從傳動鏈效率角度淺談風電場收益

孟慶順，黃銳，李璇，王全德

（金風科技股份有限公司，北京 100176）

從傳動鏈效率角度淺談風電場收益

孟慶順，黃銳，李璇，王全德

（金風科技股份有限公司，北京 100176）

風電機組從傳動鏈角度劃分為直驅型、雙饋型、混合傳動型以及異步全功率型，不同的傳動鏈型式對應不同的傳動效率。如果葉輪吸收的風能相同，那么不同的傳動鏈型式會輸出不同的功率曲線，從而影響風電場的收益。本文通過對比分析不同傳動鏈的效率，結合實際風電場的經濟評估，定量分析風電機組傳動鏈對風電場收益的影響。

直驅；雙饋；混合傳動；異步全功率；傳動效率

0 引言

對于風電機組而言，傳動鏈一般指葉輪氣動輸入以及電能輸出之間的硬件部分，主要功能包括機械能的傳遞以及機械能到電能之間的能量轉化。

對于兆瓦級風電機組而言，傳動鏈的主要區(qū)分標志之一為是否包含齒輪箱。不包含齒輪箱的傳動鏈意味著葉輪通過主軸直接同發(fā)電機連接，稱為直驅。而包含齒輪箱意味著葉輪產生的氣動扭矩通過齒輪箱傳遞到發(fā)電機，齒輪箱通過不同的傳動比使葉輪轉速和發(fā)電機轉速相匹配，風電機組所采用的齒輪箱一般為傳統(tǒng)機械式齒輪箱。

1 風電機組傳動鏈分類

1.1 雙饋感應發(fā)電機型

雙饋風電機組的傳動鏈為典型的高速齒輪箱+感應發(fā)電機+部分功率變流傳動形式，國際上多數(shù)風電整機廠商曾經生產過失速型風電機組（失速型風電機組采用了異步感應式發(fā)電機），因此這些廠家通過電控系統(tǒng)的改造可以較為容易地從失速型風電機組升級為雙饋型風電機組（比如，REpower的雙饋型1500kW機組從外觀上看即為REpower失速型750kW機組的比例放大版，如圖1所示）。

1.2 直接驅動型

直驅型風電機組的葉輪通過主軸直接同發(fā)電機組相連，發(fā)電機通過全功率變流器同電網相連。目前很多國際整機廠商（包括曾經以雙饋風電機組作為主要產品的整機廠商）開始研究直驅型風電機組，從而使直驅型風電機組的市場份額逐漸增大，如圖2所示。

國際上一直堅持直驅路線的最知名的廠商為德國的ENERCON公司，其產品在德國、法國的市場份額超過排名世界第一的VESTAS，更是占據了本國（德國）近50%的市場份額。同時，機組售價也高于雙饋風電機組。

1.3 混合傳動型

混合傳動型風電機組采用中速齒輪箱+永磁發(fā)電機+全功率變流的傳動鏈形式，混合傳動型風電機組采用中速齒輪箱。首先，通過提高發(fā)電機組的轉速大大減小了發(fā)電機的直徑；其次，齒輪箱傳動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)電機通過全功率變流接入電網，可以實現(xiàn)同直驅型風電機組相同的并網特性。所以，混合傳動型風電機組是一款綜合性能較為均衡的風電機組。

1.4 異步全功率型/雙饋型（雙模型）

西門子的海上風電機組提出了NetConverter概念并且注冊了商標，具體的傳動鏈結構形式為高速齒輪箱+異步發(fā)電機+全功率變流，如圖3（a）所示。西門子在原有的雙饋型機組進行升級滿足更高要求的并網特性，這種升級的方法是最簡單的：主要機械結構不變，僅僅增大變流器的容量（電控技術是西門子公司的強項），這同失速型風電機組升級為雙饋型風電機組有異曲同工之效（見1.1節(jié)介紹）。西門子公司目前正大力推廣NetConverter（實際上是推廣全功率變流概念），并在幾年前就預測了風電機組全功率變流的發(fā)展趨勢，如圖3（b）所示。

圖1 失速型風電機組同雙饋型風電機組結構對比

圖2 國外部分直驅風電機組產品統(tǒng)計[1]

2 傳動鏈效率分析

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)值并不能滿足風電機組的整機效率計算，主要原因為：齒輪箱的效率并不是一個固定值，它隨著負載（輸入輸出轉速、負載扭矩）的變化而變化，多數(shù)齒輪箱制造商標稱所提供的齒輪箱效率不小于97%，實際上指的是標準工況下額定功率時的機械效率，而不是全工況下（即與風電機組不同風速下的轉速轉矩對應的工況）的機械效率，整機的效率應根據全工況下的齒輪箱機械效率損耗表進行計算。

本文為了簡化計算，暫不考慮環(huán)境溫度對齒輪箱效率的影響。

齒輪箱效率計算公式如下[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——齒輪箱級數(shù)

以目前市場比較通用的1500kW齒輪箱為例，根據公式（1）計算的齒輪箱額定工況效率已經達到了97.5%以上，而根據目前國內齒輪箱廠家提供的數(shù)據包含部分廠家提供的測試數(shù)據，1500kW齒輪箱額定工況效率應為97%左右。所以，將上述公式進行修正后，齒輪箱效率如圖4（a）所示。如果風電機組傳動鏈采用混合傳動型，則齒輪箱一般比雙饋齒輪箱少一級，即級數(shù)N=2，計算齒輪箱效率對比如圖4（a）所示。

圖3 西門子NetConverter傳動鏈結構[2]以及技術路線的市場發(fā)展趨勢[3]

圖4 齒輪箱傳動效率、永磁發(fā)電機效率

圖5 變流器效率和雙饋發(fā)電機效率

上述計算結果為齒輪箱在理想工作狀況下的效率，而風電機組在實際工作中由于工況較為復雜，所以齒輪箱的實際效率難以達到理論值。

2.2 發(fā)電機

2.2.1 感應發(fā)電機

目前，應用于雙饋風電機組的變流變轉速技術已經非常成熟，采用的變流器的容量一般為風電機組系統(tǒng)容量的30%－40%左右。異步發(fā)電機在低負荷時效率較低（大約在90%以下），輸入功率超過40%額定功率時效率逐步提高，超過額定功率60%時逐步達到最高（部分廠家可達到97%以上）并可以保持近似不變。

2.2.2 永磁發(fā)電機

因為直驅機組取消了齒輪箱，發(fā)電機的額定轉速很低（低速永磁發(fā)電機），需要采用多極發(fā)電機設計實現(xiàn)大轉矩輸出。同異步發(fā)電機相比，永磁發(fā)電機在輸入功率較低時效率極高（輸出功率為額定功率10%以上時效率即可達到94%以上），隨著輸出功率的增加，發(fā)電機效率逐漸增加，通常在輸入功率達到額定功率的50%時效率達到最高（一般為96%左右），然后隨著輸出功率的增加效率逐漸降低，輸出功率達到額定時效率一般為95%左右。如果將永磁發(fā)電機（中速永磁發(fā)電機）配備到混合傳動型機組上，由于轉速的提高，發(fā)電機的效率會有進一步的提升，額定功率時的效率將和異步發(fā)電機相仿，如圖4（b）所示。

2.3 變流器

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

雙饋型風電機組所選用的變流器一般為整機額定容量的30%－40%，因此變流器的效率損耗應以整機容量的30%－40%為基礎進行計算。直驅型風電機組所選用的變流器為整機額定功率的100%，因此變流器的功率損耗大于雙饋型風電機組。

同直驅型機組相比，雙饋型機組的發(fā)電機同變流器的關系更為復雜，因此評估效率時需通過計算測試相結合的方式進行，如圖5（b）所示。

2.4 整機傳動鏈效率對比

為簡化計算，整機傳動鏈效率計算方法如下：

（1）直驅型風電機組整機傳動鏈效率=低速永磁發(fā)電機效率×全功率變流器效率；

（2）雙饋型風電機組整機傳動鏈效率=3級齒輪箱效率×（雙饋發(fā)電機+35%額定容量變流器）綜合效率；

（3）混合傳動型機組整機傳動效率=中速永磁發(fā)電機效率×2級齒輪箱效率×全功率變流器效率；

（4）異步全功率型/雙饋型整機傳動鏈效率分為兩段。

當功率輸入為額定功率35%（該數(shù)字具體視雙饋型風電機組應用的變流器額定容量而定，此處暫定為35%）以下時：

雙模型風電機組整機傳動鏈效率=3級齒輪箱效率×感應發(fā)電機效率×35%額定容量變流器效率；

當功率輸入為額定功率35%以上時：

雙模型機組整機傳動鏈效率=雙饋型機組整機效率。

按照上述計算方法計算不同傳動鏈傳動效率如圖6所示。

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

圖6 不同傳動鏈整機傳動效率對比

圖7 不同傳動鏈整機功率曲線對比（70m葉輪直徑）（右圖為局部放大）

當功率輸出為35%－60%額定功率時，直驅型機組效率最高，雙饋型機組、混合傳動型機組傳動效率相仿，因為雙模方案已經切換到雙饋工作狀態(tài)，所以傳動效率同雙饋相同。

當額定輸出大于60%額定功率時，雙饋型機組效率最高（包括雙膜方案），而直驅型機組、混合傳動型機組傳動效率逐漸低于雙饋型機組，但是由于差別較?。?%左右），并且風電機組逐漸接近額定功率，所以效率的差異對機組的發(fā)電量影響較小。

3 整機發(fā)電量對比分析

3.1 功率曲線仿真計算

為了量化不同傳動鏈傳動效率對機組發(fā)電量的影響，以目前市場裝機量最高的1500kW機組為例，采用GH Bladed軟件進行仿真計算動態(tài)功率曲線，仿真計算獲得的整機功率曲線如圖7所示，不同傳動鏈的功率曲線差異主要體現(xiàn)在小風速段：直驅最優(yōu)、雙饋最低、混合傳動型以及雙模型居中。由于篇幅有限，其余葉輪直徑功率曲線對比在此不做展示（對比結果的規(guī)律相仿）。

表1 不同葉輪直徑風電機組年發(fā)電量對比（折算到標準小時數(shù)）

3.2 機組年發(fā)電量計算

不同葉輪直徑對應不同傳動鏈形式的年發(fā)電小時數(shù)，計算結果如表1所示，以每種機型對應的典型年平均風速為例對比可知（表格中加粗數(shù)字），直驅機組發(fā)電量第一，雙模機組發(fā)電量第二，混合傳動型機組發(fā)電量第三，雙饋型機組發(fā)電量第四。

以直驅型機組的年發(fā)電量為基數(shù)進行對比可以看出隨著年平均風速的降低，不同傳動鏈發(fā)電量對比的差距越明顯，而隨著年平均風速的提高，差距越小。主要原因是：

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

（2）當風速達到額定風速時，機組的輸出受限于額定功率，不同傳動鏈形式的風電機組功率輸出相同，傳動鏈效率差異在此已經不起任何作用[4]。

4 風電場收益淺析

以一個典型的50MW裝機容量的風電場為例進行度電成本收益分析，以對比不同傳動鏈機組對風電場收益的影響。假設條件如下：

（1）直驅型風電機組單位千瓦售價為4000元；

（2）吊裝、安裝成本相同（吊裝按照20萬/臺）；

（3）塔架相同、基礎相同（塔架重量按125噸/臺，基礎成本50萬/臺）；

（4）機組排布相同；

（5）可利用率相同。

根據表1中不同葉輪直徑機組所對應的年發(fā)電量，反算不同傳動鏈結構形式整機價格，如表2所示（僅以葉輪直徑70m和93m為例）。

如表2所示，僅根據風電機組傳動鏈的傳動效率分析反算機組價格：直驅型第一，雙模型第二，混合傳動型第三，雙饋型第四。結果與前面2.4節(jié)分析的每種傳動鏈效率的排序是統(tǒng)一的。所以，風電場在進行機組選型時，如果候選機型額定容量相同、葉片相同，那么在進行功率曲線對比以及發(fā)電量核算時應參考機組的傳動鏈形式。

表2 風電場收益相同時不同傳動鏈機組價格反算對比

綜上所述，本文經評分析僅供對比參考。

5 結語

不同的傳動鏈形式傳動效率不同，本文從理論上對傳動鏈效率進行分析，并完成不同傳動鏈的全工況損耗計算，假定風電場收益相同，反算不同傳動鏈機組價格差異，最高可以達到160元/kW(對于50MW的風電場相當于在前期投資相差近800萬)。因此，對于一個風電場的整體收益而言，前期機組的選型以及對傳動鏈形式的考慮是個極其重要的因素。

[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米多風速也有好生意[J].風能, 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，主要從事永磁直驅風電機組產品研發(fā)工作。先后承擔、參與國家科研項目2項（其中新疆自治區(qū)項目1項，國家863項目1項），獲2013年度北京科學技術獎三等獎。