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1、走自主创新的道路设计世界领先水平的风力发电机组,贾大江,内 容,购买技术不是出路 走自主创新的道路 自主设计永磁直驱兆瓦机组 我们对风力发电机组设计的感想 自主设计海上5MW风力发电机组,一,二,三,四,五,我国风力发电机组的产量及兆瓦机组的装机量在国际上已达到领先水平。作为一个风力发电大国，生产的兆瓦机组多数是引进技术和许可证生产，与我们的地位极不相称。越是大国企、大的上市公司越是购买技术。国家在很多场合下提倡自主创新，这些企业一般都是拿国家或企业的科研经费去购买国外技术，有人说买到的技术最好也不过是二流的，还美其名日是“管理创新”，实际上是人家研究出新机型后把淘汰的机型卖给你，赚了你的钱还
2、看不起你，还准备下次用同样的方法再赚你的钱。,一、购买技术不是出路,引进技术多数是相对落后的技术，有的技术不成熟，是国内部件生产商解决了技术难点。2007年某公司引进的1.5MW机组技术，当时欧洲已执行低电压穿越的入网标准，结果此机组根本不具备此技术。现在再打官司，损失已经形成。而同期国内自主设计的机组都能低电压穿越，而引进的却不能，可能是太崇洋造成的。,一个真正的设计者，必须走自主创新的道路，这才是根本大道，也不会有那么多专利制约。没有对风力发电机组的充分了解，没有创新，没有大量的科学试验研究，就不可能设计出一流的具有国际先进水平的风力发电机组。走原创道路更能知道目前机组的优缺点及改进的方向
3、。引进机组有许多缺陷，使某个大公司走向倒闭的危险。而且引进机组有定期报废的嫌疑，如G850机组的齿轮箱到10年必坏，根本达不到20年的寿命期，而且10年后连配件都买不上。,风力发电机组“到期报废”的问题IEC规定风力发电机组使用寿命为20年。实际中很多部件不到20年就报废，这里有两种情况：一种是质量问题；一种是故意报废。目前双馈机组的齿轮箱两种情况都有。大多数齿轮箱十年内必然损坏，由于末极齿轮节圆处线速度极高，润滑条件非常恶劣，对润滑要求很高，厂家把这个末极齿轮做为可更换件，但它的损坏往往带来齿轮箱的损坏。再如有很多引进的电机，要求H绝缘F级使用，而在不重要的某处使用F级的材料，留一个提前报废
4、的节点，使电机不可能有20年的寿命，但在保修期内不可能损坏。如上也许是促销的商业行为。,二、走自主创新的道路,我们多年走的是一条循序渐近的发展道路。我们从80年代初就开始研发永磁直驱的风力发电机组。1982年开发了6米直径永磁直驱可变几何型立轴风力发电机组（水电部项目），曾获科技部进步奖。,2kW立轴永磁直驱可变几何型风力发电机组（1982年）,从国家“75”项目开始到“十一五”一直做国家的风电科研项目，开发了300W、500W、1kW、2kW、5kW、10kW、20kW、50kW、100kW，直到近期开发了1MW、1.5MW、2MW，这些机型都有一些国家科研经费的支持，是经过大量试验研究的基
5、础上完成的。,50kW机组安装于韩国江源道（2001年）,2kW并网机组,1995通过了50kW永磁直驱的并网离网两用的发电机组的鉴定，电机效率达95%。已经使用钕铁硼40SH在当时决不落后于国外同期技术。此机组当时就采用了电驱自动调向、使用可编程控制器PLC及相关软件控制，和现在的兆瓦机无论在控制算法上、结构上无多大差异。,50kW永磁直驱并网或离型两用机组（1995年）,已批量出口的100kW永磁直驱风力发电机组,由于上面所开发的永磁直驱机组其中有些大量出口到国外，我们的技术得到国外同行的承认，我们也曾被国外机构邀请到他处搞合作设计和专题研究。在和他们的合作中发现你有独特的见解、有试验和科
6、研成果，他们就会尊敬你，一味的照抄就受到鄙视。后来国内大型机组的研究相对落后，主要是整体政策环境和科研经费的短缺，如当时我们50kW机组的科研费当时只有20万。在对外技术交往中，你如果能发现他们的软件或硬件的缺陷而提出改进方案，他们就会特别尊敬你，会和你很开放的讨论问题。只有这样才能做到真正的技术交流。,三、自主设计永磁直驱兆瓦机组,你花钱买了别人的技术，卖家从骨子里看不起你。我们为什么不能整合各种科研力量，自主地开发更具有中国特色的技术先进的风力发电机组。从2004年开始，我们就开始进行兆瓦级永磁直驱机组的设计和开发。,2006年我们在完全独立自主、没有和任何国外机构合作的情况下完成了1MW
7、和1.5MW永磁直驱风力发电机组的设计。,2007年完成样机制造。现在已经进行了三年的商业运行，表现出优良的特性，主要特点有：非常好的低风速发电特性，2.5m/s风速时切入，在8m/s风速时和同一风场安装的双馈机发电量多出100千瓦左右；非常小的维护工作量和维护费用，年维护费用在2万元以下，主要是人工巡检费；经业主统计后测得年可利用率99%；经国家相关检测单位测得电机额定功率的效率为98%。申报批准了70多项专利，通过科学院科技查新，认为该机组的技术特点国际上独创，综合技术达到国内领先、国际先进水平。在同时期国内也有多个兆瓦风力发电机组开发成功，这说明我们国内技术人员完全可以自主开发风力发电机
8、组。,海湾风电场（2009年）,四、我们对风力发电机组 的设计有以下感想：,1首先是可靠性,可靠性是风力发电机组的根本，主要部件要在20年内无问题，不失效，不大修。年维护修理费用要小于机组残值1/20的，只有这样才能保证机组的经济性。而目前引进的很多机组做不到这些。要确实做到质量第一，不进入到片面降价的旋涡，要在品质、质量和安全及寿命上和国外机组竞争。,我们目前出口的机组每kW售价在1万元左右，20kW、50kW、100kW卖到欧美多个国家从末受到倾销官司，而且在国外市场逐渐站稳脚根。价格上我们比他们略低一些，而在质量上要更好一些。在国内，如果有金融产品帮助资本运转的话，在机头残值归我们的条件
9、下，我们可以做到20年免费保修。,2先进的技术水平,要设计出国际先进水平的风力发电机组必须做到机组的高效率，风轮气动效率力求做到最佳CP0.5。最佳工作速比要宽采取叶稍小翼、翼根闭合等设计，减小展向流动CP值可达到0.5。永磁直驱电机效率在额定点0.98。如果电机效率为0.94的情况下，电机提高2个百分点，总效率提高一个百分点，两年的发电量增加的效益就能收回因此增加的材料费的投入，所以决不因价格战而降低性能。,机组在全寿命期内，不更换部件，要做到半年巡检一次，寿命期内无大修，必须采用先进科学的工艺方法。如我们采用特殊的分数槽，保证了低风速发电特性，做到2.5m/s的切入风速2m/s时起动。经过
10、科学试验验证的磁极形状，气隙大小，这些保证了电机的高效率和电阻载荷下，功率因数在99%以上和极小的谐波，谐波总量小于1%。发电品质要满足欧洲2006标准，和电网友好可适时的调度有功无功。,3创新和技术进步必须有科学 试验为基础。,产品要比别人先进，就必须有进步点。但你必须用试验证明你的方法的确比原有的方法优越，可以先进行适当的小样试验。如永磁直驱风力发电机和变流器的配合问题，受到一些国外公司的误导，他们说必须用可控整流才能提高永磁电机的效率和功率因数，才能达到低风速发电的效果。国内有些变流器厂家也和他们一唱一和，其实是错误概念。,我们在相近位置上安装了两台同样风轮直径的1.5MW永磁直驱机组，
11、电机和配用变流器各自对应，其中一台是可控整流的进口变流器，另一台安装了国产的变流器，是二级管不可控整流也没有斩波升压，并末发现低风速及其它风速下两台机组的出力有什么明显差异，证明在这个问题上一些国外变流器厂家的说法是一个错误。我们大量出口到国外的机组都是用不可控整流的变流器并没有问题。要区别科学还是误导，因为有很多观点是商业利益驱使。,4借鉴同行的技术,不但要看成功的范例，更要看失败的案例和出问题机组的情况及原因。要清楚的研究国外风力发电机组的优点和缺点及性能指标的来源。要看清楚哪些技术指标是可以突破的，哪些缺点怎么克服，买来的技术做到这一点比较难，这需要做调研。要到风电场风机安装处了解，去生
12、产厂很难了解到机组的缺点，从部件和整机厂商很难了解到实情。,五、自主设计海上5MW 风力发电机组,我们面对未来海上风机的需要，设计了5MW风力发电机组，依然采用永磁直驱型式，内转子、防护等级IP54。,技术参数,永磁发电机基本参数,5MW机组结构示意图,自然冷却示意,机舱布置,永磁直驱发电机,我们有成熟的高效率的经过验证的电磁模型，使永磁电机的设计非常准确。由于电磁模型是原创的，经过了大量的实验优化，保证了永磁电机的优良特性和非常好的性价比。,1因海上风力发电机组需靠船运输，费用高且受气候因素制约，不可能随时到达机组。有齿轮箱型式的风力发电机组维护复杂费用高。我们安装的1.5MW风力发电机组的
13、风场位于海堤。风场中同时安装有8台双馈机，并长年有2人轮流值班维护，即便如此在运行8个月后就开始漏油。而我们的1.5MW永磁直驱风力发电机组采用远程监视，三个月难得去一次现场，可见维护特性的差异比较大。投入商业运行后经业主统计（2012年），我们样机的可利用率达到99.6%，远远比他们高，发电量比相近位置双馈机组也高。为了保证风力发电机组正常运行，只需半年一次巡检，一年加注一次润滑酯。永磁直驱机组用于海上风场必然会大幅降低维护费用。,2采用特殊的分数槽技术。495槽、164极使电机的齿槽力矩极小，保证了永磁电机有极低的振动和噪声，使电机有非常高的功率因数和很低的谐波，更保证了机组的低风速发电特
14、性。2.5m/s风速时就可以建压向电网输出电能，提高年发电量，这些已在1.5MW永磁直驱风力发电机组上经过验证。,3连续散线绕组技术：采用连续散线绕组，永磁电机每相由一束300多根连续导线组成，全电机每一相线中无接头焊点，保证了良好的工艺性和可靠性。通过扭转换位保证了在高载频下（2K）比硬绕组有更高的效率，几乎没有集肤效应。,连续散绕组下线,4 磁钢的固定和保护,5采用NHN+玻纤环氧云母带+NHN的槽绝缘结构，保证了绕组的机械特性、耐电晕特性、耐电脉冲特性（已报发明专利），并经验证。,6控制算法采用风轮面内平滑风速湍流度，用迭代法求前方风速及速比，PID起辅助作用的变距算法，计算过程不发散，
15、转速和功率控制精度高。大风时风轮转速最高不超过额定转速的5%。降低了机组的载荷，使其加速度值不会超过0.05G。,7全部采用电调驱动方法。8机组按IEC 61400的标准进行设计。9变流器和永磁电机之间有可靠的滤波器。10 海上防护问题所有配件匀置于机舱内，包括偏航采用内齿，电机和机舱的空气是经过过滤除湿，保证海上的高腐蚀环境不会影响零件性能。电机及机舱内是无盐微压的环境，这些我们已经在海堤安装的机组上得到验证，非常有效。,11电能质量问题和电网配合问题符合欧洲最严格的标准：包括谐波、闪变、零电压穿越、有无功调度。为了保证上述功能，采用PWM脉宽调制直流母线来卸荷稳压，卸荷电阻及系统能在额定载荷的130%时可靠工作10秒以上。,12由于5MW电机直径比较大，高度方向的风剪切增加，风轮面内湍流度增大，内陆使用并不太好。由于海上气动噪声可适当放松，叶稍速度可适度提高，这样同样直径的风轮转速可以高一些。由于海上风力发电机组的制造及组装应在便于水上运输的地方，电机直径可以大一些，这就有利于散热，并使磁材的消耗减少。5MW永磁直驱机耗用钕铁硼40UH3.2吨，相比1.5MW永磁直驱机每kW磁材消耗的要少。,13可以配用3种不同直径的叶片，目前主要拟配用126米直径的叶片。14采用单个主轴轴承结构，5MW机组在这样直径下单轴承的价格比较合算，同时结构上也比较好。,谢谢大家,
