科普丨什么是半直驱型风电机组？

上一文，我们发布了《科普丨什么是永磁直驱型风电机组？》，本文将深入介绍半直驱型风电机组的工作原理及主要部件，帮助读者全面了解其构成和功能。

在可再生能源领域，风能作为一种清洁、无污染的能源，得到了全球范围内的广泛关注。其中，半直驱风力发电机因其独特的设计和高效性能，逐渐成为风力发电技术的重要分支。半直驱型风电机组是由变桨距风轮驱动中速齿轮箱，再由齿轮箱驱动中速永磁发电机发电，通过全功率变流器向电网馈电的风电机组。目前，这种风电机组在陆上风电场和海上风电场都有应用。

定义

半直驱型风电机组，也称为中速永磁发电机型风电机组。半直驱风力发电机是一种介于双馈和直驱之间的技术，它使用齿轮箱来提高转速，但转速提升的幅度小于双馈风机，且通常采用永磁同步发电机。

（资料图：中船海装）

从结构上说半直驱可与双馈是类似的，具有布局形式多样的特点，同时目前研究中的无主轴结构还具有与直驱相似的外型。区别在于一是与双馈机型比，半直驱的齿轮箱的传动比低；二是与直驱机型比，半直驱的发电机转速高。

这个特点决定了半直驱一方面能够提高齿轮箱的可靠性与使用寿命，同时相对直驱发电机而言，能够兼顾对应的发电机设计，改善大功率直驱发电机设计与制造条件。

工作原理

半直驱风力发电机的核心部分包括风轮、永磁同步电机和控制系统。

当风轮叶片捕捉到风力并开始旋转时，风轮通过机械连接直接驱动电机。风轮转速接近电机的理想同步转速，这使得电机可以利用风能产生电力。永磁同步电机利用磁场和电流之间的相互作用，产生电磁力矩，使转子和定子同步旋转，从而实现电能的转换。控制系统则负责监测和调整电机的工作状态，确保其在最佳状态下运行。

优势

1、发电效率高：相对于双馈风机而言，半直驱风电机组的传动链简单、传动链后期维护较少。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，不用提供励磁电流，在低速时也会有较高的效率。

2、节约成本：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。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），大幅减少电解铜和稀土永磁的用量，节约的成本大大高于增加的齿轮箱。

3、噪音低：半直驱风电机组传动噪音少，有利于环境保护和居民生活品质的提高。

（资料图：上海电气风电集团）

4、稳定性好：由于转速稳定，半直驱风力发电机的输出功率波动较小，更适合并网运行。

5、环境适应性强：由于半直驱发电机对风速变化的敏感度较低，因此在不同风速条件下都能保持较高的发电效率。

技术特点

1、半直驱通过风叶带动齿轮箱来驱动永磁电机发电，介于直驱和双馈之间，齿轮箱的调速没有双馈的高，发电机也由双馈的绕线式变为永磁同步式。

2、融合直驱型和双馈型风力发电机两者优点：体积小、重量轻、免维护、可靠性高、适用于大型风电。

3、永磁半直驱同步风机系统的成本相对较低。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。

4、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。

主要部件

1. 风轮

风轮是风电机组的核心部件，由轮毂、叶片和罩壳组成。其主要任务是通过叶片捕捉风能，并将其转化为机械能。半直驱型、直驱型和双馈型风电机组的风轮和变桨驱动系统类似，其结构和功能基本相同。

2. 发电机

发电机是将机械能转化为电能的核心设备。在半直驱型风电机组中，采用的是中速永磁发电机。这种发电机具有效率高、功率密度高、可靠性高等优点。与直驱发电机相比，多了增速齿轮箱提高发电机转速，使得发电机尺寸减小。

（资料图：中车永济电机）

中速永磁发电机的结构：主要由定子、转子、机壳和冷却系统组成。

定子：定子由铁芯、绕组和机槽组成，用于产生感应电动势。

转子：转子由永磁体、磁轭和转轴组成，用于产生磁场。

机壳：机壳的作用是支撑定子和转子，并保护内部部件免受外界环境的影响。

冷却系统：冷却系统用于对发电机内部部件进行散热，确保发电机在长时间运行中保持适宜的工作温度。

中速永磁发电机的特点

效率高：中速永磁发电机的效率可达95%以上，比双馈异步发电机高出2-3个百分点。

功率密度高：中速永磁发电机的功率密度高，体积小，重量轻。

可靠性高：中速永磁发电机采用永磁体励磁，不需要励磁装置，可靠性高。

3. 增速齿轮箱

增速齿轮箱的作用是将风轮的低速旋转转化为发电机所需的较高转速。在半直驱型风电机组中，通常采用行星齿轮变速箱。这种变速箱具有结构紧凑、传动效率高、噪音低等优点。

4. 主轴

主轴是支撑风轮的关键结构，使其能够旋转。主轴的设计需要考虑到高强度、轻量化以及对恶劣天气的适应性，确保风电机组在各种条件下都能安全可靠地运行。

5. 塔筒

塔筒是风电机组的支撑结构，将整个机组高悬于地面。塔筒的高度会影响到风能的捕捉效果，同时也需要具备足够的稳定性和承载能力。

6. 变流器

变流器是将发电机产生的交流电转换成可并入电网的工频交流电的设备。在半直驱型风电机组中，采用全功率变流器，能够实现双向功率控制，可用于无功补偿和调频。

7. 偏航系统

偏航系统是确保风机轮始终朝向风的重要系统。它包括偏航驱动装置和偏航传感器，通过实时监测风向并调整机组方向，保持最佳的风能捕捉效果。

8. 冷却系统

冷却系统用于对发电机、变流器等核心设备进行散热，确保设备在长时间运行中保持适宜的工作温度。高效的冷却系统有助于提高设备的稳定性和可靠性。

9. 润滑系统

润滑系统对风电机组的机械运转至关重要。它确保各个运动部件在高速运转中能够保持良好的润滑状态，减少摩擦损耗，延长零部件寿命。

10. 监测与维护系统

监测与维护系统通过传感器和远程监控技术，实时监测风电机组各个部件的状态。这有助于提前发现潜在问题，进行预防性维护，提高风电机组的可靠性和可维护性。

11. 其他部件

除了上述主要部件之外，半直驱型风电机组还包括变压器、电缆、接地装置、消防系统等辅助部件，它们共同保障风电机组的安全、高效运行。

（资料图：金风科技）

整机企业

明阳智能

明阳智慧能源集团股份公司（简称“明阳智能”）成立于2006年，总部位于中国广东中山，专注新能源高端装备研发与制造，业务涵盖风、光、储、氢等清洁能源开发运营、高端装备的研发与制造以及工程技术服务领域，位居中国企业500强和全球新能源企业500强前列，是国内领先、全球具有重要影响力的智慧能源企业，在全球海上风电领域创新排名第一，2023年全球海上风电新增装机量排名第一。

金风科技

金风科技是全球可信赖的清洁能源战略合作伙伴，致力于推动能源变革，让人人可负担、可靠、可持续的能源惠及全球，构建“可持续更美好”的未来。金风科技深度聚焦能源开发、能源装备、能源服务、能源应用四大领域，以强大科研创新和最佳业务实践，将可再生能源的效率提升至新高度。目前，金风科技已实现全球风电累计装机容量超119GW，在运维服务量超64GW，逾51,000台运行风电机组遍布世界。

运达股份

运达能源科技集团股份有限公司(运达股份)是浙江省大型国有上市企业，在国内最早从事新能源技术研究与产品开发,是中国新能源事业的拓荒者、创新者和领军者,曾研制出我国第一台并网型风力发电机组，至今深耕新能源已有50多年历史，是国内领先的新能源装备制造企业和综合能源服务企业。

中船海装

中船海装风电有限公司（以下简称“中船海装”）成立于2004年1月9日，隶属于中国船舶集团有限公司旗下中船科技股份有限公司，是国家海上风力发电工程技术研究中心平台建设单位，是专业从事风电装备系统集成设计及制造、风电场运维服务的高新技术企业。中船海装是“全球新能源企业500强”“中国能源企业（集团）500强”，能为全球客户提供整体解决方案。

中车风电

中车山东风电有限公司是中国中车股份有限公司投资打造的国内一流大型风电装备制造企业，专业从事风力发电装备及配件的生产及销售，风力发电装备及配件的技术开发、技术转让、技术咨询、技术服务，风电场建设运营业务的技术咨询服务；具备年产1500套1.5-6MW风力发电机组的能力。拥有全功率风电整机试验站、半实物仿真平台、变桨试验台等国际先进的试验测试设备和仿真验证平台；自主研发的1.5MW、2.0MW、2.5MW、3.0MW、3.6MW、4.0MW、5.0MW、6.0MW等7个功率等级共40余款机型的风力发电机组，涵盖了不同市场的需要。已批量装机的风力发电机组运行稳定可靠；6MW海上风力发电机组全面进入样机试制阶段。

东方电气

中国东方电气集团有限公司（以下简称东方电气集团）创立于1958年，是中央管理的涉及国家安全和国民经济命脉的国有重要骨干企业，肩负保障国家能源安全的重大责任，是全球最大的能源装备制造企业集团之一。

东方电气集团加快推进“绿色智造”转型，形成了“六电并举、六业协同”的产业格局[“六电”：风电、太阳能、水电、核电、气电、煤电；“六业”：高端石化装备产业、节能环保产业、工程与国际贸易产业、现代制造服务业、电力电子与控制产业、新兴产业]，产品包括风电机组、太阳能发电设备、水电机组、核电机组、火电机组（燃气轮机发电、清洁高效煤电）、控制系统、环保设备、工业化工装备、氢能及燃料电池、储能装备、新材料等，致力于为客户提供能源装备、绿色低碳装备、高端智能装备于一体的综合能源解决方案。

适用场合

1、城市天桥一般位于市中心繁华地段，有着充足的空间和适宜的风速条件。可以通过安装半直驱风力发电机，为城市供电，减少能源消耗和环境污染，并且还可以增加城市景观的美观程度。

2、海上风电由于环境复杂，对设备的稳定性和可靠性要求较高，而半直驱风力发电机具有高效、稳定、可靠等特点，可大大减少故障率和维护成本，因此非常适合在海上风电场中使用。

总之，半直驱风力发电机组因其高效、稳定、环保的特点，正在逐步改变风能发电的技术格局。随着科技的进步和市场对清洁能源的需求增加，这种创新的风力发电方式将会得到更广泛的应用，为实现可持续发展做出更大的贡献。

来源：百度文库、百度百科、风电电气设计等