張為民:電動(dòng)變槳小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

2023年10月16日-19日，2023北京國(guó)際風(fēng)能大會(huì)暨展覽會(huì)（CWP2023）在北京如約召開。作為全球風(fēng)電行業(yè)年度最大的盛會(huì)之一，這場(chǎng)由百余名演講嘉賓和數(shù)千名國(guó)內(nèi)外參會(huì)代表共同參與的風(fēng)能盛會(huì)，再次登陸北京，聚焦中國(guó)能源革命的未來(lái)。

本屆大會(huì)以“構(gòu)筑全球穩(wěn)定供應(yīng)鏈 共建能源轉(zhuǎn)型新未來(lái)”為主題，將歷時(shí)四天，包括開幕式、主旨發(fā)言、高峰對(duì)話、創(chuàng)新劇場(chǎng)以及關(guān)于“全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)布局及供應(yīng)鏈安全”“雙碳時(shí)代下的風(fēng)電技術(shù)發(fā)展前景”“國(guó)際風(fēng)電市場(chǎng)發(fā)展動(dòng)態(tài)及投資機(jī)會(huì)”“風(fēng)電機(jī)組可靠性論壇”等不同主題的21個(gè)分論壇。

10月17日下午，在“2023中小型風(fēng)能設(shè)備行業(yè)發(fā)展交流會(huì)”論壇上,合肥為民電源有限公司總經(jīng)理張為民發(fā)表了題目為《電動(dòng)變槳小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組》的主旨演講。  

以下為演講全文：

各位領(lǐng)導(dǎo)、各位同仁，大家下午好！很高興在一年一度的小型風(fēng)能年會(huì)中和大家見面，今天給大家匯報(bào)的題目是《電動(dòng)變槳小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組》，相對(duì)偏技術(shù)一點(diǎn)，剛剛同仁們介紹的市場(chǎng)已經(jīng)給大家提供了非常豐富的信息，首先講小型發(fā)電系統(tǒng)大家都非常的熟悉，如果從11米說依照目前的技術(shù)水平，能夠設(shè)計(jì)的功率也就是50千瓦。再往上走就不太靠譜了，我們做的是變角小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，風(fēng)力發(fā)電剛開始希望能源越多越好，但是有的時(shí)候是破壞性的因素。

怎么樣減少風(fēng)能的吸收？風(fēng)不好控制。只能通過變角的方式減少能量的吸收，怎么樣的變角方式？機(jī)械變角和電動(dòng)主動(dòng)變角，目前在大風(fēng)機(jī)中間普遍的應(yīng)用，我們采用電動(dòng)變角技術(shù)有一定簡(jiǎn)化優(yōu)化的方式引入進(jìn)來(lái)。

我講幾個(gè)部分，先介紹技術(shù)之前，首先要知道理想的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)是什么狀態(tài)，每一個(gè)過程是什么樣的要求，以及怎么樣實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程？小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)理想過程有四個(gè)：一是額定轉(zhuǎn)速之前要實(shí)現(xiàn)風(fēng)能最大功率吸收，在額定轉(zhuǎn)速到額定風(fēng)速之間，要實(shí)現(xiàn)很轉(zhuǎn)速的運(yùn)行，這個(gè)時(shí)候?yàn)槭裁床磺笞畲蠊β实倪\(yùn)行？主要是考慮載荷的影響。轉(zhuǎn)速上去之后，整個(gè)機(jī)組的整合都非常高，這個(gè)是根據(jù)風(fēng)能的分布，在高風(fēng)階段占的比例不是很高，從整個(gè)發(fā)電量的角度來(lái)考慮，這個(gè)時(shí)候運(yùn)行的成本并不是最優(yōu)，我們把會(huì)它設(shè)定在額定風(fēng)速之下，設(shè)立最佳功率運(yùn)行階段。

第三個(gè)階段額定風(fēng)速以上與恒定風(fēng)速之間也是很大的區(qū)間，如果額定13米到25米，小型風(fēng)力發(fā)電要越來(lái)越小才可能，額定風(fēng)電要做到10米以下，一般是9米、8米最好。這部分怎么運(yùn)行吸收？這是小型風(fēng)電面臨的難題。

有一些東西為了保護(hù)自身的安全性，它的發(fā)電量就沒有辦法保證。額定功率當(dāng)中會(huì)出現(xiàn)很多的問題，大功率也不會(huì)發(fā)電，行業(yè)存在很多大家理解上的誤區(qū)，有一種信息不透明的感覺。后期要保持額定功率運(yùn)行的時(shí)間段，這是一個(gè)理想階段，極限風(fēng)速要保證安全停機(jī)。理想的風(fēng)力發(fā)電機(jī)是這樣的狀態(tài)，但是要實(shí)現(xiàn)非常的困難。

大家做風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠發(fā)電，但是實(shí)現(xiàn)的狀況怎么樣？首先了解小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理，我們?cè)陲L(fēng)能的前后產(chǎn)生升力，旋轉(zhuǎn)方向產(chǎn)生力矩，根據(jù)額定的轉(zhuǎn)速會(huì)產(chǎn)生功率，也會(huì)產(chǎn)生載荷壓力。講講功率ERCP當(dāng)中大家都非常的熟悉，海拔高空氣密度有關(guān)，選擇的時(shí)候高海拔地區(qū)很難實(shí)現(xiàn)同等功率，I是面積。大家聽到很多微風(fēng)發(fā)電，我也看到過很多離譜的概念，你們算一下它的面積有多大，你看能不能出來(lái)功率？往往出不來(lái)。它發(fā)電效率能夠達(dá)到10%，Cp（風(fēng)能利用系數(shù)）達(dá)到200，所以要看風(fēng)能直徑是多大，掃風(fēng)面積是多大，這個(gè)如果不看就不可能實(shí)現(xiàn)那么大的功率。

講功率額定會(huì)有12米、13米，發(fā)電機(jī)組是兩個(gè)概念，可以把轉(zhuǎn)速提高到很多，那沒有任何的意義。V是立方，為什么額定的越低速度就很高？我們要避風(fēng)式的發(fā)電機(jī)，里面有一個(gè)核心的問題，11和10的立方差很大，到9就差1倍。這個(gè)V是額定風(fēng)速和小型發(fā)電機(jī)微觀選址非常的重要，有塔的高度，不同的高度差異會(huì)很大。還有微觀選址，安裝環(huán)境不定也不行，所以我們做展開講解。

所以大家選風(fēng)力發(fā)電機(jī)，不發(fā)電的原因是什么？微觀選址占一半的因素在當(dāng)中，因?yàn)榈孛娴母叨葧?huì)有一個(gè)空氣鏈，地面基本上風(fēng)速為0，慢慢上來(lái)的。如果20米高度是10米，10米高度可能只有8.5米。風(fēng)速好像還沒有怎么下降，但是功率下降的很嚴(yán)重只有60%，所以高度對(duì)它的影響非常重要。

大家在選擇的時(shí)候，風(fēng)力發(fā)電機(jī)要有一定的高度，否則大家安裝出來(lái)沒有效果，塔架為了減少成本降低了，結(jié)果是沒有功率。

我們測(cè)的功率是在穩(wěn)態(tài)風(fēng)的前提下，但是你看風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝在障礙物的附近，對(duì)它形成很大的川流，這種風(fēng)對(duì)自己的涼快比較有用，但是發(fā)不了電。到一定的距離之后，才能恢復(fù)正常穩(wěn)定的風(fēng)速。這個(gè)發(fā)電機(jī)障礙物的附近不要去裝，現(xiàn)在的弊端是很多要求，安裝的效果肯定不好。

V是風(fēng)速，也很重要。Cp(風(fēng)電利用系數(shù))體現(xiàn)不同廠家的展示，大風(fēng)是0.5，小型風(fēng)力發(fā)電由于各種因素的影響，理論計(jì)值如果在光滑條件下，葉片在理想的狀態(tài)條件下，算出來(lái)大概是0.48%，如果考慮葉片的通透性算出來(lái)是0.43-0.44，如果考慮逆變器的效率最后只有零點(diǎn)三幾。Cp最大是0.593，如果在市場(chǎng)上買的發(fā)電機(jī)，計(jì)算出來(lái)的Cp是大于0.93，可以判斷他是一個(gè)騙子。

怎么實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大的Cp值？首先是從翼型考慮，目前小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)翼型設(shè)計(jì)工作做的不是很多，現(xiàn)在采用的是航空翼型，為什么不采用新的翼型？因?yàn)橐硇偷臍鈩?dòng)數(shù)據(jù)本身就沒有，大風(fēng)電可能有，但是小風(fēng)電沒有，所以采用的是很多年前的。好的需要升阻比，如果阻力大全部給浪費(fèi)掉，這肯定是不好的翼型。還有小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電，核心本質(zhì)是數(shù)比較低，葉片比較窄，它必須要具有良好低速度下的運(yùn)行。小風(fēng)機(jī)剛開始感覺小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)測(cè)試達(dá)到一定的功率，過一年半年功率急劇下降，這個(gè)粗糙度和敏感性很敏感，有一定的輻射后,功率馬上下降，5年的回報(bào)都做不到。

因?yàn)槿~根的載荷比較大，所以需要比較粗的翼型，比如說厚度30%-40%左右的翼型，需要有專用的翼型實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的CP值。

第二步要有良好的升力曲線，與攻角呈正比的關(guān)系，但是在葉片之后關(guān)系當(dāng)然也是仿真的曲線，實(shí)際的曲線特性沒有辦法計(jì)算也不準(zhǔn)確。所以說針對(duì)失速風(fēng)力發(fā)電機(jī)提出挑戰(zhàn)，必須要有余量才能保證可靠性和安全性。

要保證合適攻角的前提下，實(shí)現(xiàn)比較大的功率輸出。怎么實(shí)現(xiàn)呢？風(fēng)力發(fā)電機(jī)的流角是固定的，能控制的是弱流角來(lái)控制攻角，我是在這個(gè)范圍之內(nèi)，因?yàn)檫@個(gè)是旋轉(zhuǎn)速度，兩者之間形成合成風(fēng)速，也形成了弱流角。讓它的旋轉(zhuǎn)速度在當(dāng)中，能夠控制在攻角范圍內(nèi)，這個(gè)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制的本質(zhì)問題。

當(dāng)然，后期跟蹤的過程當(dāng)中，我們也會(huì)采用電壓電流的方式，本質(zhì)要跟蹤風(fēng)速和轉(zhuǎn)速。誰(shuí)家越貼近這個(gè)比，誰(shuí)家的跟蹤效果就會(huì)越好。

Cp變化值，大概是0.43左右。風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以設(shè)置低間速比和高間速比，這個(gè)有所不同。設(shè)計(jì)出來(lái)的葉片，一般需要進(jìn)行校核，看它的壓力和速度，以及三維旋轉(zhuǎn)，是否有差異。要不然二維設(shè)計(jì)出來(lái)的東西，可能會(huì)比較偏離實(shí)際的工況。

這是變槳運(yùn)行的控制曲線，橫坐標(biāo)不停的轉(zhuǎn)，在某一風(fēng)速下面，力矩會(huì)逐漸的升高，到最高值之后又會(huì)下降。但是它的階段功率點(diǎn)在轉(zhuǎn)矩的后面，這個(gè)時(shí)候的轉(zhuǎn)矩雖然小一點(diǎn)，但是功率比較高。變角到達(dá)額定轉(zhuǎn)速之后，這個(gè)時(shí)候轉(zhuǎn)速會(huì)穩(wěn)定不變，讓它隨著風(fēng)速的增加，功率會(huì)逐漸增加。當(dāng)然，最佳的風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制會(huì)在H點(diǎn)，但是很難實(shí)現(xiàn)額定控制中有范圍，保證它的效益和控制的穩(wěn)定性。

怎么實(shí)現(xiàn)這個(gè)變角要求？剛開始變角的角度是不變的，這個(gè)階段是從9.8米到25米，這個(gè)階段要實(shí)現(xiàn)橫功率運(yùn)行，它的功率與槳距角有很大的關(guān)系，在大部分的情況下風(fēng)能不變減少攻角，能夠保證它的運(yùn)行。

角度變化很大，比如說風(fēng)速?gòu)?.8變成11米，但是會(huì)變化5度。后面風(fēng)速變化1米，它的角度變化1度的范圍，所以這是要有一定的快速性和準(zhǔn)確性，才能保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)在理想的狀態(tài)，它的準(zhǔn)確性比較高，快速性是通過選擇相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的快速性，大家要進(jìn)入相應(yīng)的計(jì)算。前面還有橫轉(zhuǎn)速的運(yùn)行，需要通過電池的力矩，來(lái)把功率發(fā)電機(jī)以不同的電池載荷，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)橫轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。

這個(gè)是變角的控制環(huán)，通過采集風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，計(jì)算出所需要的扭矩對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制。這是失速運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)圖，在剛開始的時(shí)候都是在合理的狀態(tài)，但是它變化的不同是從H之后，額定峰值之后不能變槳距只能壓低轉(zhuǎn)速。當(dāng)轉(zhuǎn)速壓下來(lái)之后功率會(huì)減少，扭矩也增加一定的值。大家看這個(gè)曲線，在轉(zhuǎn)速之前變化相對(duì)比較小，這個(gè)時(shí)候是失速的狀態(tài)，功率隨著風(fēng)速的變化都是很大。

這是實(shí)際做的同步變槳機(jī)構(gòu)，大風(fēng)機(jī)是獨(dú)立變槳，我們同步變槳降低成本，如果同步完成沒有辦法實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性。安全停機(jī)狀態(tài)，極限風(fēng)速之上必須安全停機(jī)，停下來(lái)不放電載荷要小，怎么樣實(shí)現(xiàn)？把角距變到0度，這個(gè)時(shí)候的載荷也非常小。當(dāng)然有失速變角和順角，順角是可以把能量變的更低，所以我們盡量采用順角的方式。

再講一下系統(tǒng)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)必須具備系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供能力。比如說應(yīng)用的離網(wǎng)系統(tǒng)，我們會(huì)把風(fēng)能、光能控制整合到一個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中去，便于用戶使用，同時(shí)可靠性相對(duì)也會(huì)有所提高，發(fā)現(xiàn)問題的時(shí)候大家也不會(huì)扯皮。風(fēng)機(jī)和控制器有比較大的關(guān)聯(lián)度，如果一個(gè)好的系統(tǒng)達(dá)到一定的性能，你怎么實(shí)現(xiàn)最佳間速比的運(yùn)行？你要知道葉片的性能和控制特性，要與葉片的特性相匹配。

機(jī)組有的時(shí)候出現(xiàn)問題大家都相互扯皮，找出匹配不好的原因，比如說系統(tǒng)的效率問題。如果采用整流效率會(huì)低一點(diǎn)，因?yàn)闀?huì)產(chǎn)生很大的斜坡和發(fā)熱量。在電機(jī)測(cè)試的時(shí)候是主機(jī)負(fù)責(zé)，實(shí)際運(yùn)行是高頻斜坡在里面，而且功率因素也會(huì)很差。特別是并網(wǎng)階段，有叫差模電流可能會(huì)致命，到時(shí)候會(huì)出現(xiàn)各種的問題和能量匹配，都不會(huì)在最佳的狀態(tài)，但是這些問題你不搞設(shè)計(jì)不知道。

這個(gè)是并網(wǎng)系統(tǒng)，通過一體機(jī)輸送到電網(wǎng)，交流的系統(tǒng)也可以用在后期，還有微電網(wǎng)的方式，有的把EMS、DC、儲(chǔ)能、光伏做的很復(fù)雜，小型系統(tǒng)這種方式出來(lái)的比較復(fù)雜，出現(xiàn)問題都會(huì)相互扯皮，所以我們把它做成整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成一體化，這可以實(shí)現(xiàn)離并網(wǎng)的切換，你能想到的功能把它設(shè)計(jì)到一個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中去，這樣便于用戶的使用。從2005年成立公司，一直在做電流，可以把它做到一體。

標(biāo)準(zhǔn)，包括并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，也是幾家單位一起共同往前推進(jìn)，這個(gè)是發(fā)明專利，我就匯報(bào)這么多，謝謝大家的聆聽。

（以上根據(jù)演講速記整理，未經(jīng)演講人審核）