国内外大型风电机组关键技术发展趋势（一）

文 | 田德，马晓慧



国内外大型风电机组关键技术发展趋势（一）

文 | 田德，马晓慧

2014年全球风电新增装机容量首次突破5000万千瓦，达到了5147.3万千瓦，与2013年3569.2万千瓦相比，同比增长44.2%。全球累计装机容量达到3.6960亿千瓦，同比增长16%。全球风电新增装机和累计装机排名前五位的国家分别是中国、德国、美国、巴西、印度和中国、美国、德国、西班牙、印度。如图1和图2所示。

2014年中国风电累计并网装机容量9637万千瓦，占全部发电装机容量的7%。2014年中国风电上网电量1534亿千瓦时，占全部发电量的2.78%。其中，各省区市风电新增和累计装机容量排名前五的省份分别是甘肃、新疆、内蒙古、宁夏、山西和内蒙古、甘肃、河北、新疆、山东。如图3和图4所示。

2015年上半年，全国风电新增并网容量916万千瓦，到6月底，全国风电累计并网容量10553万千瓦，累计并网容量同比增长27.6%；上半年，全国风电上网电量977亿千瓦时，同比增长20.7%。其中，各省区市风电新增和累计装机容量排名前五的省份分别是新疆、云南、内蒙古、山东、山西和内蒙古、甘肃、新疆、河北、山东。如图5和图6所示。

从2015年1月至6月中国风电装机的机型分布上看，2MW风电机组占上半年全部装机容量的50%，1.5MW风电机组占上半年全部装机容量的35.8%。2MW风电机组的新增装机容量首次超过1.5MW风电机组的新增装机容量，预示陆上风电机组逐渐向大容量方向发展。

风电机组是推动风电发展的核心设备，对风力发电的技术经济性具有决定性作用。目前，在机组单机容量大型化、风轮叶片技术和机组多元驱动技术等方面不断涌现出新的创新型技术。

风电机组单机容量大型化

风电机组单机容量大型化既有利于提高风能转换效率，又有利于降低风电机组全寿命周期的制造与运营成本。但是大容量机组受到运行环境、机组特性、电网条件、安装运输等多方面因素的制约，因而仍需科学有序的开发。国内外大容量风电机组研发现状如表1所示。

大型风轮叶片技术

随着风轮叶片长度的不断增加，叶片抗载能力、叶尖变形、气动特性、气弹特性、叶片结构材料与加工工艺等技术问题更加突出。

一、美国Blade Dynamic组合叶片模块化技术

美国Blade Dynamic公司推出的叶片模块化技术将大型叶片分为叶片主体模块和叶尖模块，在生产制造过程中，两模块可同步生产后组合而成。叶片内芯采用多层碳纤维的内翼梁技术，叶片外壳使用玻璃纤维增强复合材料，叶根通过两层对立呈波状薄壁钢板层压形成多个锥形圆孔。该模块化技术既有利于简化叶片运输、安装和拆卸，又有利于降低风电机组全生命周期的度电成本。

二、Gamesa分段式叶片

Gamesa G128分段式叶片以降低叶片重量和提高空气动力性能为严格指标，将叶片分为两段生产组装，采用大量内嵌装置及外部螺栓，通过安装在螺栓处的预加载传感器测量出螺栓的力和转矩，将安装精度控制在1%的误差以内。目前，G128分段式叶片已进入商业化生产，主要针对5MW以上超大容量风电机组。

表1　国内外大容量风电机组研发现状

三、大厚度钝尾缘叶片结构分析

由于风轮叶片外侧是风轮捕获风能的主要区域，人们对翼型设计的关注点往往集中在气动收益较高的外侧，采用相对厚度较小的翼型。而叶片内侧厚度较大，一般重点考虑它的结构强度，内侧区域叶片的外形是由圆柱段逐渐过渡，没有使用特定的设计翼型。美国Sandia实验室提出了在大型风轮叶片的内侧采用大厚度钝尾缘翼型能有效提高叶片的结构性能，在叶片的外侧采用高升阻比的薄翼型能获得良好的气动性能。大厚度钝尾缘叶片具有叶片刚度高，结构性能、气动特性良好，限制叶片重量，降低成本等优点。中国科学院工程热物理研究所基于我国对低载轻质高强度风电叶片的需求，在荷兰DOWEC叶片的基础上，设计了6MW大厚度钝尾缘叶片，通过控制前后两叶片铺层参数不变，研究了大厚度钝尾缘外形对叶片载荷与结构的影响，得出了提高叶片内侧翼型的相对厚度可以降低其质量与轴向载荷的结论。

四、叶片涡流发生器技术

由于叶片长度的逐渐增大，大型风电机组的叶片根部大都选用大厚度的翼型来提高叶片的结构强度。然而厚翼型自身易于发生流动分离，且根部翼型的流动状态常处于非设计工况下，因此通过控制流动分离来减小风轮叶片阻力逐渐成为研究关注点。涡流发生器是小展弦比翼型，其小翼两侧的压力面和吸力面能够产生强度较大的翼尖涡，高能量的翼尖涡促进边界层外内的高低动能流体掺混，增加边界层内流体的动量和能量，降低边界层的厚度，抑制展向流动，从而使湍流边界层的分离推迟或消除，最终达到使翼型增升减阻的效果。利用涡流发生器降低流动分离技术已趋于成熟，并且在减小叶片阻力方面具有良好经济性。

表2　双馈异步式机组和永磁直驱式机组对比汇总

风电机组多元驱动技术

风电机组的驱动方式决定了风电机组从风轮侧到发电机侧的传动效率与传动系可靠性。

一、双馈异步式和永磁直驱式风电机组

目前国内主流风电机组为双馈异步式和永磁直驱式机组。两种机组传动方式、发电机、变流器、优缺点及主要制造厂商汇总见表2。

二、Enercon电励磁直驱式风电机组

德国Enercon 公司成立于1984年，是以直驱永磁及直驱电励磁为主流技术的全球领先风电机组制造商。其主推的电励磁直驱式风电机组优点是：并网特性佳、励磁控制灵活、不采用齿轮箱等转动部件，不采用永磁材料，不受稀土材料价格波动等影响，励磁控制灵活、无失磁问题。存在的缺点：电励磁直驱型系统中采用转子励磁绕组，使电励磁发电机具有2% 左右的励磁损耗。此外，电励磁同步发电机使用了更多的金属材料，从而使其重量和体积比永磁发电机增加30% 左右。

三、Multibrid半直驱式风电机组

半直驱式风电机组由低速齿轮箱、中速永磁同步发电机、全功率变频器组成。该类型的风电机组非常适用于大容量、大直径、海上风电机组对整机的要求，然而半直驱式风电机组也存在单级齿轮传动设计、齿轮箱与轮毂电机联接方式等技术难点。国内半直驱式风电机组仍处于科研攻坚的概念设计阶段。国外有Multibrid、WinWind和Clipper等公司关注于半直驱结构的风电机组。

四、VOITH福伊特液力传动式风电机组

由德国VOITH福伊特研发的液力调速传动系统，又称WinDive，如图7所示。该传动系统采用与汽车中无级变速自动变速器类似的工作原理。风轮驱动转速通过主齿箱驱动行星轮和太阳轮，太阳轮通过输出轴驱动发电机和泵轮，泵轮将转速传递给液力变矩器，为实现太阳轮转速恒定输出，当驱动转速低于或高于额定转速时，液力变矩器通过控制涡轮转速反馈给外齿圈，外齿圈与行星轮啮合，通过增速或减速反作用于太阳轮，实现太阳轮以恒定转速驱动发电机。该液力调速传动系统既精确控制风电机组传动链的可变功率，又有效减轻动力传动链在不良条件下的动态载荷，可连接标准的同步发电机与电网直接耦合发电。

五、电磁耦合式风电机组

由清华大学柴建云教授提出的电磁耦合式风电机组传动系统是一种新型的变频调速链，通过一台定、转子可同时旋转的变频交流电机进行变频调速。该电磁耦合式传动系统的两个机械端口分别连接齿轮箱的高速轴和同步发电机的转子轴，电气端口连接变频器。当电网电压跌落时，机组中的同步发电机通过强励磁向电网提供无功支撑，有助于电网电压的恢复。当发电机侧发生故障时，发电机的冲击转矩被电磁耦合器隔离，保护了齿轮箱免受冲击载荷破坏。其结构如图8所示。

结论

通过分析风电机组单机容量、风轮叶片和驱动方式的技术发展趋势，得出主要的结论如下：

（一）机组单机容量：大容量海上风电机组既有利于降低单机造价，又有利于节省运维成本。开发陆上大容量高可靠性的风电机组具有良好的发展前景。

（二）风轮叶片技术：组合分段式技术可降低生产制造、运输安装成本。风轮外侧采用高升阻比薄翼型，内侧采用大厚度钝尾缘翼型，可有效地优化气动和结构强度的协调性。叶片涡流发生器可提高风轮内侧的气动性能并降低流动分离。

（三）机组驱动技术：为降低风速对传动系统的动态波动载荷，提高风电机组电能质量，电励磁直驱技术已经产业化，半直驱、液力传动及电磁耦合技术正处于实验研究阶段。（作者单位：华北电力大学）