漫谈风电机组大型化中的中速传动技术

对笔者来说,中速传动是一个再熟悉不过的概念。十多年前,当高速双馈技术盛行、直驱大旗被高举、并各执一词时,以不算深厚的认知觉得,一种折中的方案应该可以兼得技术性和经济性的综合优势。于是乎,便一直致力于这种当时被称之为混合传动(也有称之为“半直驱”)后来统称为中速传动技术的研发和产品开发。除了熟悉,也算是有些体会,可以漫谈一番。
1.中速传动技术溯源
谈到中速传动技术,有四个标志性的事件需要提及。
1) 1990年代末期,基于当时高速双馈技术在可靠性上的劣势、励磁直驱技术在经济性上的劣势、尚未成气候的永磁直驱技术以及海上风电的需求,德国的Aerodyn公司首次提出了中速传动的概念。随后诞生了第一代中速传动风电机组Winwind-1MW和Multibrid-5MW。
2) 2000年代初期,美国的NREL委托两家咨询公司先后对比研究了高速双馈、永磁直驱和中速传动三种技术的经济性,得出了中速传动技术最佳的结论。
3) 2000年代后期,中国和西班牙的两家整机企业同时研发多兆瓦中速传动样机,均获成功。西班牙的这家公司几经辗转,最后并入现在的Siemens能源;在中国则派生出了专注于中速传动技术的三力新能。
4) 2010年代初期,在经历了几番探索后,丹麦的Vestas将中速传动技术用于海上7MW机组。随后在2010年代末期推出EnVentus中速传动技术平台,将其全系列(包括陆地和海上)机型置于该平台。
上述四个事件跨越了20多年,起始时间恰巧是国内大型风电机组产业化的起点时间。即,当国内的风电产业刚刚起步,还在购买国外将要淘汰的机组生产技术时,国外已经在开始谋划今天成为主流的机组技术。这正是当时国内风电技术和产业的基本状况,还不太有技术路线的概念,只晓得生产许可。好在经过国内同行20多年的不懈努力,风电行业飞速发展,令世界瞩目。
目前,中速传动技术已被国内众多同行认可、选择和应用。无论是大张旗鼓的改旗易帜,还是不动声色的改弦易辙,亦或是含糊其辞的多路并行,都呈现出中速传动之路上的同行者越来越多,已经从中速传动的春天到了火热的夏天,以至于海上风电机组的大型化似乎变成了机组的中速传动化。
如果放在几年前,这是令人欣慰的,因为曾经认定中速传动技术是国内海上风电机组唯一可行的技术路线。但是现在回首已经走过的路以及对行业的思考,面对言必称中速传动的现状,不禁扪心自问:中速传动技术真的那么神奇,能够助力众多整机企业实现机组大型化吗?
2. 机组大型化与中速传动技术
在除了叶轮之外的机舱拓扑结构上,与传统的高速双馈机型和永磁直驱机型相比,由于存在齿轮箱,中速传动机型的机械传动部分是类双馈的;由于采用永磁发电机和全功率变流器,中速机型的电气传动部分又是类直驱的。从这个意义上讲,转向中速传动技术不外乎存在以下的策略:
- 从高速双馈到中速传动——将高速齿轮箱换成中速齿轮箱,将双馈发电机换成中速永磁发电机,将半功率变流器换成全功率变流器。
- 从永磁直驱到中速传动——将直驱型永磁发电机的主轴系和发电机在径向的功能结构分布到轴向,再将低速发电机变换成中速发电单元(中速齿轮箱与中速永磁发电机集成体)。
实际上还有一种情况是,原来一直致力于中速传动技术的,既不可能原地踏步,也不可能故步自封。因此在中速传动技术领域,它应该总是领先的。
国内中速传动技术的盛行,还有三个因素起到了推动的作用:
1) Vestas在2019年初发布了EnVentus平台,将全系列产品归于中速传动技术平台,并且发布了V236-15MW机型,获得可观的订单,尤其是海上风电项目订单。
2) 有家国外的齿轮箱-发电机厂商推出了一类发电单元,其特征是三级行星传动齿轮箱+后悬挂中高速永磁发电机(可以称为“中高速发电单元”),令国内整机商趋之若鹜。
3) 在10兆瓦以上级别的海上机组中,直接驱动技术似乎遇到了成本瓶颈,逐渐失去了原本的竞争优势。要么放弃海上业务(如Enercon),要么调整变通。于是,行业里出现了各式各样的中速传动机型。
- 双馈式中速机型——这是一种基于高速双馈技术的中速传动机型,用双馈机组的船式底座,将双馈机组的主轴系联接到中高速发电单元;
- 早期式中速机型——这是一种基于早期中速传动机组的机型,早期机组中的许多技术在大型化中已不适用,所以看起来略显幼稚。
- V式中速机型——这是一种直接借用Vestas的EnVentus平台技术的机型,从零部件、机组配置到机舱结构都似曾相识。
- 异类中速机型——这是一种基于前四代中速传动技术的第五代中速传动机型,无论在拓扑结构还是大部件配置都有别于其他同类机组。
中速传动技术盛行起来后,在机组开发中有种抢装的逻辑。似乎谁先开发出来,谁开发的容量大,谁的竞争优势就大似的。实际上,无论哪种中速传动机型,只要能在现场稳定可靠运行,具有独特的市场竞争能力,满足开发商的需求,都是可行的。但是国内海上风电机组大型化所面临的最大问题既不是技术路线的中速化,也不是机组容量不够大,而是缺乏起支撑作用的关键技术。否则就会出现批量的机组失效和持续不断的技术改造。
最后需要思考的是,中速传动技术毕竟只是源自传统的高速双馈技术和永磁直驱技术,并无颠覆性创新。可能在较大的机组容量等级上有着一定的综合优势,但是不是能成为新一代的主流技术而完全代替传统的机型技术?如果不是,那么现在对中速传动技术抱有多大的期望,未来就会有多大的失望。
3. 结束语
中速传动技术是和高速双馈技术与直接驱动技术同期的一类技术,在大型化机组中,它有着独特的综合优势,但也仅仅是弥补型的折中技术,而不是替代技术。
现在国内盛行起中速传动技术,但是在还没有理解和认知该技术的前提下,就已经在10MW以上的海上风电机组开发中跃跃欲试,需要慎之又慎。
由于风电行业起步较晚,中国虽然是风电大国,但还不算是风电强国,还有许多不够领先不够先进的方面,还不是弯道超车的时候,更明智的是跟踪学习。
大约在五六年前,曾经做过两项有关中速传动技术的预测,今天一喜一忧都应验了。但愿本文提到的良好前景都一一实现,所做的风险分析都被规避掉。