從傳動(dòng)鏈效率角度淺談風(fēng)電場(chǎng)收益

孟慶順，黃銳，李璇，王全德

（金風(fēng)科技股份有限公司，北京 100176）

從傳動(dòng)鏈效率角度淺談風(fēng)電場(chǎng)收益

孟慶順，黃銳，李璇，王全德

（金風(fēng)科技股份有限公司，北京 100176）

風(fēng)電機(jī)組從傳動(dòng)鏈角度劃分為直驅(qū)型、雙饋型、混合傳動(dòng)型以及異步全功率型，不同的傳動(dòng)鏈型式對(duì)應(yīng)不同的傳動(dòng)效率。如果葉輪吸收的風(fēng)能相同，那么不同的傳動(dòng)鏈型式會(huì)輸出不同的功率曲線，從而影響風(fēng)電場(chǎng)的收益。本文通過(guò)對(duì)比分析不同傳動(dòng)鏈的效率，結(jié)合實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)評(píng)估，定量分析風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈對(duì)風(fēng)電場(chǎng)收益的影響。

直驅(qū)；雙饋；混合傳動(dòng)；異步全功率；傳動(dòng)效率

0 引言

對(duì)于風(fēng)電機(jī)組而言，傳動(dòng)鏈一般指葉輪氣動(dòng)輸入以及電能輸出之間的硬件部分，主要功能包括機(jī)械能的傳遞以及機(jī)械能到電能之間的能量轉(zhuǎn)化。

對(duì)于兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組而言，傳動(dòng)鏈的主要區(qū)分標(biāo)志之一為是否包含齒輪箱。不包含齒輪箱的傳動(dòng)鏈意味著葉輪通過(guò)主軸直接同發(fā)電機(jī)連接，稱(chēng)為直驅(qū)。而包含齒輪箱意味著葉輪產(chǎn)生的氣動(dòng)扭矩通過(guò)齒輪箱傳遞到發(fā)電機(jī)，齒輪箱通過(guò)不同的傳動(dòng)比使葉輪轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速相匹配，風(fēng)電機(jī)組所采用的齒輪箱一般為傳統(tǒng)機(jī)械式齒輪箱。

1 風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈分類(lèi)

1.1 雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)型

雙饋風(fēng)電機(jī)組的傳動(dòng)鏈為典型的高速齒輪箱+感應(yīng)發(fā)電機(jī)+部分功率變流傳動(dòng)形式，國(guó)際上多數(shù)風(fēng)電整機(jī)廠商曾經(jīng)生產(chǎn)過(guò)失速型風(fēng)電機(jī)組（失速型風(fēng)電機(jī)組采用了異步感應(yīng)式發(fā)電機(jī)），因此這些廠家通過(guò)電控系統(tǒng)的改造可以較為容易地從失速型風(fēng)電機(jī)組升級(jí)為雙饋型風(fēng)電機(jī)組（比如，REpower的雙饋型1500kW機(jī)組從外觀上看即為REpower失速型750kW機(jī)組的比例放大版，如圖1所示）。

1.2 直接驅(qū)動(dòng)型

直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組的葉輪通過(guò)主軸直接同發(fā)電機(jī)組相連，發(fā)電機(jī)通過(guò)全功率變流器同電網(wǎng)相連。目前很多國(guó)際整機(jī)廠商（包括曾經(jīng)以雙饋風(fēng)電機(jī)組作為主要產(chǎn)品的整機(jī)廠商）開(kāi)始研究直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組，從而使直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組的市場(chǎng)份額逐漸增大，如圖2所示。

國(guó)際上一直堅(jiān)持直驅(qū)路線的最知名的廠商為德國(guó)的ENERCON公司，其產(chǎn)品在德國(guó)、法國(guó)的市場(chǎng)份額超過(guò)排名世界第一的VESTAS，更是占據(jù)了本國(guó)（德國(guó)）近50%的市場(chǎng)份額。同時(shí)，機(jī)組售價(jià)也高于雙饋風(fēng)電機(jī)組。

1.3 混合傳動(dòng)型

混合傳動(dòng)型風(fēng)電機(jī)組采用中速齒輪箱+永磁發(fā)電機(jī)+全功率變流的傳動(dòng)鏈形式，混合傳動(dòng)型風(fēng)電機(jī)組采用中速齒輪箱。首先，通過(guò)提高發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速大大減小了發(fā)電機(jī)的直徑；其次，齒輪箱傳動(dòng)比降低可以降低輸出端小齒輪的疲勞載荷，提高了齒輪箱的可靠性，而發(fā)電機(jī)通過(guò)全功率變流接入電網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)同直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組相同的并網(wǎng)特性。所以，混合傳動(dòng)型風(fēng)電機(jī)組是一款綜合性能較為均衡的風(fēng)電機(jī)組。

1.4 異步全功率型/雙饋型（雙模型）

西門(mén)子的海上風(fēng)電機(jī)組提出了NetConverter概念并且注冊(cè)了商標(biāo)，具體的傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)形式為高速齒輪箱+異步發(fā)電機(jī)+全功率變流，如圖3（a）所示。西門(mén)子在原有的雙饋型機(jī)組進(jìn)行升級(jí)滿(mǎn)足更高要求的并網(wǎng)特性，這種升級(jí)的方法是最簡(jiǎn)單的：主要機(jī)械結(jié)構(gòu)不變，僅僅增大變流器的容量（電控技術(shù)是西門(mén)子公司的強(qiáng)項(xiàng)），這同失速型風(fēng)電機(jī)組升級(jí)為雙饋型風(fēng)電機(jī)組有異曲同工之效（見(jiàn)1.1節(jié)介紹）。西門(mén)子公司目前正大力推廣NetConverter（實(shí)際上是推廣全功率變流概念），并在幾年前就預(yù)測(cè)了風(fēng)電機(jī)組全功率變流的發(fā)展趨勢(shì)，如圖3（b）所示。

圖1 失速型風(fēng)電機(jī)組同雙饋型風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)對(duì)比

圖2 國(guó)外部分直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)品統(tǒng)計(jì)[1]

2 傳動(dòng)鏈效率分析

2.1 齒輪箱

齒輪箱制造商通常提供齒輪箱的效率，但是該數(shù)值并不能滿(mǎn)足風(fēng)電機(jī)組的整機(jī)效率計(jì)算，主要原因?yàn)椋糊X輪箱的效率并不是一個(gè)固定值，它隨著負(fù)載（輸入輸出轉(zhuǎn)速、負(fù)載扭矩）的變化而變化，多數(shù)齒輪箱制造商標(biāo)稱(chēng)所提供的齒輪箱效率不小于97%，實(shí)際上指的是標(biāo)準(zhǔn)工況下額定功率時(shí)的機(jī)械效率，而不是全工況下（即與風(fēng)電機(jī)組不同風(fēng)速下的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的工況）的機(jī)械效率，整機(jī)的效率應(yīng)根據(jù)全工況下的齒輪箱機(jī)械效率損耗表進(jìn)行計(jì)算。

本文為了簡(jiǎn)化計(jì)算，暫不考慮環(huán)境溫度對(duì)齒輪箱效率的影響。

齒輪箱效率計(jì)算公式如下[1]：

其中：

ηgear——齒輪箱效率

Pi——齒輪箱輸入功率，kW

Pr——齒輪箱額定功率，kW

Lgear——齒輪箱功率損失，kW

N——齒輪箱級(jí)數(shù)

以目前市場(chǎng)比較通用的1500kW齒輪箱為例，根據(jù)公式（1）計(jì)算的齒輪箱額定工況效率已經(jīng)達(dá)到了97.5%以上，而根據(jù)目前國(guó)內(nèi)齒輪箱廠家提供的數(shù)據(jù)包含部分廠家提供的測(cè)試數(shù)據(jù)，1500kW齒輪箱額定工況效率應(yīng)為97%左右。所以，將上述公式進(jìn)行修正后，齒輪箱效率如圖4（a）所示。如果風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈采用混合傳動(dòng)型，則齒輪箱一般比雙饋齒輪箱少一級(jí)，即級(jí)數(shù)N=2，計(jì)算齒輪箱效率對(duì)比如圖4（a）所示。

圖3 西門(mén)子NetConverter傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)[2]以及技術(shù)路線的市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)[3]

圖4 齒輪箱傳動(dòng)效率、永磁發(fā)電機(jī)效率

圖5 變流器效率和雙饋發(fā)電機(jī)效率

上述計(jì)算結(jié)果為齒輪箱在理想工作狀況下的效率，而風(fēng)電機(jī)組在實(shí)際工作中由于工況較為復(fù)雜，所以齒輪箱的實(shí)際效率難以達(dá)到理論值。

2.2 發(fā)電機(jī)

2.2.1 感應(yīng)發(fā)電機(jī)

目前，應(yīng)用于雙饋風(fēng)電機(jī)組的變流變轉(zhuǎn)速技術(shù)已經(jīng)非常成熟，采用的變流器的容量一般為風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)容量的30%－40%左右。異步發(fā)電機(jī)在低負(fù)荷時(shí)效率較低（大約在90%以下），輸入功率超過(guò)40%額定功率時(shí)效率逐步提高，超過(guò)額定功率60%時(shí)逐步達(dá)到最高（部分廠家可達(dá)到97%以上）并可以保持近似不變。

2.2.2 永磁發(fā)電機(jī)

因?yàn)橹彬?qū)機(jī)組取消了齒輪箱，發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速很低（低速永磁發(fā)電機(jī)），需要采用多極發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出。同異步發(fā)電機(jī)相比，永磁發(fā)電機(jī)在輸入功率較低時(shí)效率極高（輸出功率為額定功率10%以上時(shí)效率即可達(dá)到94%以上），隨著輸出功率的增加，發(fā)電機(jī)效率逐漸增加，通常在輸入功率達(dá)到額定功率的50%時(shí)效率達(dá)到最高（一般為96%左右），然后隨著輸出功率的增加效率逐漸降低，輸出功率達(dá)到額定時(shí)效率一般為95%左右。如果將永磁發(fā)電機(jī)（中速永磁發(fā)電機(jī)）配備到混合傳動(dòng)型機(jī)組上，由于轉(zhuǎn)速的提高，發(fā)電機(jī)的效率會(huì)有進(jìn)一步的提升，額定功率時(shí)的效率將和異步發(fā)電機(jī)相仿，如圖4（b）所示。

2.3 變流器

根據(jù)主流廠家資料，當(dāng)變流器的輸出功率達(dá)到額定功率的10%以上時(shí)，效率即可達(dá)到95%左右，當(dāng)輸入功率達(dá)到額定功率的20%以上時(shí)，效率即可達(dá)到97%以上并基本保持不變，如圖5（a）所示。

雙饋型風(fēng)電機(jī)組所選用的變流器一般為整機(jī)額定容量的30%－40%，因此變流器的效率損耗應(yīng)以整機(jī)容量的30%－40%為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算。直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組所選用的變流器為整機(jī)額定功率的100%，因此變流器的功率損耗大于雙饋型風(fēng)電機(jī)組。

同直驅(qū)型機(jī)組相比，雙饋型機(jī)組的發(fā)電機(jī)同變流器的關(guān)系更為復(fù)雜，因此評(píng)估效率時(shí)需通過(guò)計(jì)算測(cè)試相結(jié)合的方式進(jìn)行，如圖5（b）所示。

2.4 整機(jī)傳動(dòng)鏈效率對(duì)比

為簡(jiǎn)化計(jì)算，整機(jī)傳動(dòng)鏈效率計(jì)算方法如下：

（1）直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組整機(jī)傳動(dòng)鏈效率=低速永磁發(fā)電機(jī)效率×全功率變流器效率；

（2）雙饋型風(fēng)電機(jī)組整機(jī)傳動(dòng)鏈效率=3級(jí)齒輪箱效率×（雙饋發(fā)電機(jī)+35%額定容量變流器）綜合效率；

（3）混合傳動(dòng)型機(jī)組整機(jī)傳動(dòng)效率=中速永磁發(fā)電機(jī)效率×2級(jí)齒輪箱效率×全功率變流器效率；

（4）異步全功率型/雙饋型整機(jī)傳動(dòng)鏈效率分為兩段。

當(dāng)功率輸入為額定功率35%（該數(shù)字具體視雙饋型風(fēng)電機(jī)組應(yīng)用的變流器額定容量而定，此處暫定為35%）以下時(shí)：

雙模型風(fēng)電機(jī)組整機(jī)傳動(dòng)鏈效率=3級(jí)齒輪箱效率×感應(yīng)發(fā)電機(jī)效率×35%額定容量變流器效率；

當(dāng)功率輸入為額定功率35%以上時(shí)：

雙模型機(jī)組整機(jī)傳動(dòng)鏈效率=雙饋型機(jī)組整機(jī)效率。

按照上述計(jì)算方法計(jì)算不同傳動(dòng)鏈傳動(dòng)效率如圖6所示。

當(dāng)率輸出小于35%額定功率時(shí)，直驅(qū)型機(jī)組效率最高，雙饋型機(jī)組效率最低，混合傳動(dòng)型機(jī)組同雙模型機(jī)組效率相仿，位于直驅(qū)型機(jī)組和雙饋型機(jī)組之間（和完全雙饋方案相比，雙模方案在小風(fēng)速的傳動(dòng)效率的確有一定的提升）。

圖6 不同傳動(dòng)鏈整機(jī)傳動(dòng)效率對(duì)比

圖7 不同傳動(dòng)鏈整機(jī)功率曲線對(duì)比（70m葉輪直徑）（右圖為局部放大）

當(dāng)功率輸出為35%－60%額定功率時(shí)，直驅(qū)型機(jī)組效率最高，雙饋型機(jī)組、混合傳動(dòng)型機(jī)組傳動(dòng)效率相仿，因?yàn)殡p模方案已經(jīng)切換到雙饋工作狀態(tài)，所以傳動(dòng)效率同雙饋相同。

當(dāng)額定輸出大于60%額定功率時(shí)，雙饋型機(jī)組效率最高（包括雙膜方案），而直驅(qū)型機(jī)組、混合傳動(dòng)型機(jī)組傳動(dòng)效率逐漸低于雙饋型機(jī)組，但是由于差別較?。?%左右），并且風(fēng)電機(jī)組逐漸接近額定功率，所以效率的差異對(duì)機(jī)組的發(fā)電量影響較小。

3 整機(jī)發(fā)電量對(duì)比分析

3.1 功率曲線仿真計(jì)算

為了量化不同傳動(dòng)鏈傳動(dòng)效率對(duì)機(jī)組發(fā)電量的影響，以目前市場(chǎng)裝機(jī)量最高的1500kW機(jī)組為例，采用GH Bladed軟件進(jìn)行仿真計(jì)算動(dòng)態(tài)功率曲線，仿真計(jì)算獲得的整機(jī)功率曲線如圖7所示，不同傳動(dòng)鏈的功率曲線差異主要體現(xiàn)在小風(fēng)速段：直驅(qū)最優(yōu)、雙饋?zhàn)畹?、混合傳?dòng)型以及雙模型居中。由于篇幅有限，其余葉輪直徑功率曲線對(duì)比在此不做展示（對(duì)比結(jié)果的規(guī)律相仿）。

表1 不同葉輪直徑風(fēng)電機(jī)組年發(fā)電量對(duì)比（折算到標(biāo)準(zhǔn)小時(shí)數(shù)）

3.2 機(jī)組年發(fā)電量計(jì)算

不同葉輪直徑對(duì)應(yīng)不同傳動(dòng)鏈形式的年發(fā)電小時(shí)數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表1所示，以每種機(jī)型對(duì)應(yīng)的典型年平均風(fēng)速為例對(duì)比可知（表格中加粗?jǐn)?shù)字），直驅(qū)機(jī)組發(fā)電量第一，雙模機(jī)組發(fā)電量第二，混合傳動(dòng)型機(jī)組發(fā)電量第三，雙饋型機(jī)組發(fā)電量第四。

以直驅(qū)型機(jī)組的年發(fā)電量為基數(shù)進(jìn)行對(duì)比可以看出隨著年平均風(fēng)速的降低，不同傳動(dòng)鏈發(fā)電量對(duì)比的差距越明顯，而隨著年平均風(fēng)速的提高，差距越小。主要原因是：

（1）傳動(dòng)鏈效率的差異主要體現(xiàn)在功率輸出較低時(shí)，因此小風(fēng)速下發(fā)電量差異較大；

（2）當(dāng)風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速時(shí)，機(jī)組的輸出受限于額定功率，不同傳動(dòng)鏈形式的風(fēng)電機(jī)組功率輸出相同，傳動(dòng)鏈效率差異在此已經(jīng)不起任何作用[4]。

4 風(fēng)電場(chǎng)收益淺析

以一個(gè)典型的50MW裝機(jī)容量的風(fēng)電場(chǎng)為例進(jìn)行度電成本收益分析，以對(duì)比不同傳動(dòng)鏈機(jī)組對(duì)風(fēng)電場(chǎng)收益的影響。假設(shè)條件如下：

（1）直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組單位千瓦售價(jià)為4000元；

（2）吊裝、安裝成本相同（吊裝按照20萬(wàn)/臺(tái)）；

（3）塔架相同、基礎(chǔ)相同（塔架重量按125噸/臺(tái)，基礎(chǔ)成本50萬(wàn)/臺(tái)）；

（4）機(jī)組排布相同；

（5）可利用率相同。

根據(jù)表1中不同葉輪直徑機(jī)組所對(duì)應(yīng)的年發(fā)電量，反算不同傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)形式整機(jī)價(jià)格，如表2所示（僅以葉輪直徑70m和93m為例）。

如表2所示，僅根據(jù)風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)效率分析反算機(jī)組價(jià)格：直驅(qū)型第一，雙模型第二，混合傳動(dòng)型第三，雙饋型第四。結(jié)果與前面2.4節(jié)分析的每種傳動(dòng)鏈效率的排序是統(tǒng)一的。所以，風(fēng)電場(chǎng)在進(jìn)行機(jī)組選型時(shí)，如果候選機(jī)型額定容量相同、葉片相同，那么在進(jìn)行功率曲線對(duì)比以及發(fā)電量核算時(shí)應(yīng)參考機(jī)組的傳動(dòng)鏈形式。

表2 風(fēng)電場(chǎng)收益相同時(shí)不同傳動(dòng)鏈機(jī)組價(jià)格反算對(duì)比

綜上所述，本文經(jīng)評(píng)分析僅供對(duì)比參考。

5 結(jié)語(yǔ)

不同的傳動(dòng)鏈形式傳動(dòng)效率不同，本文從理論上對(duì)傳動(dòng)鏈效率進(jìn)行分析，并完成不同傳動(dòng)鏈的全工況損耗計(jì)算，假定風(fēng)電場(chǎng)收益相同，反算不同傳動(dòng)鏈機(jī)組價(jià)格差異，最高可以達(dá)到160元/kW(對(duì)于50MW的風(fēng)電場(chǎng)相當(dāng)于在前期投資相差近800萬(wàn))。因此，對(duì)于一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的整體收益而言，前期機(jī)組的選型以及對(duì)傳動(dòng)鏈形式的考慮是個(gè)極其重要的因素。

[1] Peter Jamieson. Innovation in Wind Turbine Design[M].Garrad Hassan, UK.2011:115.

[2] HakanYildirim. Siemens NetConverter[R].2009:4.

[3] HakanYildirim. Siemens NetConverter[R].2009:3.

[4]薛辰.5米多風(fēng)速也有好生意[J].風(fēng)能, 2013(6)：20-26.

Analysis of Wind Farm Proft from the Perspective of Effciency of Drive Chain

Meng Qingshun, Huang Rui, Li Xuan, Wang Quande
（Goldwind Science &Technology Co.,Ltd., Beijing100176, China）

Wind turbine could be divided into the following categories by diferent types of drive chain: direct drive, double-fed, hybrid drive and asynchronous generator with full power converter. Diferent types of drive chain have diferent transmission efciencies. Assuming the rotor absorbed the same wind energy, diferent types of wind turbines could output diferent power curves due to diferent drive chains, thus afecting the proft of wind farms.The efciencies of diferent transmission chains were compared and analyzed in this article, quantitatively analyzed the impact of the drive chain on the wind farm proft, combined with the actual economic assessment of wind farms.

direct drive; double-fed; hybrid drive;asynchronous full power ;transmission efciency

TM614

A

1674-9219（2013）12-0072-06

2013-10-25。

孟慶順（1980-），男，工程師，主要從事永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)品研發(fā)工作。先后承擔(dān)、參與國(guó)家科研項(xiàng)目2項(xiàng)（其中新疆自治區(qū)項(xiàng)目1項(xiàng)，國(guó)家863項(xiàng)目1項(xiàng)），獲2013年度北京科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)。