液压蓄能风电机组技术可行性分析

张秀林

（甘肃开放大学 基建规划处，甘肃 兰州 730030）

一、前言

随着我国能源革命不断深化，能源供给侧改革稳步推进，可再生能源、清洁能源在能源生产消费领域的比重不断增加，构建绿色低碳、清洁高效的能源体系已是我国能源发展的大趋势。风能作为一种能量密度高并且无污染的二次能源，来源丰富，被认为是21世纪极具发展潜力的清洁能源[1]。因此，逐步减少化石能源在能源消耗中的比重，大力发展清洁能源是我国乃至全球能源中长期发展的必然选择。

二、技术研究与应用现状

近年来，我国风电并网装机容量持续增长，2019年突破2万亿千瓦，2021年突破3亿千瓦大关，较2017年底实现翻番。目前，中国风电并网装机容量已连续12年稳居全球第一。目前，风电占全国电源总装机比例约13%。2020年全球前十大风机商中中国公司占据七席，它们分别是金风（第二）、远景（第四）、明阳（第六）、上海电气（第七）、运达（第八）、中车风电（第九）、三一重能（第十）。

目前风力发电机组的主流机型是双馈式风力发电机组和直驱永磁风力发电机组。双馈式风力发电机组有增速齿轮箱，齿轮箱成本高，易出现故障，可靠性差；直驱永磁风力发电机组电机直径大，电机设计、加工制造困难，成本高，体积大。液压风力发电机组省去了造价高昂且高故障率的齿轮箱，无需整流逆变，对电网的冲击小，电能品质更优，具有更宽的风速适应范围等优点，因而具有很大的优越性，有望成为未来风力发电机组的主流机型。机组的传动系统是风力发电系统的关键和核心部件，传动系统的改进和完全新型传动系统的引入将改变机组的传动方式、发电方式和控制系统，以解决原有风力发电机组存在的齿轮箱损坏、变流器成本高、维护维修困难、对电网冲击等相关难题[2]。我国在液压型风力发电机组的理论研究和样机实验研究上处于刚起步阶段。真正掌握和拥有自主知识产权的大型风力机设计与研发的关键技术成为目前需要尽快解决的关键任务，是我国由风电大国走向风电强国的必由之路。新型液压传动和流体静压蓄能风电机组的研制和装备对于保证我国陆上和海上风能的大规模开发和利用具有至关重要的意义。因而加大液压型风力发电机组研究，推进其产业化生产有积极的现实意义。液压风力发电机组目前处于研究的初期，关键技术问题尚未解决。

近20年来，国内外多个机构对液压蓄能风电机组进行了技术研究与探索应用[3]，国外主要集中在挪威、美国、德国、英国、日本等国家，主要研究方向集中在提高风机利用效率和传动效率以及关键元器件的开发方面[4]；国内研究机构主要是燕山大学、兰州理工大学等高校，燕山大学主要是对恒转速输出和功率控制做理论与实验研究。在技术应用方面，国内外大多以容量为千瓦级风机为研究对象，而且大多处在实验阶段，尚未实现规模化应用。目前在兆瓦级风机上应用液压传动技术主要有2家公司，一是英国一家公司，成功地完成了选用数字定量泵和数字变量马达传动形式的1.5MW液压型风力发电机组模型，该机组的定量泵选用阀配流柱塞缸形式①。当风力涡轮机旋转时，68个柱塞缸协同工作，吸入的低压油，排出高压油，进而来驱动变量马达，拖动励磁同步发电机转动，实现并网发电②。在大部分风速条件下，该系统效率可以达到90%，相比于传统的采用齿轮箱传动形式的发电机组来说，其传动效率相当[5]。二是日本三菱重工开发的7MW液压传动风机，该风机应用了其自主开发的大功率数字泵，但是根据公开资料，该风机在2015年12月并网运行4年半后于2019年6月即拖回港口实施退役，退役原因一是利用率较低，只有3.7%，远低于30%的商业化利用率标准，二是机组故障频发，运营成本高昂。

三、液压蓄能风电机组简介

液压蓄能风电机组的设计、制造、安装、调试以及部分试验，形成了一套新型液压传动与静压蓄能风力发电机组。该机组发电机转速可控，所发电的电压、电流、电频率等相关指标满足设计要求，通过项目研究、样机试制和实验，验证了液压传动与液压蓄能发电的工艺原理，解决了液压传动和液压蓄能的关键技术，为大功率机组的开发打下了良好的基础。

（一）原理简介

液压蓄能风电机组由风力机叶轮旋转驱动低速大功率液压泵，将高压油液输送至安置在地面的变排量液压马达，马达直接驱动发电机发电，形成闭式容积调节系统，取代传统齿轮箱结构，实现柔性传动。机组通过增加液压蓄能装置，抑制了风速变化带来的电能波动，改善了电能品质，并通过蓄能提高了机组的可调节性能[6]。通过液压马达恒速控制，省去了整流逆变装置，是电网友好型机组，将液压马达和发电机放置在地面，减轻了机舱重量，安装和维护方便，并为机组轻量化设计提供了可能性。如图1所示。

图1 液压蓄能风电机组原理图

（二）技术特点

1.采用液压传动驱动发电机组进行发电，将风能转换为液压能，液压能再转换为电能。将现有机组机舱内的传动系统和发电机移到地面，可以大大减轻塔架的重量，方便机组的维护维修，并可以去掉现有的变流器和控制装置，这无疑是对现有机组的革命性创新。

2.采用液压能量传递（Hydraulic Energy Transfer，HET）技术，和现有的双馈、直驱风电机组相比，既突破了发电机组结构和发电形式，又可以提高机组的可靠性和经济性。

3.应用了流体静压蓄能风力发电机组控制技术。研究HET与发电机组的协调控制技术，确定HET的配合关系和控制策略。通过液压蓄能创新地改善发电机组的调节特性和功率输出的稳定性，实现连续发电。

4.应用了液压蓄能系统及其与发电机组各子系统的协调控制技术。研究液压蓄能系统及其与发电机组各子系统的协调控制，建立机组的控制模型，仿真机组内部和外部特性。包括：风力机特性、HET系统特性、同步发电机特性、整机特性及其优化控制。

5.应用了液压马达—同步发电机恒速恒频控制技术及整机功率匹配控制技术，无需整流逆变，电能品质更优；更宽的风速适应范围。

四、液压蓄能风电大功率机组技术方案分析

机组由叶轮旋转驱动低速大功率液压泵，将高压油液输送至安置在地面的变排量液压马达，进而由马达直接驱动发电机发电。主要模块包括机舱传动部分与地面发电部分，另外还包括液压蓄能模块。

鉴于目前陆上风机单机容量向着4MW+趋势发展，海上风机单机容量向着8MW+趋势发展，甘肃省最近新建风场装机单机容量均在3MW及以上，研究选取陆上3MW及海上8MW机组进行技术可行性分析。现将陆上3MW及海上8MW液压蓄能风电机组技术参数列出，如表1所示。

表1 陆上3MW液压蓄能风电机组技术参数

表2 海上8MW液压蓄能风电机组技术参数

（一）机舱传动方案分析

目前，世界上最大的液压泵功率为1.5MW，因此陆上3MW与海上8MW机组机舱部分分别需要2台和6台液压泵加压。地面发电部分分别需要5台和13台液压马达驱动发电机发电。由于地面发电部分容易通过流量调节来实现功率分配，不存在较大问题，因此主要将机舱传动部分和液压蓄能部分方案可行性进行分析。

要实现风轮旋转带动主轴旋转，驱动多台液压泵加压，输出高压大流量液压油，可能的几种方案如下。

方案一：主轴+分动箱并联多液压泵（图1）

方案二：主轴+多齿轮箱+多液压泵（图2）

图2 主轴+分动箱并联多液压泵

方案三：主轴直驱多液压泵（图3）

图3 主轴+多齿轮箱+多液压泵

图4 主轴直驱多液压泵

下面对各方案进行综合比较。

1.方案一与方案二，目前技术可行性较高，也有成熟的应用案例，但是结构复杂而且庞大，齿轮箱重量较大，仅3MW风机齿轮箱重量就接近50吨，此重量大于双馈型风机增速箱与发电机重量总和，传动效率低，制造成本高，相比双馈型风机仍保留了齿轮箱装置，可靠性方面无明显提升。另外采用大功率齿轮箱会使风机启动扭矩增大，会带来切入风速变大，风机利用率降低等问题。

2.方案三，主轴直驱多液压泵方式。此方案理论上可行，但是在实际应用中存在以下问题。一是主轴直径与泵内孔不能匹配的问题。为满足强度、刚度和疲劳寿命等指标，风机主轴可靠性要求较高，3MW风机主轴直径670mm，而8MW风机主轴接近1400mm，方案能选到的最大功率赫格隆CBM3000和CBM4000系列液压泵内孔均为460mm，尺寸差距悬殊，通过更换高性能材料来减小主轴直径的可能性较小；二是定制适应主轴尺寸液压泵的可行性较小，即便可以定制，其可靠性与定制费用也无法接受；三是多泵同轴串联在工程上无实际应用案例，可靠性未知。

通过分析，以上方案在技术上和应用可行性上均存在诸多问题，要解决以上问题，必须开发大功率数字泵，采用主轴直驱大功率数字泵才是解决以上问题的最佳方案。采用主轴直驱数字泵有以下优势。一是传动结构简单，机舱部分的重量和体积可大幅减小，提高了机组可靠性和降低制造、基础建设以及安装成本；二是数字泵可根据不同风速来自适应调整排量，风速适应范围更广，可大幅提高能量传递效率和风机利用率。此前英国Artemis Intelligent Power公司1.5MW液压传动机组（如图5）与日本三菱重工7MW液压传动机组（如图6）均采用此传动方式，其大功率数字泵均为自主开发。

图5 英国Artemis Intelligent Power公司1.5MW液压传动机组

图6 日本三菱重工7MW液压传动机组

（二）液压蓄能方案分析

蓄能技术在能源领域占据非常重要的地位。长期以来，世界上的电力、热力公司等企业一直在蓄能技术方面深入研究，将重点放在对新蓄能技术的发掘上，为了能够对蓄能技术在能源领域的应用提供更大的空间[7]。目前，对新能源的开发和利用受到广大研究人员的关注，其中以风能为代表。风能是源源不断得可再生能源，取之不尽、用之不竭。对风能存储及利用的研究也已广泛展开。然而，风能又不可控，时大时小，也无规律可循，具有不稳定性和间歇性，如果想在风能充足的情况下，大规模收集和利用风能，那么风能的存储就至关重要，存储过多的风能不让其废弃，但由于风能的这些间歇性和不稳定性缺陷的限制，使得风能的存储比较困难，所以蓄能技术的发展在一定程度上决定了风电产业的前景。近年来，随着我国新能源产业的迅速发展，蓄能技术及其产业的发展日渐成为各方关注的重点，国家也加大了对蓄能产业的政策支持。

对于液压型风电机组来说，为了调节和稳定发电功率，可以增加蓄能装置。当有风但没有需求时，该装置可以储存多余的能量，并在有需求时驱动发电机发电。液压蓄能技术的应用是液压蓄能风电机组的一项重要技术创新。首先，液压蓄能技术可以有效改善发电机的调节特性和功率输出稳定性，实现连续发电。经对各种大型机械的分析研究，大型机械加入蓄能器后，其稳定性会得到很大改善，不再晃动，噪声和振动也明显降低。所以，各种大型机械中均已加入蓄能器，该装置能够起稳定液压脉动的作用，同时可以吸收液压冲击。对于小型液压风力机来说，蓄能器是最适合液压风力机的储能装置，可以很好地应用于液压驱动系统中。同时，蓄能装置采用蓄能器，有安全、稳定、维护方便等一系列优点。

按蓄能装置作用于机组的主传动液压系统的具体位置，将液压型风电机组的蓄能装置配置分为蓄能装置作用于机组的主传动液压系统内和作用于机组的主传动液压系统外两种方式，现就这两种蓄能装置的配置方式结构及原理进行简单介绍，进而对优缺点分析对比。

如图7所示，蓄能装置作用于机组的主传动液压系统内，这种配置方法原理很简单一目了然，从示意图可以看出，在风能的推动下，风力涡轮机开始转动，通过风力涡轮机的旋转来驱动定量泵，进而产生高压油，提供瞬间大流量，短时代替动力源，再通过蓄能装置的平抑，完成驱动变量马达转动动作，即驱动发电机开始发电。当电力需求量不大时，充足的风能就会产生过剩现象，过剩风能需要存储，以备后用，主传动液压系统中的大部分油液将存储在蓄能装置中，完成过剩风能的存储；而当无风又电力需求较大时，需将存储的风能释放出来，以满足发电机发电，完成一定发电量的需求，存储风能的释放是通过蓄能装置中的油液补充回主传动液压系统来完成。

图7 蓄能装置作用于机组的主传动液压系统内

图8是蓄能装置作用于机组的主传动液压系统外的配置方式，从装置结构方面来说，不同与图4配置方式之处是增加了一种泵—马达蓄器能量转换装置，作用在主传动液压系统外。

图8 蓄能装置作用于机组的主传动液压系统外

此种配置相对要复杂一些。风能推动风力涡轮机旋转，驱动定排量泵产生高压油，提供瞬间大流量直接驱动变量马达旋转，实现发电机发电，同时将能量传递给同轴连接的泵/马达蓄能器能量转换装置。当有很大的风但是电力需求量不大，风能过剩时，在泵正常工况下，液压马达驱动同轴连接的泵/马达蓄能器能量转换装置开始工作，向蓄能器输出高压油，蓄能器将风力涡轮机获取的能量存储在蓄能装置中，然后由泵—蓄能器能量转换器驱动同轴连接的发电机进行发电；而当无风又需求较大电力，风力不足时，液压马达正常工作条件下，驱动同轴连接的能量转换器，将蓄能器中存储的能量释放到发电机的输入端，实现风力不足情况下的发电，马达蓄能器的能量转换装置驱动发电机在恒定功率下开始工作，完成发电。

这两种配置均可以利用蓄能装置实现过多风能的存储和释放，合理利用风能，提供能源利用率，同时满足机组输出功率稳定性的要求。与高压管道直接连接的蓄能装置配置方式相比，增加了独立泵/马达蓄能转换装置的配置方式，多了个泵/马达的结构，使得控制方式相对复杂，具有成本高，效率低等缺点。因此，第一种配置方式即蓄能装置作用于主传动液压系统的配置方式较好。

同时可以看出，要实现大功率液压蓄能风电机组的推广应用，在技术上仍需要解决的另外一个问题是大容量、高密度、低成本储能技术的突破与应用。此外，随着功率的增大，高压大流量长距离液压系统可能存在的几个问题还需要继续研究[8]。一是提高液压传动效率的问题；二是解决液压传动可能造成的冲击振动，引起紧固件松动的问题；三是防止液压系统泄漏问题；四是其他关键元器件开发的技术问题，比如大通径旋转接头、大排量高转速液压马达等。

五、技术分析结论

1.当前条件下，1.5MW及以下功率风机采用液压传动在技术上具备较大可行性。

2.要实现风轮旋转带动主轴旋转，驱动多台液压泵加压，输出高压大流量液压油，大功率液压传动风机采用主轴直驱大功率数字泵加压是最优方案。一是传动结构简单，机舱部分的重量和体积可大幅减小，提高了机组可靠性和降低制造、基础建设以及安装成本；二是数字泵可根据不同风速来自适应调整排量，风速适应范围更广，可大幅提高能量传递效率和风机利用率。

3.由于风能的间歇性和不稳定性，为了有效改善发电机的调节特性和功率输出稳定性，实现连续发电，液压型风电机组需增加蓄能装置，相比较两种蓄能装置的配置位置，将蓄能装置作用于主传动液压系统内的配置模式较为合理，并且蓄能器是最适合液压风力机的储能装置。另外，液压传动风机在大功率液压传动风机产业化技术上重点解决的问题应是大功率/大排量数字的开发和大容量、高密度、低成本储能技术的突破与应用。

注释：

①参见中国产业信息网“2018年全球风电行业发展现状与发展趋势分析”，2020年3月23日，https://www.chyxx.com/industry/201805/645722.html。

②参见中国产业信息网“2019年中国风电行业运营现状分析及未来五年市场发展前景预测”，2020年3月23日，https://www.chyxx.com/industry/201908/773175.html?tdsourcetag=s_pctim_aiosmg。