特大型风力发电机组技术概述
施跃文 高辉 陈钟
（国华能源投资有限公司）
在过去十年里，全球风电市场高速发展，新增装机容量和总装机容量的年均增长率都在28％左右，见表1。截至2007年底，全球风电总装机容量达到了9400万千瓦，年发电量超过2000亿千瓦时，约占全球总发电量的1.3%，仅2007年新增装机容量就高达2000万千瓦以上。
表1 全球风电装机容量（1998－2007年）
年度新增装机容
量(M W)
新增装机容量
增长率%
总装机容量
(M W)
防爆voc在线监测系统总装机容量
增长率%
19982520 10200
19993440 36.51 13600 33.33 20003760 9.30 17400 27.94 20016500 72.87 23900 37.36 20027270 11.85 31100 30.13 20038133 11.87 39431 26.79 20048207 0.91 47620 20.77 200511531 40.50 59091 24.09 200615318 32.84 74141 25.47 200720076 31.06 94123 26.95
平均27.52 28.09
注：数据来自全球风能协会
在风电装机容量快速增长的同时，风电技术也取得了长足的进步，特别是风力发电机组（以下简称风机）本身，由上世纪90年代的定桨距、恒速技术，发展到今天被广泛应用的变桨变速技术，而且单机容量不断刷新记录。海上风电技术逐渐成熟，全球装机容量已经超过100万千瓦，有力地促进了特大型风机（单机容量大于或等于3MW）的研发。风电设备制造企业一方面努力扩大产能，批量化生产现有 产品，满足陆地风电市场需求，另一方面纷纷推出特大型风机，为未来海上风电市场竞争做准备。降低度电成本，提高可靠性是风机设计遵循的原则，为了实现这一目标，特大型风机设计中采用了更多的创新技术。下面将分别介绍几家国外风电设备制造企业所生产的特大型风机技术特点，旨在开阔视野，希望对我国风电设备和零部件的研发有所启迪。 1. Enercon E-126 (6-7MW)
德国Enercon公司具有20多年的风机制造经验，1991年开始生产直驱式风机，现已在全球安装了12,000多台风机，总容量1,370万千瓦。2007年Enercon在德国风机市场份额高达50.3％，占据半壁江山。
AR空间定位
Enercon开发的E-126是目前世界上最大的风机，2007年底第一台样机在德国投入运行，转轮直径127米，额定功率6MW，可升级到7MW。为了便于运输，采用两段式叶片，靠近叶根的较短部分由金属制成，外延部分由玻璃钢增强纤维制成。轮毂高度135米，采用预制混凝土塔筒，由35节组成，壁厚为45厘米，塔筒底部直径为14.5米。各节塔筒预先在工厂浇注成形，然后运至现场进行装配。底部8节塔筒中每节等分为3段圆环，中部22节塔筒中每节分为两段半圆环，顶部5节塔筒中每节为整体圆环，最顶节塔筒由钢板制成。在现场，把各节塔筒吊装起来，采用多重钢缆结合成塔架的环壁，从塔底延伸到塔顶，用浇铸的方法进行永久固定。另外，机舱罩和导流罩由铝合金板制成，
优点是减少火灾风险、便于现场装配和散热。
Enercon采用了“蛋型”机舱和高效的叶片翼型。2003年，Enercon公司开发了新型叶片翼型，分别安装在E-30（300kW）和E-66（1500kW）风机上。经实测，风机整体Cp最大值为0.53，如果考虑5％左右的电气系统损失，那么叶片的实际气动效率高达56%，仅比贝兹常数（最大理论气动效率）低3~4%。通过改进叶根形状，缩小叶片截面，增加叶径长度，使叶片与机舱有机地结合在一起，这有助于气流均匀地流过机舱；在叶尖还安装了“小翼”，有效地抑制了扰流和旋涡的生成，从而提高发电量和减少噪声。此外，叶片法兰直径大，采用双列螺栓与轮毂相连，以提高强度。
与Enercon其他型号的风机一脉相承，E-126传动系统也采用直驱技术，没有齿轮箱，主轴直接与无刷励磁同步发电机（低速）相连，两个主轴承分别为双列圆锥和单列圆柱滚子轴承，采用全容量变流器。
2. Repower 5M (5MW)
德国Repower公司成立于2001年，由Jacobs 能源、 BWU 和 pro + pro能源系统三家公司合并而成，曾向多家公司转让风机制造技术，包括我国风机制造企业－金风科技、东方汽轮机厂和运达公司。2007年印度Suzlon公司以12.2亿欧元收购其大部分股份。
5M风机由Repower与丹麦LM公司、希腊可再生能源中心（CRES）以及德国海上风能技术公司（OWT）共同合作设计生产，主要针未来海上风电市场。现两台5M风机已经在苏格兰东北海域的Beatrice风电场投入运行，并向2公里外的石油钻井平台供电。Beatrice海域的水深为45米，这是海上风机首次安装在如此深度。为此，风机基础采用了四脚桁架结构，每一脚用于固定的钢桩被打入海床39米之下。为减少海上吊装的工作量，首先，在码头将塔筒直立地组装在支架上，接下来吊装机舱和风轮到位，然后通过特制的吊臂将风机整体平移到吊装船，运输到预先完成的四脚架基础旁边，最后，再把风机整体提升，安放在基础上。
5M风机的转轮直径为126米，额定功率为5MW，是最大的双馈电机式变桨变速风机。传动系统基于传统布局，采用了三级齿轮箱结构（传动比为97）和6极双馈式异步发电机，但是又处处体现了创新的设计理念。冗余设计概念在5M风机中得到充分体现，例如，采用更多传感器，有助于运行人员更全面掌握风机运行数据；结合法兰的模块化传动系统在一个模块出现故障时，风机在减少出力的情况下可以继续保持运行（最大3MVA），提高整体可靠性。另外，主轴采用双轴承设计，活动轴承（CARB TM bearing）比传统的球面滚子轴承更加有效地防止主轴震动和错位，配合另一个滚子轴承防止外载荷对齿轮箱的冲击，延长齿轮箱的使用寿命。其他独特设计包括：机舱内吊车吨位提高，可以完成95%以上的运行维护工作，包括齿轮箱的更换；机舱顶部设有直升飞机平台；机舱内配置全套维护工具；全自动火情报警和消防措施等。5M的另一亮点是全自动润滑系统，能够保持叶片、主轴承、齿轮箱、偏航及发电机轴承、偏航及高速轴刹车等设备处于良好工作状态。
5M叶片体现了LM公司的最新制造技术。雷击电流分流器被设计成条形，增加了接收器捕捉雷电的能力，同时减小了对叶片空气动力性的影响。叶片根部的螺距缩短以增加其连接的坚固性。同时，更多的夹层结构设计和碳纤维复合材料的使用降低了叶片重量。LM公司因此产品而荣获丹麦行业协会颁发的“2007年产品奖”。
截至2007年底，Repower共安装10台5M风机，现正在开发6M风机（额定功率6MW），计划在2008年底之前推出。
3. Multibrid M5000 (5MW)
自制巧克力模具2005年初，德国Multibrid公司安装了第一台M5000风机，转轮直径116米，额定功率5MW。2007年，法国最大供电企业Areva出资收购了Multibrid公司。
M5000由德国工程咨询公司Aerodyn设计，采用了半直驱技术。这一设计综合了传统三级齿轮箱结构和直驱式技术的优点，即取消主轴，采用一级齿轮箱连接低转速永磁同步发电机，并且通过集成化设计，大大降低了机舱重量和尺寸，其主要技术特性如下。
采用一级齿轮箱（传动比为1:9.92）和水冷式永磁同步发电机（最大转速为147rpm，出口电压3000V）。与5M风机相比，大大地简化了传动系统结构，尺寸仅为5M的十分之一。 备用的数据采集设备减少了因这些设备的故障而导致的系统停机；传感器系统可提供维护预警。
良好的机舱密闭设计和空气过滤器使风机能够承受恶劣气候条件（如盐雾和潮湿空气侵蚀）的影响，适应于海上环境条件。
紧凑型设计使M5000风机相比于同级别特大型风机具有较轻的机舱和轮毂重量，便于运输和安装。M5000的机舱总重量（包括轮毂和叶片）大约310吨，而 Repower 5M为420吨，Enercon E-126则达到530吨。当然，紧凑型设计同时也带来部件维修的困难。
采用碳纤维结构的叶片，降低重量。
四象限的全容量变流器改善了电能质量，功率因数调节范围为0.9（感性）－0.9（容性）。
2007年，Aerodyn又推出了SCD风机概念（超级紧凑型设计），其结构与M5000相似，但所采用的两级行星齿轮箱和中速发电机相互独立。齿轮箱和发电机的外径完全相同，并且由同心法兰连接，这样减小了轴线不重合的风险。主轴承由法兰盘直接连接在齿轮箱的输入轴端。
4. Gamesa G128 (4.5MW)
西班牙Gamesa公司的最大股东Iberdrola是全球最大的再生能源开发企业，1994年通过“市场换技术”，与丹麦Vestas公司合资成立了Gamesa Eólica，随后Vestas向Gamesa E ólica转让了850kW和2000kW风机制造技术，但在2003年Vestas全部转让了其所持有的Gamesa Eólica股份。因此，两家风机技术
基本一样，均采用双馈电机式变桨变速技术。截至2007年底，Gamesa生产风机的容量超过1400万千瓦。
沪语输入法Gamesa计划2008年安装G128-4.5MW样机，即转轮直径为128米，比当今世界最大风机还长1米，其主要特点如下：
“紧凑”传动系统：对主轴、两个主轴承和两级行星齿轮箱进行集成化设计，减少了所用部件。
多变量控制系统：减少叶片振动和载荷。
两段式叶片：与现有2MW风机采用相同的运输工具，对道路要求也相同。
混合式塔筒（混凝土＋金属结构），减少投资。
内置吊车，便于安装和拆卸部件。
全容量变流器：由6个并联的770kW变流器（IGBT）组成。如果一个变流器故障，仅损失1/6的发电量，从而提高可靠性。
小风时，仅开启少量变流器，并可以在接近单个变流器额定功率的范围内运行，其他变流器关闭，从而提高效率。
通过对上述的技术特点进行分析，G128-4.5MW的技术路线很可能不同于Gamesa现有产品，而采用中速同步发电机，即属于基于Gamesa传统机舱布局的“半直驱式”风机。
5. Vestas V90 (3.0MW)
丹麦Vestas风能集团公司是世界上最大的风电设备制造公司，截至2007年底，在全球63个国家共安装35,000台风机，总容量2,800万千瓦。产品的主要技术特点是变桨距（OptiTip®）和采用双馈异步电机实现变速运行（OptiSpeed®）。
V90-3.0MW采用双馈电机式变桨变速技术，但为了降低重量，Vestas开发了多项创新技术。与Vestas传统机舱布局相比，取消了主轴，轮毂通过大轴承装配至齿轮箱（传动比1：104.5），对大轴承与齿轮箱进行集成化设计，减少机座尺寸，采用水冷式发电机（四极绕线式异步发电机，带滑环），通过上述措施，V90-3.0MW风机的机舱重量和尺寸与V80-2.0MW 相当，但发电性能却提高了50％。为了减轻重量，方便运输，使用高强度钢板（型号为S355 J2G3/NL）来制造塔筒。内饰件不是通过焊接方式，而是采用磁铁固定在塔筒上，从而增加塔筒的疲劳强度。总之，重量轻是Vestas风机的显著特点，例如，V90-3.0MW机舱重量70吨，叶轮（含叶片和轮毂）重量41吨，80米塔筒重量160吨，比其他同级别机型轻得多。
导流罩和机舱罩采用流线型设计，以减少塔架和基础所承受的载荷。在叶片承载结构中使用碳纤维材
人造卫星的资料
料，提高强度，减轻重量。叶片还采用新翼型来提高气动效率。在控制策略方面，当塔筒或传动系统出现大幅度振动时，可以通过调节叶轮或发电机转速来增加阻尼，消除振动。另外，把干式变压器安装在机舱内，可节省塔筒内电缆的重量和成本。截至2007年底，近600台V90-3.0MW风机投入运行，其中96台安装在海上。
6. Clipper Liberty系列 (2.5MW)
美国Clipper公司成立于2001年，产品以Liberty系列2.5MW风机为主，有三种不同转轮直径（89、93和99米）可供选择，分别为IEC I、II和III类风机。目前正在研发7.5MW机型。
Clipper Liberty系列风机的最大特点就是采用了分布式多发电机传动装置以及双螺旋分布式设计的齿轮箱（两级变速），与常用的三级行星齿轮箱设计相比，减轻了驱动轴的运转压力。通过分散载荷强度的多路式设计，将主轴的扭矩通过四个高速输出轴承传递给四台永磁同步发电机（每台发电机额定功率为656kW），四个IGBT变流器（总容量为2525kW）安装在塔筒底部。这种四发电机系统摒除了大型直驱式风机发电机体积大而重，不宜制造、运输和安装的缺点，并且一台发电机故障时其他三台仍能正常运行，提高了可靠性和发电量。此外，该风机还安装了两个主轴承来吸收轴向载荷，解决了轴向运动和联结部件的薄弱问题，以保护风机免受损坏，从而延长寿命。减小组件尺寸和减轻部件重量贯穿于Clipper风机设计的整个过程，例如，Liberty系列风机在发电机制造工艺中，减少了铜材料在线
圈中的应用，整体重量明显低于其他同级别机型。据介绍，此种风机的吊装可使用与1.5MW风机同级别的设备，而且维护便利，不需移动齿轮箱就可以更换高速输出轴承，单台发电机的更换也无需大型吊装设备。
7. 特大型风机技术发展方向
特大型风机不仅体现了当代电机制造技术、材料工业、电子控制系统、流体特性和地质气象等领域的科技水平，而且引领着未来风机设计制造的方向。通过上述不同型号风机的介绍以及了解其他厂家的技术发展动态，对特大型风机技术的主要发展方向，初步总结如下。 单机容量的不断增大
1980年商业化风机的单机容量仅为30kW, 叶轮直径为15米，而目前世界最大风机的单机容量达到了6MW，叶轮直径为127米。在过去的20多年里，随着风机技术的快速发展，单机容量增加了200倍，叶轮直径也增加了近10倍。据报道，国外已经开始设计开发8-10MW 的风机。从目前的发展来看，风机设备的大型化还没有出现技术限制，即单机容量将继续增大！从1990至2004年间，风机叶轮直径平均每年增加5米，如果继续保持这种速度，到2020年叶轮直径将达到200米，相应的单机容量将达到15MW。
传动系统设计的不断创新
传动系统结构的发展演变是风机技术进步的集中体现。传统风机的传动设计为叶片连接的主轴通过三级变速的齿轮箱与异步发电机相连，丹麦风机制造企业最先采用这一设计，因此被冠以‘丹麦型’，从上世纪八十年代年到九十年代中后期一直在风机制造中占据着绝对主导地位。随着风机单机容量的增大，齿轮箱的高速传动部件故障问题日益突出，于是没有齿轮箱而将主轴与低速多极同步发电机直接相接的直驱式布局应运而生。但是，多极发电机因绕组布置空间的要求导致重量和体积的大幅增加。为此，采用折中理念的半直驱布局在大型风机设计中得到应用。半直驱式风机大规模推广应用的主要障碍是价格昂贵，但通过集成化设计以及规模化生产，其竞争力将越来越强。目前，在特大型风机的设计制造上依然以传统的丹麦型传动技术为主，但是更多地应用创新技术。例如，沿袭丹麦型传动系统设计的5M 风机采用了空心传动轴，目的就是减少整个传动系统重量。从中长期来看，直驱式和半直驱式传动系统将逐步在特大型风机中占有更大比例。另外，在传动系统中采用集成化设计和紧凑型结构是未来特大型风机的发展趋势。
叶片技术的不断改进
对于2MW以下风机，通常通过增加塔筒高度和叶片长度，来提高发电量，但对于特大型风机，这两项措施可能大大增加运输和吊装难度以及成本，为此，开发高效叶片越来越受到风机制造企业和叶片生产企业的重视。新型高效叶片的气动特性在设计中不断得到优化，使得扰流受到抑制，发电量提高，并且改善其降噪特性。另外，特大型风机叶片长，运输困难，分段式叶片是一个很好的解决方案，但
难点是如何解决两段叶片接合处的刚性断裂问题，遗憾的是Enercon和Gamesa都没有介绍具体的接合技术。
碳纤维复合材料（CFRP，Carbon Fiber Reinforced Composites）因具有密度小，强度高，刚性稳定，耐温耐蚀等特性，越来越多地应用在大型叶片制造中。目前CFRP制造成本是玻璃纤维复合材料的10倍以上，但是随着生产工艺的改进和规模化生产有进一步下降趋势。越来越多的夹层结构（Sandwich Structure）被应用到叶片设计当中，而且有愈演愈烈的趋势。这种设计的应用使得叶片的坚固性、疲劳特性以及防腐性等均得到提高。
经纬360由于海上风电场不受噪声和视觉影响的限制，在海上风机设计中“两叶片”风机越来越受到关注，优点显而易见，减少叶片数量和轮毂设计的复杂性，并且安装方便，有利于减少台风等破坏性风速对风机的影响。但从可靠性角度出发，采用传统“跷跷板”结构的两叶片风机的运行记录并不令人满意，因此，只有解决可靠性问题，才会大规模应用“两叶片”设计。
永磁同步发电机的更多应用
永磁同步发电机不从电网吸收无功，无需励磁绕组和直流电源，也不需要滑环碳刷，结构简单且技术可靠性高，对电网运行影响小。在大功率变流装置技术和高性能永磁材料日益
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议