风电机组相比，半直驱风电机组的发电机转速高、体积小、重量轻、系统集成度高，解决了发电机的制造和运输问题。发电机及整机尺寸有较大的减少，重量得以减轻（降低20%以上），提高了风机的适用范围。 3、半直驱同时具备直驱和双馈的优点，但也一并继承了两者的缺点，包括齿轮箱维护难、退磁隐患、冷却难度增加和传动效率降低等。 在双馈、直驱以及半直驱的技术竞争道路上，各有优劣，直驱机型不含齿轮箱，运维简单，发电效率高，代表厂家包括金风科技，湘电风能及东方电气（后续中等容量机型）。双馈机型因为其技术成熟，价格便宜，全球60%以上的在役机型为双馈机型，国内多数厂家都清一色的双馈机型，包括远景能源、运达风能、上海电气等，从国内每年的投运风电场来看，双馈还是占据优势。另外，对于以明阳智能为代表的半直驱机组，不断在大容量风机和海上风电领域拓宽市场，市场占有率达到了10%左右，在2020年整机商吊装量排到第三，上海电气、中车、海装等厂商也跟随海上风电的需要，出了几款半直驱机型，笔者在3月12号整理发布了一期《2020年TOP10风电整机商、光伏组件商、储能系统集成商及最新主推产品梳理》，感兴趣的朋友们可以去翻阅一下。在去年的10月，北京风能展大会CWP上各厂家最新发布机型统计如下。今年的风能大会也在这两天召开，之后笔者会做一期两年CWP新亮相机型的对比，让大家对未来的风机技术趋势有个更清晰的研判。排名 | 风电整机商 | 机型类型 | 型号 | 技术路线 | 适用区域 | 1 | 金风科技 | 陆上 | GW165-3.6MW | 直驱永磁 | 中低风速 | GW165-4.0MW | 中低风速 | GW165-5.xMW | 中高风速 | 2 | 远景能源 | 陆上 | EN161-3.6MW | 双馈 | 中低风速 | EN161-5.0MW | 高风速 | 海上 | EN171-5.5MW | 高速齿轮箱+鼠笼 | 中低风速海域 | 3 | 明阳智能 | 陆上 | MySE173-6.25MW | 半直驱 | 高风速 | 海上 | MySE203-11MW | 高风速海域 | 4 | 上海电气 | 陆上 | WE168-4.55MW | 高速齿轮箱+鼠笼 | 低风速 | 海上 | WG172-5.55MW | 半直驱 | 中低风速海域 | W185-6.5MW | 直驱永磁 | 中低风速中远海域 | 5 | 运达股份 | 陆上 | WD147-4.8MW | 双馈 | 高风速 | WD156-4.8MW | WD175-5.xMW | 6 | 中车风电 | 陆上 | 风轮直径160-170+米的4.xMW系列 | 双馈 | 中高风速 | 7 | 三一重能 | 陆上 | 风轮直径156-168米的4.xMW系列 | 双馈 | 中高风速 | 风轮直径146-164米的3.xMW系列 | 低风速 | 8 | 东方电气 | 陆上 | DEW172-5.5MW | 直驱永磁 | 中高风速 | DEW164-6.0MW | 海上 | DEW186-7.5MW | 中低风速 | 9 | 中国海装 | 陆上 | H155-5.0MW | 双馈 | 中高风速 | H160-3.xMW | 双馈 | 中低风速 | 10 | 联合动力 | 陆上 | UP141、156-3.xMW系列 | 双馈 | 全适用 | UP156-4.xMW系列 | 双馈 | 全适用 | 外商 | 西门子歌美飒 | 陆上 | SG155-5.8MW | 双馈 | 中高风速 | SG155-5.9MW | 低风速 | 维斯塔斯 | 陆上 | V162-6.0MW | 双馈 | 中低 |
近期我国风电主机的平均价格快速下降，在一年之内价格从2020年的最高4200元/kw下降到2021年8月的1880元/kW（上海电气报价中广核云南曲靖项目）；海上风机也下降到3830元/kW（中国海装报价中广核象山项目）。而铜价、螺纹钢价则分别由同期的4万元/吨、3600元/吨，分别上升到6.8万元/吨、6000元/吨。很多整机商的主机销售价格，已经接近甚至低于成本，相比光伏组件价格的节节攀升，不得不思考风电的开发迎来了窗口期。未来的新增风电将由如下类型项目构成：2021年及以前延期存量+平价大基地+普通平价+分散式风电（千乡万村驭风计划）+老旧风场迭代等项目，都需要更高的发电量和更好的成本控制，对于大部分低风速区域（包括海上风电）的开发，半直驱/双馈技术路线不断扩大装机规模和捕风效率，可能在造价优势的情况下逐渐赢得市场主导地位；对于目前解决送出通道后回归三北区域的大趋势，直驱机组凭借高转换效率和低运营成本，可能在风况良好的区域继续大放异彩。在几种技术路线难分伯仲的时候，咱们风机选型还是以选择LCOE最低的方案为主要准则。
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