張為民:電動變槳小型風力發電機組

2023年10月16日-19日，2023北京國際風能大會暨展覽會（CWP2023）在北京如約召開。作為全球風電行業年度最大的盛會之一，這場由百余名演講嘉賓和數千名國內外參會代表共同參與的風能盛會，再次登陸北京，聚焦中國能源革命的未來。

本屆大會以“構筑全球穩定供應鏈 共建能源轉型新未來”為主題，將歷時四天，包括開幕式、主旨發言、高峰對話、創新劇場以及關于“全球風電產業布局及供應鏈安全”“雙碳時代下的風電技術發展前景”“國際風電市場發展動態及投資機會”“風電機組可靠性論壇”等不同主題的21個分論壇。

10月17日下午，在“2023中小型風能設備行業發展交流會”論壇上,合肥為民電源有限公司總經理張為民發表了題目為《電動變槳小型風力發電機組》的主旨演講。  

以下為演講全文：

各位領導、各位同仁，大家下午好！很高興在一年一度的小型風能年會中和大家見面，今天給大家匯報的題目是《電動變槳小型風力發電機組》，相對偏技術一點，剛剛同仁們介紹的市場已經給大家提供了非常豐富的信息，首先講小型發電系統大家都非常的熟悉，如果從11米說依照目前的技術水平，能夠設計的功率也就是50千瓦。再往上走就不太靠譜了，我們做的是變角小型風力發電機，風力發電剛開始希望能源越多越好，但是有的時候是破壞性的因素。

怎么樣減少風能的吸收？風不好控制。只能通過變角的方式減少能量的吸收，怎么樣的變角方式？機械變角和電動主動變角，目前在大風機中間普遍的應用，我們采用電動變角技術有一定簡化優化的方式引入進來。

我講幾個部分，先介紹技術之前，首先要知道理想的小型風力發電機是什么狀態，每一個過程是什么樣的要求，以及怎么樣實現這個過程？小型風力發電機理想過程有四個：一是額定轉速之前要實現風能最大功率吸收，在額定轉速到額定風速之間，要實現很轉速的運行，這個時候為什么不求最大功率的運行？主要是考慮載荷的影響。轉速上去之后，整個機組的整合都非常高，這個是根據風能的分布，在高風階段占的比例不是很高，從整個發電量的角度來考慮，這個時候運行的成本并不是最優，我們把會它設定在額定風速之下，設立最佳功率運行階段。

第三個階段額定風速以上與恒定風速之間也是很大的區間，如果額定13米到25米，小型風力發電要越來越小才可能，額定風電要做到10米以下，一般是9米、8米最好。這部分怎么運行吸收？這是小型風電面臨的難題。

有一些東西為了保護自身的安全性，它的發電量就沒有辦法保證。額定功率當中會出現很多的問題，大功率也不會發電，行業存在很多大家理解上的誤區，有一種信息不透明的感覺。后期要保持額定功率運行的時間段，這是一個理想階段，極限風速要保證安全停機。理想的風力發電機是這樣的狀態，但是要實現非常的困難。

大家做風力發電機能夠發電，但是實現的狀況怎么樣？首先了解小型風力發電機的工作原理，我們在風能的前后產生升力，旋轉方向產生力矩，根據額定的轉速會產生功率，也會產生載荷壓力。講講功率ERCP當中大家都非常的熟悉，海拔高空氣密度有關，選擇的時候高海拔地區很難實現同等功率，I是面積。大家聽到很多微風發電，我也看到過很多離譜的概念，你們算一下它的面積有多大，你看能不能出來功率？往往出不來。它發電效率能夠達到10%，Cp（風能利用系數）達到200，所以要看風能直徑是多大，掃風面積是多大，這個如果不看就不可能實現那么大的功率。

講功率額定會有12米、13米，發電機組是兩個概念，可以把轉速提高到很多，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？我們要避風式的發電機，里面有一個核心的問題，11和10的立方差很大，到9就差1倍。這個V是額定風速和小型發電機微觀選址非常的重要，有塔的高度，不同的高度差異會很大。還有微觀選址，安裝環境不定也不行，所以我們做展開講解。

所以大家選風力發電機，不發電的原因是什么？微觀選址占一半的因素在當中，因為地面的高度會有一個空氣鏈，地面基本上風速為0，慢慢上來的。如果20米高度是10米，10米高度可能只有8.5米。風速好像還沒有怎么下降，但是功率下降的很嚴重只有60%，所以高度對它的影響非常重要。

大家在選擇的時候，風力發電機要有一定的高度，否則大家安裝出來沒有效果，塔架為了減少成本降低了，結果是沒有功率。

我們測的功率是在穩態風的前提下，但是你看風力發電機裝在障礙物的附近，對它形成很大的川流，這種風對自己的涼快比較有用，但是發不了電。到一定的距離之后，才能恢復正常穩定的風速。這個發電機障礙物的附近不要去裝，現在的弊端是很多要求，安裝的效果肯定不好。

V是風速，也很重要。Cp(風電利用系數)體現不同廠家的展示，大風是0.5，小型風力發電由于各種因素的影響，理論計值如果在光滑條件下，葉片在理想的狀態條件下，算出來大概是0.48%，如果考慮葉片的通透性算出來是0.43-0.44，如果考慮逆變器的效率最后只有零點三幾。Cp最大是0.593，如果在市場上買的發電機，計算出來的Cp是大于0.93，可以判斷他是一個騙子。

怎么實現風力發電機最大的Cp值？首先是從翼型考慮，目前小型風力發電機對翼型設計工作做的不是很多，現在采用的是航空翼型，為什么不采用新的翼型？因為翼型的氣動數據本身就沒有，大風電可能有，但是小風電沒有，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掉，這肯定是不好的翼型。還有小型風力發電機的發電，核心本質是數比較低，葉片比較窄，它必須要具有良好低速度下的運行。小風機剛開始感覺小型風力發電機測試達到一定的功率，過一年半年功率急劇下降，這個粗糙度和敏感性很敏感，有一定的輻射后,功率馬上下降，5年的回報都做不到。

因為葉根的載荷比較大，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現相應的CP值。

第二步要有良好的升力曲線，與攻角呈正比的關系，但是在葉片之后關系當然也是仿真的曲線，實際的曲線特性沒有辦法計算也不準確。所以說針對失速風力發電機提出挑戰，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，實現比較大的功率輸出。怎么實現呢？風力發電機的流角是固定的，能控制的是弱流角來控制攻角，我是在這個范圍之內，因為這個是旋轉速度，兩者之間形成合成風速，也形成了弱流角。讓它的旋轉速度在當中，能夠控制在攻角范圍內，這個是風力發電機控制的本質問題。

當然，后期跟蹤的過程當中，我們也會采用電壓電流的方式，本質要跟蹤風速和轉速。誰家越貼近這個比，誰家的跟蹤效果就會越好。

Cp變化值，大概是0.43左右。風力發電機可以設置低間速比和高間速比，這個有所不同。設計出來的葉片，一般需要進行校核，看它的壓力和速度，以及三維旋轉，是否有差異。要不然二維設計出來的東西，可能會比較偏離實際的工況。

這是變槳運行的控制曲線，橫坐標不停的轉，在某一風速下面，力矩會逐漸的升高，到最高值之后又會下降。但是它的階段功率點在轉矩的后面，這個時候的轉矩雖然小一點，但是功率比較高。變角到達額定轉速之后，這個時候轉速會穩定不變，讓它隨著風速的增加，功率會逐漸增加。當然，最佳的風力發電機控制會在H點，但是很難實現額定控制中有范圍，保證它的效益和控制的穩定性。

怎么實現這個變角要求？剛開始變角的角度是不變的，這個階段是從9.8米到25米，這個階段要實現橫功率運行，它的功率與槳距角有很大的關系，在大部分的情況下風能不變減少攻角，能夠保證它的運行。

角度變化很大，比如說風速從9.8變成11米，但是會變化5度。后面風速變化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確性，才能保證風力發電機在理想的狀態，它的準確性比較高，快速性是通過選擇相應的執行機構，以及傳動機構的快速性，大家要進入相應的計算。前面還有橫轉速的運行，需要通過電池的力矩，來把功率發電機以不同的電池載荷，實現相應橫轉矩運行。

這個是變角的控制環，通過采集風力發電機的轉速和轉矩，計算出所需要的扭矩對風機進行控制。這是失速運行風力發電機圖，在剛開始的時候都是在合理的狀態，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速。當轉速壓下來之后功率會減少，扭矩也增加一定的值。大家看這個曲線，在轉速之前變化相對比較小，這個時候是失速的狀態，功率隨著風速的變化都是很大。

這是實際做的同步變槳機構，大風機是獨立變槳，我們同步變槳降低成本，如果同步完成沒有辦法實現經濟性。安全停機狀態，極限風速之上必須安全停機，停下來不放電載荷要小，怎么樣實現？把角距變到0度，這個時候的載荷也非常小。當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，風力發電機必須具備系統的設計提供能力。比如說應用的離網系統，我們會把風能、光能控制整合到一個系統當中去，便于用戶使用，同時可靠性相對也會有所提高，發現問題的時候大家也不會扯皮。風機和控制器有比較大的關聯度，如果一個好的系統達到一定的性能，你怎么實現最佳間速比的運行？你要知道葉片的性能和控制特性，要與葉片的特性相匹配。

機組有的時候出現問題大家都相互扯皮，找出匹配不好的原因，比如說系統的效率問題。如果采用整流效率會低一點，因為會產生很大的斜坡和發熱量。在電機測試的時候是主機負責，實際運行是高頻斜坡在里面，而且功率因素也會很差。特別是并網階段，有叫差模電流可能會致命，到時候會出現各種的問題和能量匹配，都不會在最佳的狀態，但是這些問題你不搞設計不知道。

這個是并網系統，通過一體機輸送到電網，交流的系統也可以用在后期，還有微電網的方式，有的把EMS、DC、儲能、光伏做的很復雜，小型系統這種方式出來的比較復雜，出現問題都會相互扯皮，所以我們把它做成整個系統設計成一體化，這可以實現離并網的切換，你能想到的功能把它設計到一個系統當中去，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。

標準，包括并網風力發電機標準，也是幾家單位一起共同往前推進，這個是發明專利，我就匯報這么多，謝謝大家的聆聽。

（以上根據演講速記整理，未經演講人審核）