文 | 田德，馬曉慧

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國內(nèi)外大型風(fēng)電機組關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展趨勢（一）

文 | 田德，馬曉慧

2014年全球風(fēng)電新增裝機容量首次突破5000萬千瓦，達到了5147.3萬千瓦，與2013年3569.2萬千瓦相比，同比增長44.2%。全球累計裝機容量達到3.6960億千瓦，同比增長16%。全球風(fēng)電新增裝機和累計裝機排名前五位的國家分別是中國、德國、美國、巴西、印度和中國、美國、德國、西班牙、印度。如圖1和圖2所示。

2014年中國風(fēng)電累計并網(wǎng)裝機容量9637萬千瓦，占全部發(fā)電裝機容量的7%。2014年中國風(fēng)電上網(wǎng)電量1534億千瓦時，占全部發(fā)電量的2.78%。其中，各省區(qū)市風(fēng)電新增和累計裝機容量排名前五的省份分別是甘肅、新疆、內(nèi)蒙古、寧夏、山西和內(nèi)蒙古、甘肅、河北、新疆、山東。如圖3和圖4所示。

2015年上半年，全國風(fēng)電新增并網(wǎng)容量916萬千瓦，到6月底，全國風(fēng)電累計并網(wǎng)容量10553萬千瓦，累計并網(wǎng)容量同比增長27.6%；上半年，全國風(fēng)電上網(wǎng)電量977億千瓦時，同比增長20.7%。其中，各省區(qū)市風(fēng)電新增和累計裝機容量排名前五的省份分別是新疆、云南、內(nèi)蒙古、山東、山西和內(nèi)蒙古、甘肅、新疆、河北、山東。如圖5和圖6所示。

從2015年1月至6月中國風(fēng)電裝機的機型分布上看，2MW風(fēng)電機組占上半年全部裝機容量的50%，1.5MW風(fēng)電機組占上半年全部裝機容量的35.8%。2MW風(fēng)電機組的新增裝機容量首次超過1.5MW風(fēng)電機組的新增裝機容量，預(yù)示陸上風(fēng)電機組逐漸向大容量方向發(fā)展。

風(fēng)電機組是推動風(fēng)電發(fā)展的核心設(shè)備，對風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)經(jīng)濟性具有決定性作用。目前，在機組單機容量大型化、風(fēng)輪葉片技術(shù)和機組多元驅(qū)動技術(shù)等方面不斷涌現(xiàn)出新的創(chuàng)新型技術(shù)。

風(fēng)電機組單機容量大型化

風(fēng)電機組單機容量大型化既有利于提高風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率，又有利于降低風(fēng)電機組全壽命周期的制造與運營成本。但是大容量機組受到運行環(huán)境、機組特性、電網(wǎng)條件、安裝運輸?shù)榷喾矫嬉蛩氐闹萍s，因而仍需科學(xué)有序的開發(fā)。國內(nèi)外大容量風(fēng)電機組研發(fā)現(xiàn)狀如表1所示。

大型風(fēng)輪葉片技術(shù)

隨著風(fēng)輪葉片長度的不斷增加，葉片抗載能力、葉尖變形、氣動特性、氣彈特性、葉片結(jié)構(gòu)材料與加工工藝等技術(shù)問題更加突出。

一、美國Blade Dynamic組合葉片模塊化技術(shù)

美國Blade Dynamic公司推出的葉片模塊化技術(shù)將大型葉片分為葉片主體模塊和葉尖模塊，在生產(chǎn)制造過程中，兩模塊可同步生產(chǎn)后組合而成。葉片內(nèi)芯采用多層碳纖維的內(nèi)翼梁技術(shù)，葉片外殼使用玻璃纖維增強復(fù)合材料，葉根通過兩層對立呈波狀薄壁鋼板層壓形成多個錐形圓孔。該模塊化技術(shù)既有利于簡化葉片運輸、安裝和拆卸，又有利于降低風(fēng)電機組全生命周期的度電成本。

二、Gamesa分段式葉片

Gamesa G128分段式葉片以降低葉片重量和提高空氣動力性能為嚴(yán)格指標(biāo)，將葉片分為兩段生產(chǎn)組裝，采用大量內(nèi)嵌裝置及外部螺栓，通過安裝在螺栓處的預(yù)加載傳感器測量出螺栓的力和轉(zhuǎn)矩，將安裝精度控制在1%的誤差以內(nèi)。目前，G128分段式葉片已進入商業(yè)化生產(chǎn)，主要針對5MW以上超大容量風(fēng)電機組。

表1　國內(nèi)外大容量風(fēng)電機組研發(fā)現(xiàn)狀

三、大厚度鈍尾緣葉片結(jié)構(gòu)分析

由于風(fēng)輪葉片外側(cè)是風(fēng)輪捕獲風(fēng)能的主要區(qū)域，人們對翼型設(shè)計的關(guān)注點往往集中在氣動收益較高的外側(cè)，采用相對厚度較小的翼型。而葉片內(nèi)側(cè)厚度較大，一般重點考慮它的結(jié)構(gòu)強度，內(nèi)側(cè)區(qū)域葉片的外形是由圓柱段逐漸過渡，沒有使用特定的設(shè)計翼型。美國Sandia實驗室提出了在大型風(fēng)輪葉片的內(nèi)側(cè)采用大厚度鈍尾緣翼型能有效提高葉片的結(jié)構(gòu)性能，在葉片的外側(cè)采用高升阻比的薄翼型能獲得良好的氣動性能。大厚度鈍尾緣葉片具有葉片剛度高，結(jié)構(gòu)性能、氣動特性良好，限制葉片重量，降低成本等優(yōu)點。中國科學(xué)院工程熱物理研究所基于我國對低載輕質(zhì)高強度風(fēng)電葉片的需求，在荷蘭DOWEC葉片的基礎(chǔ)上，設(shè)計了6MW大厚度鈍尾緣葉片，通過控制前后兩葉片鋪層參數(shù)不變，研究了大厚度鈍尾緣外形對葉片載荷與結(jié)構(gòu)的影響，得出了提高葉片內(nèi)側(cè)翼型的相對厚度可以降低其質(zhì)量與軸向載荷的結(jié)論。

四、葉片渦流發(fā)生器技術(shù)

由于葉片長度的逐漸增大，大型風(fēng)電機組的葉片根部大都選用大厚度的翼型來提高葉片的結(jié)構(gòu)強度。然而厚翼型自身易于發(fā)生流動分離，且根部翼型的流動狀態(tài)常處于非設(shè)計工況下，因此通過控制流動分離來減小風(fēng)輪葉片阻力逐漸成為研究關(guān)注點。渦流發(fā)生器是小展弦比翼型，其小翼兩側(cè)的壓力面和吸力面能夠產(chǎn)生強度較大的翼尖渦，高能量的翼尖渦促進邊界層外內(nèi)的高低動能流體摻混，增加邊界層內(nèi)流體的動量和能量，降低邊界層的厚度，抑制展向流動，從而使湍流邊界層的分離推遲或消除，最終達到使翼型增升減阻的效果。利用渦流發(fā)生器降低流動分離技術(shù)已趨于成熟，并且在減小葉片阻力方面具有良好經(jīng)濟性。

表2　雙饋異步式機組和永磁直驅(qū)式機組對比匯總

風(fēng)電機組多元驅(qū)動技術(shù)

風(fēng)電機組的驅(qū)動方式?jīng)Q定了風(fēng)電機組從風(fēng)輪側(cè)到發(fā)電機側(cè)的傳動效率與傳動系可靠性。

一、雙饋異步式和永磁直驅(qū)式風(fēng)電機組

目前國內(nèi)主流風(fēng)電機組為雙饋異步式和永磁直驅(qū)式機組。兩種機組傳動方式、發(fā)電機、變流器、優(yōu)缺點及主要制造廠商匯總見表2。

二、Enercon電勵磁直驅(qū)式風(fēng)電機組

德國Enercon 公司成立于1984年，是以直驅(qū)永磁及直驅(qū)電勵磁為主流技術(shù)的全球領(lǐng)先風(fēng)電機組制造商。其主推的電勵磁直驅(qū)式風(fēng)電機組優(yōu)點是：并網(wǎng)特性佳、勵磁控制靈活、不采用齒輪箱等轉(zhuǎn)動部件，不采用永磁材料，不受稀土材料價格波動等影響，勵磁控制靈活、無失磁問題。存在的缺點：電勵磁直驅(qū)型系統(tǒng)中采用轉(zhuǎn)子勵磁繞組，使電勵磁發(fā)電機具有2% 左右的勵磁損耗。此外，電勵磁同步發(fā)電機使用了更多的金屬材料，從而使其重量和體積比永磁發(fā)電機增加30% 左右。

三、Multibrid半直驅(qū)式風(fēng)電機組

半直驅(qū)式風(fēng)電機組由低速齒輪箱、中速永磁同步發(fā)電機、全功率變頻器組成。該類型的風(fēng)電機組非常適用于大容量、大直徑、海上風(fēng)電機組對整機的要求，然而半直驅(qū)式風(fēng)電機組也存在單級齒輪傳動設(shè)計、齒輪箱與輪轂電機聯(lián)接方式等技術(shù)難點。國內(nèi)半直驅(qū)式風(fēng)電機組仍處于科研攻堅的概念設(shè)計階段。國外有Multibrid、WinWind和Clipper等公司關(guān)注于半直驅(qū)結(jié)構(gòu)的風(fēng)電機組。

四、VOITH福伊特液力傳動式風(fēng)電機組

由德國VOITH福伊特研發(fā)的液力調(diào)速傳動系統(tǒng)，又稱WinDive，如圖7所示。該傳動系統(tǒng)采用與汽車中無級變速自動變速器類似的工作原理。風(fēng)輪驅(qū)動轉(zhuǎn)速通過主齒箱驅(qū)動行星輪和太陽輪，太陽輪通過輸出軸驅(qū)動發(fā)電機和泵輪，泵輪將轉(zhuǎn)速傳遞給液力變矩器，為實現(xiàn)太陽輪轉(zhuǎn)速恒定輸出，當(dāng)驅(qū)動轉(zhuǎn)速低于或高于額定轉(zhuǎn)速時，液力變矩器通過控制渦輪轉(zhuǎn)速反饋給外齒圈，外齒圈與行星輪嚙合，通過增速或減速反作用于太陽輪，實現(xiàn)太陽輪以恒定轉(zhuǎn)速驅(qū)動發(fā)電機。該液力調(diào)速傳動系統(tǒng)既精確控制風(fēng)電機組傳動鏈的可變功率，又有效減輕動力傳動鏈在不良條件下的動態(tài)載荷，可連接標(biāo)準(zhǔn)的同步發(fā)電機與電網(wǎng)直接耦合發(fā)電。

五、電磁耦合式風(fēng)電機組

由清華大學(xué)柴建云教授提出的電磁耦合式風(fēng)電機組傳動系統(tǒng)是一種新型的變頻調(diào)速鏈，通過一臺定、轉(zhuǎn)子可同時旋轉(zhuǎn)的變頻交流電機進行變頻調(diào)速。該電磁耦合式傳動系統(tǒng)的兩個機械端口分別連接齒輪箱的高速軸和同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子軸，電氣端口連接變頻器。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時，機組中的同步發(fā)電機通過強勵磁向電網(wǎng)提供無功支撐，有助于電網(wǎng)電壓的恢復(fù)。當(dāng)發(fā)電機側(cè)發(fā)生故障時，發(fā)電機的沖擊轉(zhuǎn)矩被電磁耦合器隔離，保護了齒輪箱免受沖擊載荷破壞。其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

結(jié)論

通過分析風(fēng)電機組單機容量、風(fēng)輪葉片和驅(qū)動方式的技術(shù)發(fā)展趨勢，得出主要的結(jié)論如下：

（一）機組單機容量：大容量海上風(fēng)電機組既有利于降低單機造價，又有利于節(jié)省運維成本。開發(fā)陸上大容量高可靠性的風(fēng)電機組具有良好的發(fā)展前景。

（二）風(fēng)輪葉片技術(shù)：組合分段式技術(shù)可降低生產(chǎn)制造、運輸安裝成本。風(fēng)輪外側(cè)采用高升阻比薄翼型，內(nèi)側(cè)采用大厚度鈍尾緣翼型，可有效地優(yōu)化氣動和結(jié)構(gòu)強度的協(xié)調(diào)性。葉片渦流發(fā)生器可提高風(fēng)輪內(nèi)側(cè)的氣動性能并降低流動分離。

（三）機組驅(qū)動技術(shù)：為降低風(fēng)速對傳動系統(tǒng)的動態(tài)波動載荷，提高風(fēng)電機組電能質(zhì)量，電勵磁直驅(qū)技術(shù)已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，半直驅(qū)、液力傳動及電磁耦合技術(shù)正處于實驗研究階段。（作者單位：華北電力大學(xué)）