文 | 田德，馬曉慧

?

國內外大型風電機組關鍵技術發(fā)展趨勢（一）

文 | 田德，馬曉慧

2014年全球風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年中國風電累計并網裝機容量9637萬千瓦，占全部發(fā)電裝機容量的7%。2014年中國風電上網電量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、內蒙古、寧夏、山西和內蒙古、甘肅、河北、新疆、山東。如圖3和圖4所示。

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

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

風電機組是推動風電發(fā)展的核心設備，對風力發(fā)電的技術經濟性具有決定性作用。目前，在機組單機容量大型化、風輪葉片技術和機組多元驅動技術等方面不斷涌現(xiàn)出新的創(chuàng)新型技術。

風電機組單機容量大型化

風電機組單機容量大型化既有利于提高風能轉換效率，又有利于降低風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、電網條件、安裝運輸?shù)榷喾矫嬉蛩氐闹萍s，因而仍需科學有序的開發(fā)。國內外大容量風電機組研發(fā)現(xiàn)狀如表1所示。

大型風輪葉片技術

隨著風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、葉片結構材料與加工工藝等技術問題更加突出。

一、美國Blade Dynamic組合葉片模塊化技術

美國Blade Dynamic公司推出的葉片模塊化技術將大型葉片分為葉片主體模塊和葉尖模塊，在生產制造過程中，兩模塊可同步生產后組合而成。葉片內芯采用多層碳纖維的內翼梁技術，葉片外殼使用玻璃纖維增強復合材料，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。該模塊化技術既有利于簡化葉片運輸、安裝和拆卸，又有利于降低風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格指標，將葉片分為兩段生產組裝，采用大量內嵌裝置及外部螺栓，通過安裝在螺栓處的預加載傳感器測量出螺栓的力和轉矩，將安裝精度控制在1%的誤差以內。目前，G128分段式葉片已進入商業(yè)化生產，主要針對5MW以上超大容量風電機組。

表1　國內外大容量風電機組研發(fā)現(xiàn)狀

三、大厚度鈍尾緣葉片結構分析

由于風輪葉片外側是風輪捕獲風能的主要區(qū)域，人們對翼型設計的關注點往往集中在氣動收益較高的外側，采用相對厚度較小的翼型。而葉片內側厚度較大，一般重點考慮它的結構強度，內側區(qū)域葉片的外形是由圓柱段逐漸過渡，沒有使用特定的設計翼型。美國Sandia實驗室提出了在大型風輪葉片的內側采用大厚度鈍尾緣翼型能有效提高葉片的結構性能，在葉片的外側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，結構性能、氣動特性良好，限制葉片重量，降低成本等優(yōu)點。中國科學院工程熱物理研究所基于我國對低載輕質高強度風電葉片的需求，在荷蘭DOWEC葉片的基礎上，設計了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構的影響，得出了提高葉片內側翼型的相對厚度可以降低其質量與軸向載荷的結論。

四、葉片渦流發(fā)生器技術

由于葉片長度的逐漸增大，大型風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構強度。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)常處于非設計工況下，因此通過控制流動分離來減小風輪葉片阻力逐漸成為研究關注點。渦流發(fā)生器是小展弦比翼型，其小翼兩側的壓力面和吸力面能夠產生強度較大的翼尖渦，高能量的翼尖渦促進邊界層外內的高低動能流體摻混，增加邊界層內流體的動量和能量，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已趨于成熟，并且在減小葉片阻力方面具有良好經濟性。

表2　雙饋異步式機組和永磁直驅式機組對比匯總

風電機組多元驅動技術

風電機組的驅動方式決定了風電機組從風輪側到發(fā)電機側的傳動效率與傳動系可靠性。

一、雙饋異步式和永磁直驅式風電機組

目前國內主流風電機組為雙饋異步式和永磁直驅式機組。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電勵磁直驅式風電機組

德國Enercon 公司成立于1984年，是以直驅永磁及直驅電勵磁為主流技術的全球領先風電機組制造商。其主推的電勵磁直驅式風電機組優(yōu)點是：并網特性佳、勵磁控制靈活、不采用齒輪箱等轉動部件，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：電勵磁直驅型系統(tǒng)中采用轉子勵磁繞組，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半直驅式風電機組

半直驅式風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。該類型的風電機組非常適用于大容量、大直徑、海上風電機組對整機的要求，然而半直驅式風電機組也存在單級齒輪傳動設計、齒輪箱與輪轂電機聯(lián)接方式等技術難點。國內半直驅式風電機組仍處于科研攻堅的概念設計階段。國外有Multibrid、WinWind和Clipper等公司關注于半直驅結構的風電機組。

四、VOITH福伊特液力傳動式風電機組

由德國VOITH福伊特研發(fā)的液力調速傳動系統(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。風輪驅動轉速通過主齒箱驅動行星輪和太陽輪，太陽輪通過輸出軸驅動發(fā)電機和泵輪，泵輪將轉速傳遞給液力變矩器，為實現(xiàn)太陽輪轉速恒定輸出，當驅動轉速低于或高于額定轉速時，液力變矩器通過控制渦輪轉速反饋給外齒圈，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)太陽輪以恒定轉速驅動發(fā)電機。該液力調速傳動系統(tǒng)既精確控制風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，可連接標準的同步發(fā)電機與電網直接耦合發(fā)電。

五、電磁耦合式風電機組

由清華大學柴建云教授提出的電磁耦合式風電機組傳動系統(tǒng)是一種新型的變頻調速鏈，通過一臺定、轉子可同時旋轉的變頻交流電機進行變頻調速。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)電機的轉子軸，電氣端口連接變頻器。當電網電壓跌落時，機組中的同步發(fā)電機通過強勵磁向電網提供無功支撐，有助于電網電壓的恢復。當發(fā)電機側發(fā)生故障時，發(fā)電機的沖擊轉矩被電磁耦合器隔離，保護了齒輪箱免受沖擊載荷破壞。其結構如圖8所示。

結論

通過分析風電機組單機容量、風輪葉片和驅動方式的技術發(fā)展趨勢，得出主要的結論如下：

（一）機組單機容量：大容量海上風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電機組具有良好的發(fā)展前景。

（二）風輪葉片技術：組合分段式技術可降低生產制造、運輸安裝成本。風輪外側采用高升阻比薄翼型，內側采用大厚度鈍尾緣翼型，可有效地優(yōu)化氣動和結構強度的協(xié)調性。葉片渦流發(fā)生器可提高風輪內側的氣動性能并降低流動分離。

（三）機組驅動技術：為降低風速對傳動系統(tǒng)的動態(tài)波動載荷，提高風電機組電能質量，電勵磁直驅技術已經產業(yè)化，半直驅、液力傳動及電磁耦合技術正處于實驗研究階段。（作者單位：華北電力大學）