當(dāng)前風(fēng)電設(shè)備技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及前景

中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)風(fēng)力機(jī)械分會(huì) ■ 沈德昌

0 引言

近年來(lái)由于風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，一些原來(lái)從事火電、水電和核電專(zhuān)業(yè)的人員也轉(zhuǎn)入風(fēng)電行業(yè)工作。為了使這些專(zhuān)業(yè)人員能夠盡快進(jìn)入角色，對(duì)當(dāng)前的風(fēng)電機(jī)組技術(shù)有一個(gè)比較概括的了解，本文概括介紹了當(dāng)前陸上和海上風(fēng)電機(jī)組的主要類(lèi)型、技術(shù)成熟度和發(fā)展前景。

1 中小型風(fēng)電機(jī)組技術(shù)

1.1 水平軸風(fēng)電機(jī)組

一般功率為100～5000 W的水平軸風(fēng)電機(jī)組都是離網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組。此類(lèi)風(fēng)電機(jī)組是由3個(gè)定槳距葉片組成的風(fēng)輪驅(qū)動(dòng)永磁發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)出的電經(jīng)控制器整流成直流電充入蓄電池儲(chǔ)存，蓄電池里的直流電經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換成交流電后，輸出220 V交流電帶動(dòng)用電器工作。這類(lèi)風(fēng)電機(jī)組多用于為發(fā)展中國(guó)家遠(yuǎn)離電網(wǎng)地區(qū)的農(nóng)牧民家庭供電。

功率為5～10 kW的水平軸離網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組一般是由3個(gè)機(jī)械變槳距葉片組成的風(fēng)輪驅(qū)動(dòng)永磁發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)出的電經(jīng)控制器整流成直流電充入蓄電池儲(chǔ)存，蓄電池里的直流電經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換成交流電后，輸出220 V交流電帶動(dòng)用電器工作。這類(lèi)風(fēng)電機(jī)組多用于為發(fā)展中國(guó)家和部分發(fā)達(dá)國(guó)家遠(yuǎn)離電網(wǎng)地區(qū)的農(nóng)牧民家庭供電或社區(qū)供電。

功率為10～200 kW的水平軸并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組一般是由3個(gè)電動(dòng)變槳距葉片組成的風(fēng)輪驅(qū)動(dòng)永磁發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)出的電經(jīng)控制器整流成直流電后輸入并網(wǎng)逆變器，經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換成交流電后將電能輸送到電網(wǎng)，或輸出220/380 V交流電帶動(dòng)用電器工作。這類(lèi)風(fēng)電機(jī)組多用于發(fā)達(dá)國(guó)家農(nóng)場(chǎng)主或中小企業(yè)的分布式生產(chǎn)用電。

1.2 垂直軸風(fēng)電機(jī)組

目前垂直軸風(fēng)電機(jī)組的額定功率一般為300 W～50 kW。此類(lèi)風(fēng)電機(jī)組是由3個(gè)以上葉片組成的垂直軸風(fēng)輪驅(qū)動(dòng)永磁發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)出的電經(jīng)控制器整流成直流電充入蓄電池儲(chǔ)存，蓄電池里的直流電經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換成交流電后，輸出220 V交流電帶動(dòng)用電器工作。風(fēng)力機(jī)由鋼軸式塔架支撐，發(fā)電機(jī)和控制系統(tǒng)位于塔架下部，便于維修。垂直軸風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸垂直于地面或氣流的方向。垂直軸風(fēng)電機(jī)組在風(fēng)向改變時(shí)無(wú)需對(duì)風(fēng)，這相對(duì)于水平軸風(fēng)電機(jī)組而言是一大優(yōu)勢(shì)，它不僅使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，而且也減少了風(fēng)輪對(duì)風(fēng)時(shí)的陀螺力。

從空氣動(dòng)力學(xué)角度來(lái)看，垂直軸風(fēng)電機(jī)組主要分為阻力型和升力型。阻力型垂直軸風(fēng)電機(jī)組主要是利用空氣流過(guò)葉片產(chǎn)生的阻力作為驅(qū)動(dòng)力，而升力型則是利用空氣流過(guò)葉片產(chǎn)生的升力作為驅(qū)動(dòng)力。由于葉片在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，隨著轉(zhuǎn)速的增加，阻力急劇減小，升力反而會(huì)增大，所以，升力型垂直軸風(fēng)電機(jī)組的效率要比阻力型的高很多。目前，市場(chǎng)上垂直軸風(fēng)電機(jī)組的功率多為300 W～50 kW的升力型機(jī)組。

國(guó)內(nèi)曾嘗試研制過(guò)MW級(jí)垂直軸并網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組，但是至今未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。丹麥AWP公司已研制出750 kW的可變槳距的垂直軸并網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組，并正在研制2 MW的同類(lèi)型風(fēng)電機(jī)組。

2 大型并網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組技術(shù)

2005年以前，定槳距風(fēng)電機(jī)組曾是全球風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的主流機(jī)型，如金風(fēng)科技公司早期生產(chǎn)的功率為750 kW的定槳距風(fēng)電機(jī)組。

由于變槳距的功率調(diào)節(jié)方式具有載荷控制平穩(wěn)、安全和高效等優(yōu)點(diǎn)，2005年以后，變槳距在大型風(fēng)電機(jī)組上得到了廣泛應(yīng)用。結(jié)合變槳距技術(shù)的應(yīng)用及電力電子技術(shù)的發(fā)展，大多數(shù)風(fēng)電機(jī)組制造廠商采用了變槳變速恒頻技術(shù)，并開(kāi)發(fā)出了液壓變槳變速風(fēng)電機(jī)組和電動(dòng)變槳變速風(fēng)電機(jī)組，使風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率有了進(jìn)一步的提高。2014年以后，世界上新安裝的大型并網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組全部采用了變槳變速恒頻技術(shù)。變槳變速恒頻技術(shù)將在今后很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)存在并發(fā)展。

2.1 雙饋異步發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀和趨勢(shì)

雙饋異步式風(fēng)電機(jī)組是由變槳距風(fēng)輪通過(guò)高速齒輪箱驅(qū)動(dòng)雙饋式發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通過(guò)變流器向電網(wǎng)饋電，定子電流直接向電網(wǎng)饋電的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

從目前來(lái)看，雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)電機(jī)組是世界上技術(shù)最成熟的變速恒頻風(fēng)電機(jī)組。歐美多家領(lǐng)先的風(fēng)電機(jī)組制造商，如，丹麥維斯塔斯、西班牙歌美颯、美國(guó)GE風(fēng)能、印度蘇司蘭、德國(guó)Nodex等都在批量生產(chǎn)此類(lèi)風(fēng)電機(jī)組。近10年來(lái)，1.5～4 MW的雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)電機(jī)組在全球風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)中發(fā)揮了主力軍的作用。

我國(guó)多數(shù)風(fēng)電機(jī)組制造企業(yè)，如，遠(yuǎn)景能源、國(guó)電聯(lián)合動(dòng)力、廣東明陽(yáng)、上海電氣、中國(guó)海裝、東方電氣、浙江運(yùn)達(dá)和華銳風(fēng)電等都在生產(chǎn)雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)電機(jī)組。2016年我國(guó)新增的風(fēng)電機(jī)組中，雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)電機(jī)組占比約為61%。目前，我國(guó)2 MW雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，并已成為主流機(jī)型。華銳風(fēng)電研發(fā)的3 MW的此類(lèi)風(fēng)電機(jī)組已在海上風(fēng)電場(chǎng)批量應(yīng)用。國(guó)電聯(lián)合動(dòng)力研發(fā)的6 MW此類(lèi)風(fēng)電機(jī)組也已安裝試驗(yàn)。

預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)新增風(fēng)電機(jī)組中，雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的占比仍將超過(guò)50%。

但是由于直驅(qū)式和半直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的競(jìng)爭(zhēng)性將不斷下降，預(yù)計(jì)到2030年以后，此類(lèi)風(fēng)電機(jī)組將逐步退出風(fēng)電市場(chǎng)。

2.2 直驅(qū)永磁式風(fēng)電機(jī)組技術(shù)發(fā)展成熟

直驅(qū)永磁式風(fēng)電機(jī)組是由變槳距風(fēng)輪直接驅(qū)動(dòng)永磁發(fā)電機(jī)發(fā)電，通過(guò)全功率變流器向電網(wǎng)饋電的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

無(wú)齒輪箱的直驅(qū)方式能有效減少由于齒輪箱問(wèn)題而造成的機(jī)組故障，可有效提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和壽命，減少風(fēng)電場(chǎng)維護(hù)成本，因而直驅(qū)永磁式風(fēng)電機(jī)組逐步得到了市場(chǎng)的青睞。

金風(fēng)科技生產(chǎn)的1.5 MW直驅(qū)永磁式風(fēng)電機(jī)組已有1萬(wàn)多臺(tái)安裝在風(fēng)電場(chǎng)，并且該公司研制的2 MW和2.5 MW直驅(qū)永磁式風(fēng)電機(jī)組也已批量投放至國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)。

湘電公司的2 MW直驅(qū)永磁式風(fēng)電機(jī)組已大批量進(jìn)入市場(chǎng)，5 MW的此類(lèi)機(jī)組也已安裝運(yùn)行。其他公司，如，華創(chuàng)風(fēng)能、東方電氣、北車(chē)集團(tuán)、濰坊瑞其能等風(fēng)電機(jī)組制造企業(yè)也在生產(chǎn)此類(lèi)機(jī)組。2016年，我國(guó)新增大型風(fēng)電機(jī)組中，永磁直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組的占比達(dá)34%以上。

由于直驅(qū)永磁式風(fēng)電機(jī)組技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，其市場(chǎng)占有率逐年上升。歐美主要風(fēng)電機(jī)組制造商也逐步轉(zhuǎn)向研制大型直驅(qū)永磁式風(fēng)電機(jī)組。如，西門(mén)子公司已研制出SWT-6.0-154直驅(qū)永磁式新型海上風(fēng)電機(jī)組，該機(jī)組的風(fēng)輪直徑為154 m，風(fēng)輪直接驅(qū)動(dòng)永磁發(fā)電機(jī)，風(fēng)輪軸后傾6°，機(jī)組額定功率為6 MW，塔架上部重量?jī)H為360 t。

位于英國(guó)東海岸的Westermost Rough海上風(fēng)電場(chǎng)共安裝有35臺(tái)西門(mén)子6 MW直驅(qū)永磁式風(fēng)電機(jī)組，裝機(jī)容量為210 MW，2015年5月底已實(shí)現(xiàn)滿功率運(yùn)行，足以滿足超過(guò)15萬(wàn)戶英國(guó)家庭每年的電力需求。2017年底，西門(mén)子8 MW直驅(qū)永磁式風(fēng)電機(jī)組也已通過(guò)DNV-GL型式認(rèn)證，該機(jī)組將應(yīng)用于法國(guó)的圣布里厄海上風(fēng)電場(chǎng)。

此外，2015年，美國(guó) GE 風(fēng)能公司收購(gòu)了阿爾斯通公司的風(fēng)電業(yè)務(wù)，擁有了該公司研發(fā)的GE-Haliade150型6 MW直驅(qū)永磁式海上風(fēng)電機(jī)組技術(shù)。這款新一代海上風(fēng)電機(jī)組采用無(wú)齒輪箱的直驅(qū)結(jié)構(gòu)，并采用液壓冷卻的永磁發(fā)電機(jī)，所以設(shè)備內(nèi)部的機(jī)械部件較少，故障率更低，機(jī)組運(yùn)行更為可靠，也更有助于降低運(yùn)行和維護(hù)成本。該機(jī)組的風(fēng)輪直徑為150 m，葉片長(zhǎng)度為73.5 m，葉片表面由聚氨酯腹膜覆蓋，且在其迎風(fēng)邊做了抗腐蝕處理。這款機(jī)型是專(zhuān)門(mén)針對(duì)海上環(huán)境而設(shè)計(jì)的，美國(guó)第一個(gè)30 MW海上風(fēng)電場(chǎng)就安裝有5臺(tái)此類(lèi)風(fēng)電機(jī)組。

金風(fēng)科技公司2017年推出了6.45 MW的直驅(qū)永磁式大型海上風(fēng)電機(jī)組，并將在江蘇大豐、遼寧大連等海上風(fēng)電場(chǎng)安裝投運(yùn)。

直驅(qū)永磁式風(fēng)電機(jī)組發(fā)展形勢(shì)穩(wěn)定向好，預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)新增風(fēng)電機(jī)組中，此類(lèi)風(fēng)電機(jī)組將占到45%以上的市場(chǎng)份額。

2.3 直驅(qū)勵(lì)磁式風(fēng)電機(jī)組技術(shù)發(fā)展成熟

直驅(qū)勵(lì)磁式風(fēng)電機(jī)組是由變槳距風(fēng)輪直接驅(qū)動(dòng)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)發(fā)電，通過(guò)全功率變流器向電網(wǎng)饋電的風(fēng)電系統(tǒng)。

德國(guó)Enercon公司在21世紀(jì)初開(kāi)發(fā)了直驅(qū)勵(lì)磁式全功率變流風(fēng)電機(jī)組，功率涵蓋1.5～7.5 MW，在歐洲風(fēng)電場(chǎng)得到了廣泛應(yīng)用。該公司近年來(lái)研制的新一代E-126大型直驅(qū)勵(lì)磁式風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)輪直徑為127 m，輪轂高度為198 m；單機(jī)容量為7 MW；采用2段式葉片，便于運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)組裝；葉片采用“小翼”葉尖，可在風(fēng)輪平面內(nèi)抑制生成擾流和旋渦，從而降低噪聲，提高發(fā)電量；葉片法蘭直徑大，采用雙列螺栓連接；采用直驅(qū)勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)，全功率變流器；采用混合式塔筒-鋼制頂段，其余由混凝土建造，塔底直徑為14.5 m。新一代7 MW及其前身6 MW直驅(qū)勵(lì)磁式風(fēng)電機(jī)組已在歐洲陸上風(fēng)電場(chǎng)批量安裝，并網(wǎng)發(fā)電。

此外，我國(guó)的航天萬(wàn)源公司生產(chǎn)的直驅(qū)勵(lì)磁式風(fēng)電機(jī)組也已在陸上風(fēng)電場(chǎng)得到應(yīng)用。

預(yù)計(jì)大型直驅(qū)勵(lì)磁式風(fēng)電機(jī)組今后的發(fā)展形勢(shì)穩(wěn)定，將成為21世紀(jì)全球風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的主流機(jī)型之一。

2.4 半直驅(qū)永磁式風(fēng)電機(jī)組技術(shù)取得成功

半直驅(qū)永磁式風(fēng)電機(jī)組是由變槳距風(fēng)輪驅(qū)動(dòng)中速齒輪箱，再由齒輪箱驅(qū)動(dòng)永磁發(fā)電機(jī)發(fā)電，通過(guò)全功率變流器向電網(wǎng)饋電的風(fēng)電系統(tǒng)。

法-德合資的Areva Multibrid公司研制的半直驅(qū)永磁式5 MW風(fēng)電機(jī)組已在海上風(fēng)電場(chǎng)批量投入運(yùn)行。該機(jī)組額定功率為5 MW，風(fēng)輪直徑為116 m；采用集成化設(shè)計(jì)，將風(fēng)力機(jī)的主軸、齒輪箱、高速軸和發(fā)電機(jī)集成在一起，以減少重量，從而降低成本。此類(lèi)風(fēng)電機(jī)組的功率傳動(dòng)路線為：風(fēng)輪-單級(jí)齒輪箱(1:9.92)-永磁發(fā)電機(jī)-全功率變流器。此系統(tǒng)采用折中方案，兼顧了雙饋式風(fēng)電機(jī)組和直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)，并考慮了性價(jià)比。

日本三菱重工和丹麥Vestas公司合作研制了164-8.0 MW半直驅(qū)永磁式新型海上風(fēng)電機(jī)組。該機(jī)組采用1個(gè)中速齒輪箱、永磁發(fā)電機(jī)和全功率變流器。隨著164-8.0 MW 半直驅(qū)永磁式風(fēng)電機(jī)組成功投入運(yùn)行，將使海上風(fēng)電場(chǎng)業(yè)主的海上風(fēng)電收益率達(dá)到一個(gè)新的水平。此類(lèi)風(fēng)電機(jī)組可最大化捕獲能量，不僅是因?yàn)槠鋼碛兄睆?64 m的巨大風(fēng)輪，還因?yàn)槠滹L(fēng)輪與發(fā)電機(jī)的比例得到了優(yōu)化。由于選擇164-8.0 MW 半直驅(qū)永磁式風(fēng)電機(jī)組建設(shè)的海上風(fēng)電場(chǎng)可以采用較少數(shù)量的大型風(fēng)電機(jī)組，從而減少了風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行和管理成本；再加之該機(jī)組的設(shè)計(jì)壽命是25年，產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)突出，可使投資商的投資回報(bào)實(shí)現(xiàn)最大化。該機(jī)組的設(shè)計(jì)理念是：可靠性高、可預(yù)測(cè)、保障壽命期性能、盡可能減少維修次數(shù)，需要維修時(shí)，盡量做到安全、快捷和低成本。

廣東明陽(yáng)風(fēng)電公司研制了SCD 6.5 MW 超緊湊半直驅(qū)永磁式海上風(fēng)電機(jī)組，該機(jī)組采用兩葉片風(fēng)輪、液壓獨(dú)立變槳、中速齒輪箱驅(qū)動(dòng)永磁同步發(fā)電機(jī)的發(fā)電技術(shù)，發(fā)出的電通過(guò)全功率變流器饋入電網(wǎng)。該系統(tǒng)具有高發(fā)電量、高可靠性、低度電成本、防鹽霧、抗雷擊、抗臺(tái)風(fēng)等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)相比，此類(lèi)風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)和優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在超緊湊的傳動(dòng)鏈、輕量化結(jié)構(gòu)、集成化液壓系統(tǒng)、全密封設(shè)計(jì)4個(gè)方面。

2.5 鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機(jī)全功率變流風(fēng)電技術(shù)

鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機(jī)全功率變流風(fēng)電機(jī)組是由變槳距風(fēng)輪通過(guò)高速齒輪箱驅(qū)動(dòng)鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，通過(guò)全功率變流器向電網(wǎng)饋電的風(fēng)電系統(tǒng)。

西門(mén)子公司的2.3 MW 和3.6 MW海上風(fēng)電機(jī)組就采用了由液壓變槳風(fēng)輪驅(qū)動(dòng)高速齒輪箱，帶動(dòng)鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，通過(guò)全功率變流器向電網(wǎng)饋電這種技術(shù)路線。這兩種海上風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)在海上風(fēng)電場(chǎng)大批量應(yīng)用，屬于經(jīng)受住考驗(yàn)的成熟機(jī)型，也是2016年以前海上風(fēng)電場(chǎng)的主流機(jī)型。

上海電氣引進(jìn)西門(mén)子技術(shù)研制的4 MW海上風(fēng)電機(jī)組也采用了這種技術(shù)路線，并且在我國(guó)近海風(fēng)電場(chǎng)批量投入運(yùn)行。

與鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機(jī)全功率變流風(fēng)電機(jī)組類(lèi)似的還有高速永磁式全功率變流風(fēng)電機(jī)組。高速永磁式全功率變流風(fēng)電機(jī)組是由變槳距風(fēng)輪通過(guò)高速齒輪箱驅(qū)動(dòng)高速永磁發(fā)電機(jī)發(fā)電，再通過(guò)全功率變流器向電網(wǎng)饋電的風(fēng)電系統(tǒng)。重慶海裝風(fēng)電研制的H127-5 MW風(fēng)電機(jī)組就屬于這種類(lèi)型。

2.6 低風(fēng)速風(fēng)電機(jī)組

針對(duì)我國(guó)大多數(shù)地區(qū)處于低風(fēng)速區(qū)的實(shí)際情況，我國(guó)風(fēng)電企業(yè)通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新，研發(fā)出具有針對(duì)性的風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)品及解決方案，最為明顯的特征是風(fēng)輪葉片更長(zhǎng)、塔架更高、捕獲的風(fēng)能資源更多。

以1.5 MW風(fēng)電機(jī)組為例，在國(guó)內(nèi)提供1.5 MW風(fēng)電機(jī)組的30余家企業(yè)之中，已有10多家具備了直徑90 m以上風(fēng)輪直徑機(jī)型的供應(yīng)能力。在2 MW級(jí)機(jī)型中，遠(yuǎn)景能源、國(guó)電聯(lián)合動(dòng)力、明陽(yáng)智慧、金風(fēng)科技、中國(guó)海裝等公司的2 MW低風(fēng)速風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)輪直徑已達(dá)到121 m以上。金風(fēng)科技公司的3 MW低風(fēng)速風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)輪直徑已達(dá)到140 m以上。這些低風(fēng)速風(fēng)電機(jī)組在我國(guó)中、南部省份的風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)運(yùn)行中發(fā)揮了較好的作用。

2.7 其他適合特殊氣候環(huán)境的風(fēng)電機(jī)組

由于我國(guó)北方具有沙塵暴、低溫、冰雪、雷暴，東南沿海具有臺(tái)風(fēng)、鹽霧，西南地區(qū)具有高海拔等惡劣氣候特點(diǎn)，惡劣氣候環(huán)境已對(duì)風(fēng)電機(jī)組造成很大的影響，包括增加維護(hù)工作量、減少發(fā)電量，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組損壞。因此，在風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)，必須具有一定的防范措施，以提高風(fēng)電機(jī)組抗惡劣氣候環(huán)境的能力，減少損失。近年來(lái)，我國(guó)的風(fēng)電機(jī)組制造商已開(kāi)發(fā)了抗風(fēng)沙型、抗低溫型、高原型、低風(fēng)速型等適應(yīng)惡劣氣候環(huán)境的各類(lèi)風(fēng)電機(jī)組，確保了風(fēng)電機(jī)組能夠在惡劣氣候條件下的風(fēng)電場(chǎng)可靠運(yùn)行，并有效地提高了發(fā)電量。

3 海上風(fēng)電技術(shù)

3.1 當(dāng)前的技術(shù)狀況

2013年以后，英國(guó)、德國(guó)和我國(guó)的海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)項(xiàng)目開(kāi)始加速。歐洲主要風(fēng)電機(jī)組制造商加速了大型海上風(fēng)電機(jī)組的研制。2015年以后，西門(mén)子公司研制的直驅(qū)永磁式6 MW海上風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)在歐洲海上風(fēng)電場(chǎng)投入并網(wǎng)運(yùn)行。2016年，日本三菱公司與丹麥Vestas公司聯(lián)合研制的8 MW半直驅(qū)永磁式海上風(fēng)電機(jī)組及其支撐基礎(chǔ)取得成功。海上專(zhuān)用運(yùn)輸?shù)跹b船只和專(zhuān)用運(yùn)行維護(hù)設(shè)備的研究也取得了重大進(jìn)展。到2017年，歐洲海上風(fēng)電場(chǎng)投入運(yùn)行的最大海上風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量已達(dá)到8 MW，歐洲海上風(fēng)電設(shè)備進(jìn)入8 MW時(shí)代。

歐洲海上風(fēng)電場(chǎng)多為近海風(fēng)電場(chǎng)，而今年英國(guó)和德國(guó)又開(kāi)發(fā)了深海風(fēng)電場(chǎng)。海上風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)模一般比陸上風(fēng)電場(chǎng)要大，多為300 MW以上。

在我國(guó)，隨著海上風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃規(guī)模的不斷擴(kuò)大，各主要風(fēng)電機(jī)組整機(jī)制造廠都積極投入到了大功率海上風(fēng)電機(jī)組的研制工作中。華銳風(fēng)電率先推出3 MW海上風(fēng)電機(jī)組，并在上海東海大橋海上風(fēng)電場(chǎng)批量投入，并網(wǎng)運(yùn)行。金風(fēng)科技在江蘇大豐縣海上風(fēng)電機(jī)組研發(fā)基地研制的2.5 MW直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組已在潮間帶風(fēng)電場(chǎng)批量應(yīng)用，其6 MW直驅(qū)式海上風(fēng)電機(jī)組也已安裝運(yùn)行。2016年7月底，10臺(tái)由湘電公司研發(fā)的5 MW海上直驅(qū)永磁式風(fēng)電機(jī)組已在福建莆田平海灣海上風(fēng)場(chǎng)成功并網(wǎng)發(fā)電。重慶海裝完成了5 MW海上高速永磁風(fēng)電機(jī)組的試運(yùn)行。國(guó)電聯(lián)合動(dòng)力研制的6 MW海上風(fēng)電機(jī)組已安裝并試運(yùn)行。遠(yuǎn)景能源研制的4 MW海上風(fēng)電機(jī)組已在江蘇海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行。2016年，上海電氣-西門(mén)子聯(lián)合研制的4 MW海上風(fēng)電機(jī)組都已批量應(yīng)用于海上風(fēng)電場(chǎng)，上海電氣從西門(mén)子引進(jìn)的6 MW直驅(qū)永磁式海上風(fēng)電機(jī)組也已在2017年安裝在福建海上風(fēng)電場(chǎng)。

東方電氣研制的5.5 MW高速永磁風(fēng)電機(jī)組、廣東明陽(yáng)研制的6.5 MW中速傳動(dòng)永磁發(fā)電機(jī)全功率變流超緊湊型風(fēng)電機(jī)組已取得新進(jìn)展。南車(chē)株洲電力、浙江運(yùn)達(dá)等也在全力研制大型海上風(fēng)電機(jī)組。

3.2 海上風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

未來(lái)風(fēng)電技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力主要來(lái)自蓬勃崛起的海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)，這一發(fā)展趨勢(shì)已不可逆轉(zhuǎn)。海上風(fēng)電機(jī)組將繼續(xù)向10 MW以上的大型化機(jī)組發(fā)展，并且支撐基礎(chǔ)將從固定式走向漂浮式。海上風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)模也將繼續(xù)向大型化發(fā)展，并且海上風(fēng)電場(chǎng)將從近海走向遠(yuǎn)海，從淺海走向深海。

目前，漂浮式海上風(fēng)電支撐基礎(chǔ)主要有駁船式、半潛式、單柱式和張力腿式4類(lèi)。其中，根據(jù)錨鏈的受力狀態(tài)，又可將前3類(lèi)歸為懸鏈?zhǔn)街位A(chǔ)，最后1類(lèi)為張緊式支撐基礎(chǔ)。根據(jù)歐盟對(duì)新技術(shù)應(yīng)用設(shè)定的成熟度等級(jí)劃分，半潛式、單柱式漂浮支撐基礎(chǔ)技術(shù)已經(jīng)成熟。 2017年10月，采用5臺(tái)西門(mén)子6 MW直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組和單柱式漂浮支撐基礎(chǔ)、總裝機(jī)容量為30 MW的漂浮式海上風(fēng)電場(chǎng)在蘇格蘭海域建成投運(yùn)。駁船式和張力腿式漂浮支撐基礎(chǔ)將在2018年技術(shù)成熟，可以預(yù)見(jiàn)在不久的將來(lái)，很快就會(huì)出現(xiàn)這4類(lèi)漂浮式支撐基礎(chǔ)技術(shù)同場(chǎng)競(jìng)技的場(chǎng)景。

2018～2020年，全球海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)將進(jìn)入高速發(fā)展新階段。5～8 MW的海上風(fēng)電機(jī)組將成為海上風(fēng)電場(chǎng)的主流機(jī)型；單機(jī)功率為7～9 MW的海上風(fēng)電機(jī)組的技術(shù)逐步成熟，將進(jìn)入批量生產(chǎn)銷(xiāo)售時(shí)期，并將成為海上風(fēng)電場(chǎng)的主流機(jī)型；小批量10 MW的海上風(fēng)電機(jī)組將進(jìn)入海上風(fēng)電場(chǎng)。

2021～2030年，海上風(fēng)電機(jī)組的主要機(jī)型將是由8～10 MW直驅(qū)永磁式風(fēng)電機(jī)組和中速齒輪箱驅(qū)動(dòng)的中速永磁式發(fā)電機(jī)組成的風(fēng)電機(jī)組，且上述風(fēng)電機(jī)組都將配備全功率變流器；小批量15～20 MW海上風(fēng)電機(jī)組將進(jìn)入海上風(fēng)電場(chǎng)?？傊?，配備全功率變流器的各類(lèi)大型風(fēng)電機(jī)組將成為未來(lái)海上風(fēng)電場(chǎng)的主流機(jī)型，而“高速齒輪箱+雙饋式發(fā)電機(jī)”組成的大型風(fēng)電機(jī)組將退出漂浮式海上風(fēng)電場(chǎng)。

4 高空風(fēng)力發(fā)電技術(shù)

4.1 目前高空風(fēng)力發(fā)電的兩種技術(shù)路線

目前高空風(fēng)力發(fā)電的兩種技術(shù)路線中，一種是利用氦氣球等升力作用，將發(fā)電機(jī)升到半空中，在高空中利用豐富的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，之后將電力通過(guò)電纜傳到地面電網(wǎng)。這一技術(shù)路線的典型代表為麻省理工學(xué)院Altaerosenergies的高空風(fēng)電系統(tǒng)“空中浮動(dòng)渦輪”。

另一種技術(shù)路線是將發(fā)電機(jī)組固定在地面，通過(guò)巨型“風(fēng)箏”在空中利用風(fēng)能拉動(dòng)地面發(fā)電機(jī)組，從而將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，帶動(dòng)地面的發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，從而解決電纜和發(fā)電機(jī)的自重問(wèn)題。意大利KiteGen公司的MARS系統(tǒng)是該類(lèi)技術(shù)路線的典型代表。

上述高空風(fēng)力發(fā)電的兩種技術(shù)路線都存在其自身缺陷：1)發(fā)電機(jī)在空中的“氣球路線”，由于發(fā)電機(jī)及輸電電纜的重量會(huì)隨著容量的增加而增加，其升空高度受到限制，所以如何降低發(fā)電設(shè)備重量是該路線目前需要解決的問(wèn)題。2)對(duì)于發(fā)電機(jī)位于地面的“風(fēng)箏路線”，由于風(fēng)箏的升空高度高、系統(tǒng)的建造難度低，該路線已經(jīng)成為目前的主流技術(shù)路線。但是，其空中發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性是這一技術(shù)路線所面臨的最大問(wèn)題，如何通過(guò)技術(shù)手段控制“風(fēng)箏”在空中的運(yùn)行軌跡，提高系統(tǒng)發(fā)電效率，保證系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行是未來(lái)需要研究的主要問(wèn)題。

4.2 風(fēng)箏式高空風(fēng)力發(fā)電裝置

風(fēng)箏式高空風(fēng)力發(fā)電裝置是指工作于距地面幾百甚至上千米高度的風(fēng)箏式發(fā)電機(jī)。在這一高度，大氣層的風(fēng)速和氣流相對(duì)穩(wěn)定，無(wú)紊流干擾，因而適用于利用風(fēng)能進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)電。

這類(lèi)發(fā)電裝置的工作原理是：當(dāng)箏面垂直于氣流時(shí)，其拉力拖動(dòng)繩索驅(qū)動(dòng)地面上的卷?yè)P(yáng)機(jī)做功發(fā)電；當(dāng)箏面平行于氣流時(shí)，拉力最小，卷?yè)P(yáng)機(jī)倒轉(zhuǎn)拉回風(fēng)箏；由此，風(fēng)箏反復(fù)做功發(fā)電。通過(guò)絞車(chē)滾筒連接一對(duì)風(fēng)箏串聯(lián)工作，當(dāng)其中一只風(fēng)箏上升到450 m的高度時(shí)，會(huì)拉動(dòng)絞車(chē)滾筒上的繩索，使連接的另一只風(fēng)箏相應(yīng)下墜；然后2只風(fēng)箏以數(shù)字“8”的運(yùn)動(dòng)軌跡上下浮動(dòng)，如此反復(fù)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)連續(xù)發(fā)電。

相較于傳統(tǒng)高塔式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，風(fēng)箏式發(fā)電機(jī)能夠到達(dá)風(fēng)源持久且強(qiáng)勁的高空中，發(fā)電效率更高；此外，風(fēng)箏式發(fā)電機(jī)也不需要葉片、渦輪機(jī)或其他機(jī)械設(shè)備，建設(shè)成本低廉，且噪音污染小。

在國(guó)外，該領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)已取得突破。世界上首個(gè)規(guī)模化的風(fēng)箏發(fā)電站是位于意大利的KiteGen Stem發(fā)電站，該電站于2015年4月投入運(yùn)營(yíng)，裝機(jī)容量為3 MW，由意大利KiteGen公司負(fù)責(zé)建造。英國(guó)建造全球第2個(gè)規(guī)?；娘L(fēng)箏發(fā)電站，選址位于蘇格蘭的斯特蘭拉爾郡附近，裝機(jī)容量為500 kW，于2017年3月投入運(yùn)營(yíng)。

在風(fēng)箏式高空風(fēng)力發(fā)電裝置方面，國(guó)內(nèi)尚處于起步階段，需解決突破高強(qiáng)度風(fēng)箏設(shè)計(jì)制造技術(shù)、風(fēng)箏箏面材料技術(shù)與地空纜索驅(qū)動(dòng)技術(shù)，以及雙向驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)技術(shù)和裝置控制技術(shù)等。預(yù)計(jì)到2025年，我國(guó)風(fēng)電設(shè)備企業(yè)可開(kāi)發(fā)出2 MW級(jí)風(fēng)箏式高空風(fēng)力發(fā)電裝置。

5 結(jié)論

本文根據(jù)不同類(lèi)型，分別對(duì)當(dāng)前全球的陸上及海上風(fēng)電機(jī)組的技術(shù)進(jìn)行了介紹，并對(duì)各類(lèi)型風(fēng)電機(jī)組的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。由于筆者研究水平有限，文中難免有表述不當(dāng)之處、或者存在某些錯(cuò)誤，歡迎讀者提出修改意見(jiàn)。