张为民:电动变桨小型风力发电机组

2023年10月16日-19日，2023北京国际风能大会暨展览会（CWP2023）在北京如约召开。作为全球风电行业年度最大的盛会之一，这场由百余名演讲嘉宾和数千名国内外参会代表共同参与的风能盛会，再次登陆北京，聚焦中国能源革命的未来。

本届大会以“构筑全球稳定供应链 共建能源转型新未来”为主题，将历时四天，包括开幕式、主旨发言、高峰对话、创新剧场以及关于“全球风电产业布局及供应链安全”“双碳时代下的风电技术发展前景”“国际风电市场发展动态及投资机会”“风电机组可靠性论坛”等不同主题的21个分论坛。

10月17日下午，在“2023中小型风能设备行业发展交流会”论坛上,合肥为民电源有限公司总经理张为民发表了题目为《电动变桨小型风力发电机组》的主旨演讲。  

以下为演讲全文：

  各位领导、各位同仁，大家下午好！很高兴在一年一度的小型风能年会中和大家见面，今天给大家汇报的题目是《电动变桨小型风力发电机组》，相对偏技术一点，刚刚同仁们介绍的市场已经给大家提供了非常丰富的信息，首先讲小型发电系统大家都非常的熟悉，如果从11米说依照目前的技术水平，能够设计的功率也就是50千瓦。再往上走就不太靠谱了，我们做的是变角小型风力发电机，风力发电刚开始希望能源越多越好，但是有的时候是破坏性的因素。

    怎么样减少风能的吸收？风不好控制。只能通过变角的方式减少能量的吸收，怎么样的变角方式？机械变角和电动主动变角，目前在大风机中间普遍的应用，我们采用电动变角技术有一定简化优化的方式引入进来。

    我讲几个部分，先介绍技术之前，首先要知道理想的小型风力发电机是什么状态，每一个过程是什么样的要求，以及怎么样实现这个过程？小型风力发电机理想过程有四个：一是额定转速之前要实现风能最大功率吸收，在额定转速到额定风速之间，要实现很转速的运行，这个时候为什么不求最大功率的运行？主要是考虑载荷的影响。转速上去之后，整个机组的整合都非常高，这个是根据风能的分布，在高风阶段占的比例不是很高，从整个发电量的角度来考虑，这个时候运行的成本并不是最优，我们把会它设定在额定风速之下，设立最佳功率运行阶段。

    第三个阶段额定风速以上与恒定风速之间也是很大的区间，如果额定13米到25米，小型风力发电要越来越小才可能，额定风电要做到10米以下，一般是9米、8米最好。这部分怎么运行吸收？这是小型风电面临的难题。

    有一些东西为了保护自身的安全性，它的发电量就没有办法保证。额定功率当中会出现很多的问题，大功率也不会发电，行业存在很多大家理解上的误区，有一种信息不透明的感觉。后期要保持额定功率运行的时间段，这是一个理想阶段，极限风速要保证安全停机。理想的风力发电机是这样的状态，但是要实现非常的困难。

    大家做风力发电机能够发电，但是实现的状况怎么样？首先了解小型风力发电机的工作原理，我们在风能的前后产生升力，旋转方向产生力矩，根据额定的转速会产生功率，也会产生载荷压力。讲讲功率ERCP当中大家都非常的熟悉，海拔高空气密度有关，选择的时候高海拔地区很难实现同等功率，I是面积。大家听到很多微风发电，我也看到过很多离谱的概念，你们算一下它的面积有多大，你看能不能出来功率？往往出不来。它发电效率能够达到10%，Cp（风能利用系数）达到200，所以要看风能直径是多大，扫风面积是多大，这个如果不看就不可能实现那么大的功率。 

    讲功率额定会有12米、13米，发电机组是两个概念，可以把转速提高到很多，那没有任何的意义。V是立方，为什么额定的越低速度就很高？我们要避风式的发电机，里面有一个核心的问题，11和10的立方差很大，到9就差1倍。这个V是额定风速和小型发电机微观选址非常的重要，有塔的高度，不同的高度差异会很大。还有微观选址，安装环境不定也不行，所以我们做展开讲解。

    所以大家选风力发电机，不发电的原因是什么？微观选址占一半的因素在当中，因为地面的高度会有一个空气链，地面基本上风速为0，慢慢上来的。如果20米高度是10米，10米高度可能只有8.5米。风速好像还没有怎么下降，但是功率下降的很严重只有60%，所以高度对它的影响非常重要。

    大家在选择的时候，风力发电机要有一定的高度，否则大家安装出来没有效果，塔架为了减少成本降低了，结果是没有功率。

    我们测的功率是在稳态风的前提下，但是你看风力发电机装在障碍物的附近，对它形成很大的川流，这种风对自己的凉快比较有用，但是发不了电。到一定的距离之后，才能恢复正常稳定的风速。这个发电机障碍物的附近不要去装，现在的弊端是很多要求，安装的效果肯定不好。

    V是风速，也很重要。Cp(风电利用系数)体现不同厂家的展示，大风是0.5，小型风力发电由于各种因素的影响，理论计值如果在光滑条件下，叶片在理想的状态条件下，算出来大概是0.48%，如果考虑叶片的通透性算出来是0.43-0.44，如果考虑逆变器的效率最后只有零点三几。Cp最大是0.593，如果在市场上买的发电机，计算出来的Cp是大于0.93，可以判断他是一个骗子。

    怎么实现风力发电机最大的Cp值？首先是从翼型考虑，目前小型风力发电机对翼型设计工作做的不是很多，现在采用的是航空翼型，为什么不采用新的翼型？因为翼型的气动数据本身就没有，大风电可能有，但是小风电没有，所以采用的是很多年前的。好的需要升阻比，如果阻力大全部给浪费掉，这肯定是不好的翼型。还有小型风力发电机的发电，核心本质是数比较低，叶片比较窄，它必须要具有良好低速度下的运行。小风机刚开始感觉小型风力发电机测试达到一定的功率，过一年半年功率急剧下降，这个粗糙度和敏感性很敏感，有一定的辐射后,功率马上下降，5年的回报都做不到。

    因为叶根的载荷比较大，所以需要比较粗的翼型，比如说厚度30%-40%左右的翼型，需要有专用的翼型实现相应的CP值。

    第二步要有良好的升力曲线，与攻角呈正比的关系，但是在叶片之后关系当然也是仿真的曲线，实际的曲线特性没有办法计算也不准确。所以说针对失速风力发电机提出挑战，必须要有余量才能保证可靠性和安全性。

    要保证合适攻角的前提下，实现比较大的功率输出。怎么实现呢？风力发电机的流角是固定的，能控制的是弱流角来控制攻角，我是在这个范围之内，因为这个是旋转速度，两者之间形成合成风速，也形成了弱流角。让它的旋转速度在当中，能够控制在攻角范围内，这个是风力发电机控制的本质问题。

    当然，后期跟踪的过程当中，我们也会采用电压电流的方式，本质要跟踪风速和转速。谁家越贴近这个比，谁家的跟踪效果就会越好。

    Cp变化值，大概是0.43左右。风力发电机可以设置低间速比和高间速比，这个有所不同。设计出来的叶片，一般需要进行校核，看它的压力和速度，以及三维旋转，是否有差异。要不然二维设计出来的东西，可能会比较偏离实际的工况。

    这是变桨运行的控制曲线，横坐标不停的转，在某一风速下面，力矩会逐渐的升高，到最高值之后又会下降。但是它的阶段功率点在转矩的后面，这个时候的转矩虽然小一点，但是功率比较高。变角到达额定转速之后，这个时候转速会稳定不变，让它随着风速的增加，功率会逐渐增加。当然，最佳的风力发电机控制会在H点，但是很难实现额定控制中有范围，保证它的效益和控制的稳定性。

    怎么实现这个变角要求？刚开始变角的角度是不变的，这个阶段是从9.8米到25米，这个阶段要实现横功率运行，它的功率与桨距角有很大的关系，在大部分的情况下风能不变减少攻角，能够保证它的运行。

    角度变化很大，比如说风速从9.8变成11米，但是会变化5度。后面风速变化1米，它的角度变化1度的范围，所以这是要有一定的快速性和准确性，才能保证风力发电机在理想的状态，它的准确性比较高，快速性是通过选择相应的执行机构，以及传动机构的快速性，大家要进入相应的计算。前面还有横转速的运行，需要通过电池的力矩，来把功率发电机以不同的电池载荷，实现相应横转矩运行。

    这个是变角的控制环，通过采集风力发电机的转速和转矩，计算出所需要的扭矩对风机进行控制。这是失速运行风力发电机图，在刚开始的时候都是在合理的状态，但是它变化的不同是从H之后，额定峰值之后不能变桨距只能压低转速。当转速压下来之后功率会减少，扭矩也增加一定的值。大家看这个曲线，在转速之前变化相对比较小，这个时候是失速的状态，功率随着风速的变化都是很大。

    这是实际做的同步变桨机构，大风机是独立变桨，我们同步变桨降低成本，如果同步完成没有办法实现经济性。安全停机状态，极限风速之上必须安全停机，停下来不放电载荷要小，怎么样实现？把角距变到0度，这个时候的载荷也非常小。当然有失速变角和顺角，顺角是可以把能量变的更低，所以我们尽量采用顺角的方式。

    再讲一下系统，风力发电机必须具备系统的设计提供能力。比如说应用的离网系统，我们会把风能、光能控制整合到一个系统当中去，便于用户使用，同时可靠性相对也会有所提高，发现问题的时候大家也不会扯皮。风机和控制器有比较大的关联度，如果一个好的系统达到一定的性能，你怎么实现最佳间速比的运行？你要知道叶片的性能和控制特性，要与叶片的特性相匹配。

    机组有的时候出现问题大家都相互扯皮，找出匹配不好的原因，比如说系统的效率问题。如果采用整流效率会低一点，因为会产生很大的斜坡和发热量。在电机测试的时候是主机负责，实际运行是高频斜坡在里面，而且功率因素也会很差。特别是并网阶段，有叫差模电流可能会致命，到时候会出现各种的问题和能量匹配，都不会在最佳的状态，但是这些问题你不搞设计不知道。

    这个是并网系统，通过一体机输送到电网，交流的系统也可以用在后期，还有微电网的方式，有的把EMS、DC、储能、光伏做的很复杂，小型系统这种方式出来的比较复杂，出现问题都会相互扯皮，所以我们把它做成整个系统设计成一体化，这可以实现离并网的切换，你能想到的功能把它设计到一个系统当中去，这样便于用户的使用。从2005年成立公司，一直在做电流，可以把它做到一体。

    标准，包括并网风力发电机标准，也是几家单位一起共同往前推进，这个是发明专利，我就汇报这么多，谢谢大家的聆听。

    （以上根据演讲速记整理，未经演讲人审核）