文|國際能源網/風電頭條 

2002年，丹麥西海岸Horns Rev海上風電場建成并網，這里安裝了80臺維斯塔斯2MW機組。但是在之后一年半的運行過程中，80臺機組同時正常工作的時間僅僅1.5小時，期間運營商共出動了7.5萬次運維航行，平均一天檢修兩臺機組。

如此高的事故發生率，導致維斯塔斯在Horns Rev風電場運行兩年后不得不拆除或大修其中80臺機組。

高故障率在海上風電發展早期并不鮮見，人們對海上惡劣的自然條件還是預估不足。傳統陸上機組沿用到海上往往會導致頻發的“齒輪箱故障”。

于是，在2000年代，人們便嘗試探索海上風電新的技術路線，以提升運行穩定性。2003年西門子推出了第一臺應用于海上的3MW無齒輪箱型直驅機組。

在之后幾年試驗運行階段，直驅機組在海上表現十分優異，并于2010年左右開始量產，以直驅機組逐步取代傳統帶有齒輪箱型機組。優異的直驅產品也幫助西門子不斷斬獲更多的海上訂單，今天歐洲地區海上裝機中70%來自西門子歌美颯。

《2022全球海上風電報告》顯示，2016年歐洲地區新增海上風電機組中傳統鼠籠異步發電機還占據40%的份額，而5年后的2021年新增海上風機全部變為直驅與半直驅型。

海上風機技術路線的演變趨勢同樣發生在中國，2016年中國海域新增風機中超過90%屬于傳統雙饋和鼠籠發電機，2021年除高速永磁占據一定分額外，直驅與半直驅占比也迅速也提升到60%。

風力發電機按照傳動鏈結構劃分，可分為高速傳動、中速傳動和低速傳動。高速傳動特點是帶有增速齒輪箱，分為鼠籠異步和雙饋異步，中速傳動即半直驅，低速傳動又稱直驅。

雙饋和直驅是陸上風電主要應用的技術路線。但海上風電迥異的自然環境，而且機組功率越來越大兆瓦化，所以海上呈現出不同的技術路線之爭。

高速傳動，雙饋、鼠籠逐漸式微

高速傳動發電機屬于異步發電機，所謂高速，便是借助增速齒輪箱使得轉子以高于定子旋轉磁場的轉速旋轉。

鼠籠和雙饋是高速傳動機組的兩種主要形式。鼠籠發電機轉子為封閉式籠型結構，不需要電刷和滑環等部件，發電機定子繞組經全功率變流器聯網；且沒有專門的勵磁結構，通過定子側變換器為其提供勵磁，實現變速恒頻控制。雙饋發電機的葉輪通過增速齒輪箱與轉子連接，轉子的勵磁繞組通過變流器連接電網，定子繞組直接聯網，轉子繞組電源的頻率、電壓、幅值和相位按運行要求由變流器自動調節，機組可以在不同的轉速下實現恒頻發電。

海上風機的風輪轉速通常在5-25轉/分鐘，借助增速齒輪箱可以將轉子的轉速放大到1500轉/分鐘左右，從而實現高效的風能利用。但是齒輪箱是風機傳動系統中容易過載、且損壞率相對較高的部件，其可靠性直接關系到風機的使用壽命。而且，雙饋機組中集電環和電刷等部件，更是增加了機艙的結構復雜性。

機艙結構越復雜，發生故障的頻率也往往更高。海上風電的運維成本占項目全生命周期總成本的20%~30%，是陸上風電的2~3倍。

除此之外，隨著機組功率的增大，增速齒輪箱的設計難度也隨之提高。

也正因高速傳動機組應對海風時代的弊端，全球風電三巨頭維斯塔斯、通用電氣和西門子歌美颯紛紛選擇了直驅或者半直驅技術路線。

維斯塔斯：2014年，9MW海上風電平臺問世，采用半直驅技術，逐步取代了之前2000年雙饋2MW平臺與2010年鼠籠4MW平臺。

通用電氣：通用電氣的海上風電業務源自阿爾斯通（Alston Wind），2012年，阿爾斯通Haliade150 6MW風機問世，采用永磁直驅，取代了之前的雙饋技術路線。

西門子歌美颯：2003年推出直驅型海上風電機組。

目前國內涉足海上風電的整機廠商包括遠景能源、金風科技、明陽智能、電氣風電、中國海裝、東方電氣、哈電風能和運達股份。其中遠景能源和運達股份的海上風機還采用增速齒輪箱高速傳動技術，中國海裝的H5.X/6.X及H8.X/10.X平臺部分機型采用高速永磁。其余整機商全部轉向直驅或半直驅技術。

在國外，8MW功率以上基本鮮有高速傳動路線機組。國內，高速傳動機組最高功率止步于10MW左右，除遠景能源Model Y平臺可提供最高12MW的高速傳動機組。

中國風電整機商海上風電技術路線發展圖譜

圖片來源：GWEC

低速傳動，永磁直驅眺望海洋

低速傳動發電機，指在機組傳動系統中取消了齒輪箱和傳動軸，機組風輪系統直接驅動機組的同步發電機，所以又稱直驅電機。世界上第一臺直驅電機于1993年由Enercon制成。

直驅電機由于轉子轉速較低，所以需要提高磁場強度，即增加磁極數。

根據磁體性質不同，直驅機組可分為永磁直驅和電勵磁直驅。而后者的電勵磁設計實際上是增加了機艙結構的復雜度，市場應用并不多，德國Enercon等零星幾家企業生產，這么做的目的也是為了減少對永磁材料的依賴性。

相比之下，永磁直驅的應用最為廣泛。一般情況下，直驅機組指的就是永磁直驅。

陸上風電中，中國的金風科技與德國的Enercon是直驅機組的主要供應商。等到海上風電，直驅機組的“朋友圈”進一步擴大，國外的西門子歌美颯和通用電氣，國內的電氣風電、東方電氣等紛紛加入。

直驅機組傳統系統部件數量少，沒有傳動磨損和漏油所造成的機械故障，減少了齒輪傳動裝置需要的潤滑、清洗等定期維護工作，不僅降低了風電機組的運行維護成本，也使得整機的生產周期大大縮短。

最重要的是，直驅型技術路線可以實現風電整機商追求大功率化的“野心”。

西門子-歌美颯和通用電氣的最大功率機組功率已步入14MW時代，在國際市場展開激烈角逐。上海電氣風電11MW“海燕”平臺機組已投入到廣東揭陽神泉第二風電場建設。

然而，相比雙饋或鼠籠高速傳動機組，直驅型機組碰到最大的問題便是機艙的重量。功率越高，機組需要的磁極數也越多，機組重量隨之快速增長。

例如，金風科技2MW直驅機組機艙重量71.7t，3.6MW機組重量便達139.9t，功率增長80%，而重量增長95.1%。

重量的增長，對風機的運輸、吊裝都會帶來難度。而海工（海上安裝平臺）的投資、研發周期又相對漫長，過于重笨的機組不僅安裝時間長，拖延工期，甚至會碰到無船可用的尷尬。

當然，重量的“頑疾”也并非無法消除。西門子歌美颯入局海上直驅路線最早，技術儲備也更為扎實。通過對機艙結構的“模塊化”設計，西門子歌美颯成功遏制了機艙重量的快速增長。隨著機組功率的增大，單兆瓦重量并沒有顯著增長。例如，西門子歌美颯14MW機組僅500噸，比通用電氣的同功率機組輕100多噸。

直驅機組的造價也相對更貴，因為它對稀土永磁材料有著很強的依賴性。目前，永磁材料以釹鐵硼應用為主，中國占據了全球釹鐵硼產量85%的份額，所以對于國外直驅廠商而言，供應鏈也存在不穩定性。

中速傳動，漸受歡迎的半直驅

中速傳動技術路線的出現，是希望結合高速傳動和低速傳動的優點，而又規避二者的缺點。

中速傳動不需要高速傳動機組的高速齒輪箱，中速齒輪箱即可。一般情況下，相比高速傳動1500轉/分鐘的轉速，中速傳動只需要將轉子轉速放大到150轉/分鐘，齒輪箱的結構大大簡化。同時，它又不需要直驅機組那么多磁極數，從而保持機組重量在合理范圍內。

所以，在國外中速傳動技術路線被成為混合傳動，它糅合了高速傳動和低速傳動兩種路線。在國內，中速傳動通常被叫做半直驅。

世界上第一臺半直驅機組由德國Multibrid在1990年代末下線，功率5MW。但長期以來，半直驅技術并不受市場親睞，始終處于邊緣的地位。

直到海上風電大時代的到來，為半直驅技術的應用打開了一扇窗。

雖然第一臺應用于海上的半直驅機組由Areva于2009年下線，但真正推動半直驅技術大規模應用的是維斯塔斯。

維斯塔斯早先應用在海上風電的既有雙饋機組，也有鼠籠機組。在意識到傳統技術路線的問題與瓶頸后，維斯塔斯選擇半直驅作為海上風電技術的未來。相比西門子等同行紛紛選擇直驅路線，維斯塔斯的選擇令外界感到十分詫異。

維斯塔斯的半直驅路線也進行地非常順利。2014年，采用半直驅的海上9MW平臺問世，該系列風機迅速占領了全球多地市場。截止到2021年，維斯塔斯的9MW系列風機全球銷售608臺，銷售規模達到5.4GW。在歐洲海上風電市場中，維斯塔斯的半直驅機組與西門子歌美颯的直驅機組形成了兩強爭霸的局面。

國內整機商中，明陽智能是最早開始篤定選擇半直驅的整機商。2008年，明陽智能從歐洲風機設計公司aerodyn引進相關技術，開啟半直驅技術的技術引進、消化吸收和再開發的過程。2015年MySE 3.0MW風機下線，開啟MySE系列半直驅產品時代。

相比直驅，雖然半直驅還是配備了齒輪箱，但機艙重量的降低非常顯著。以明陽智能的海陸大容量機組MySE11-203與MySE 6.25-172為例，二者機艙重量分別低于360噸和160噸，折算成單兆瓦重量為32.7噸/MW、25.6噸/MW。

在走向大兆瓦功率方面，半直驅也是屢破記錄。

2021年，維斯塔斯成功下線15MW半直驅風機，國內明陽智能、中國海裝與金風科技16MW半直驅風機也在2022年先后下線。

當然半直驅路線技術門檻較高，技術成熟度也沒有達到雙饋或者直驅的水平，這會成為它短時間內大規模應用的限制。

總結

隨著陸上風電發展空間的收窄，海上風電將會迎來爆發式地增長。而推動海上風電度電成本不斷下降的驅動力之一便是風機功率大型化。在2022年太原低碳能源發展論壇上，明陽智能的總工程師賀小兵說道：今年投產下線的一些海上風機產品功率已經達到16兆瓦，預計在“十四五”末，海上風機的功率會發展到25兆瓦，而“十五五”期間，海上風機的功率會進一步提升至30兆瓦的水平。

功率越大，海上風電也越難以承受機組故障宕機付出的高成本。如何提高海上風電的穩定性，國外風電廠商布局更早，提前研發穩定性更高、適應性更強的直驅或半直驅技術。

在國內海上風電逐步發展以后，國內風電廠商依循了相似的路線。

不過，風力發電作為“碳中和”關鍵的一環，技術的探索是沒有終點的。兵無常形，水無常勢，目的都是為了高效地利用自然界的風能。風電技術的創新未來或許還會出現意想不到的突破。