风电技术的“突破口”在哪里？

内容简介
为满足大型风电机并网要求，叶片采用直升飞机浆叶设计，这个设计不但没有起到调速和稳速的作用，反而造成叶片高风载，造成并网稳定性差，造成高故障率，使 风电技术后患无穷。
关键词
风电技术 叶片 高风载 冲击电流 稳定性

风电成本高一直是影响风电产业发展{zd0}制约因素，风电成本主要取决于风电机组的成本和维护成本。降低成本、提高发电效率、增加寿命一直是风电技术所追求的 目标。叶片是风电机的“灵魂”，叶片的性能直接关系到风电机的性能，现有风电机叶片是参照直升飞机的螺旋桨设计的，属于高风速叶片，这种叶片强刚性能要求 很高，造价高昂，MW级风电机叶片非常巨大，在高风速状态产生强风载，风载的强度很惊人，造成的后果就是大幅提高塔架和机组的强度和成本，造成风电机的强 烈振动，造成机械和疲劳损坏，还容易形成冲击电流，影响并网的稳定性。所以，叶片性能是造成风电机高昂成本的主要因素，也是造成故障和高额维护费的主要因 素，我们要降低风电机成本、提高发电效率就必须改善叶片性能。
大型风电设备由于发电量大，难以存储，所以必须联网使用，近30年来全球的风电研究方向和目标几乎只有一个，就是如何解决并网这一世界性难题。电网对入网 的风电有着极其严格的技术指标，入网的风电必须能够满足电网的稳频、稳压和稳相要求。自然风是不稳定的，因此风电机所发出的电也是不稳定的。不稳定的风电 将会对电网产生巨大冲击，导致电网崩溃或设备损坏，为了满足并网的苛刻条件，设计者不得不将风电机的结构无限复杂化，以牺牲风电机的{zj0}动力学特性和{zj0} 风能区间为代价，造成风电成本翻番、风能利用系数下降30%以上。风能的间歇性，风速和风向的不确定性，最终导致风电机的不稳定性，最终换来的仍是“不受 电网欢迎”的上网资格。
现有风机的外形与古老风车相比，已面目全非，风车宽大的叶片不见了，取而代之的叶片如同直升飞机的浆叶，叶片象4点8点12点三根针，让人产生很大疑问， 能高效获得风能吗？这是风电机外形给人产生的{zd0}疑问，所有利用风力的装置都有尽可能大的受风面积，比如帆船、帆板、xxx等都有很大的受风面积，只有受 风面积大才能获得较多的风力，才能获得较大的风能。风电机是利用风能，而飞机的螺旋桨是产生风能，两个运行特性是xx相反的，为什么风电机会采用直升飞机 的浆叶呢？这都是为了满足风电机同步并网而采取的设计，正是这个不合理的设计使风电技术后患无穷。
最初是采用恒速恒频的并网技术，为了能够实现风电机转速的稳定，首先参照直升飞机的浆叶设计叶片，利用叶片的失速特性来保持转速的稳定，当风速达到一定值 时，利用叶片独特的翼形结构使叶片处于失速状态，叶片的升力减小，阻力增大，自动限制了功率的增加。叶片失速后，风速的变化对功率的输出影响不大，因为失 速后叶片升力变化不大，这样就保证了风电机功率的稳定和转速的稳定。这种方式称为为定浆距失速调节技术，定浆距是指风轮的叶片与轮毂采用刚性连接，叶片的 浆距角不变。随着风电机向兆瓦级发展，失速叶片不能满足要求，又出现了变桨距角控制技术。变桨距角控制技术就是控制桨叶沿纵轴旋转叶片，叶片和控制系统是 按直升飞机的浆叶和翼角控制装置进行设计，主要就是利用浆叶的可调控性，控制叶片的迎风攻角，控制叶轮的转速，保持功率输出的稳定，保证发电机的恒速恒 频。变桨距角控制技术可谓集高科技技术于一身，原理非常先进，既有远程电子控制，又有设备自控调节装置；既有二三维数据集程控制，又有模糊智能控制；既有 高效机械配置，又有超强材料制作。但在使用过程中，发现这种控制方式仍不能保证并网的可靠性，由于气候条件非常复杂，有狂风、暴雨、沙尘暴等恶劣天气，风 的速度和方向也是随机在不断变化，控制系统始终存在滞后性，在这种情况下要保证叶轮转速的恒定非常困难。不能保证转速的恒定，就会导致风电机自动脱网，也 就不能保证并网的稳定性，最终证明利用控制叶轮转速来实现并网的目的是失败的。随后出现了变转速联网技术，风电技术走了一段弯路，又回到了起点。
变转速恒频联网电控技术是近几年飞速发展起来的新技术，变转速技术可以让风轮随风速的变化相应改变转速的快慢，保持基本恒定的{zj0}转速比，这样可以高效的 获取阵风的能量。由于叶轮的转速可以随着风速变化，就避免了叶轮转速不可控性对并网稳定性的影响，与恒速恒频技术相比并网的稳定性可以大幅提高。但由于叶 片的高风载和控制系统的滞后性仍然存在，在大风状态下，风速和风向的突变容易使风电机产生冲击电流，仍会影响并网的稳定性。所以叶片性能存在的问题是影响 并网稳定性的罪魁祸首，而且还造成风电机成本高昂，微风发电性能低，维护费用高，故障率高，严重影响了风电产业的发展。所以叶片性能应该改、也必须改。
下面我们对叶片性能进行分析，现有叶片是按空气动力学原理设计的，如同飞机的机翼，在微风状态下，空气动力性能肯定是很弱的，就像飞机速度低没有升力一 样，这样必然造成微风发电性能差。在高风速状态下，叶片的空气动力性能不断增强，叶片性能不但不能起到稳速稳频的作用，反而成了风电机不稳定和强破坏性的 发源地，我们通过简单的量化计算就可知道它的危害程度。我们以1.5MW风电机为例进行说明，设计风速为13m/s，产生的能量为1.5MW，可转换为 152958kgf·m/s，其能量核算在叶片上的风载可达百吨。若12级台风的平均风速为34m/s，而风的能量与风速的关系是三次方的关系，那么在台 风状态下叶片产生的风载将达千吨以上，这个数值是相当惊人的。我们知道风电机的控制系统有卸载功能，但任何控制系统都存在滞后性，不可能对叶片及时xx卸 载，这样大的风载形成的冲击力是任何机械装置都无法承受的，我们设计制造的变速装置很大，强度也非常高，但仍不能避免这种冲击力对变速装置的损坏。为了避 免变速装置的损坏，风电机又向直驱方向发展，直驱方式省掉了变速装置，但造成发电机转子转速降低，我们知道发电机的发电量是由线圈切割磁力线的速度决定 的，发电机转子转速的降低也就意味着发电效率的降低，人们又一次以牺牲发电效率为代价来解决叶片设计不合理所造成的后果。这种治标不治本的方式肯定是达不 到效果的，这样做只是改变了故障发生的部位，并不能避免强风载带来的破坏。强风载也是造成沿海风电机不稳定、安全性无法保障的最根本原因。也是造成沿海风 电机被台风损毁的主要原因。叶片强风载还会造成风电机强烈振动，这对风电机的破坏也是很强的，往往造成疲劳损坏和高故障率。
控制系统的滞后性也是造成不稳定和破坏性的主要因素，现有风电机的控制装置主要有偏航装置和变浆矩装置，我们知道自然界的风向和风速都是随时随机变化的， 我们的调节装置虽然可以根据风向和风速调整，但在速度上始终是滞后的，并不能xx满足风电机平稳发电的需要。比如在自然界中风向呈90°变化是经常发生 的，偏航装置和变浆矩装置的响应速度若是1°/秒，90°就需要90秒的调整时间，在这么长的调整过程中，风轮叶片所受的风力角是xx不同的，也就是叶片 所受的风力是变化的，必然造成风轮转速的不稳定，从而影响到风电机输出功率的稳定，严重时就会造成风电机解网，造成电网的不稳定。这种调节的滞后性在强风 暴的气候条件下，往往会造成严重的后果，在高风速情况下叶片处于顺浆位置，若风向发生90°变化，就会使叶片xx处于大面积受风的状态，使叶片受力突然增 大，叶片受到的强大风载就会通过传动轴对变速装置造成巨大的冲击，巨大的风载也会对偏航装置造成冲击，造成变速装置和偏航装置的损坏，叶片也有可能被折损 坏。所以控制系统的滞后性将影响控制效果，风电机庞大，控制过程就成了问题发生过程。
从理论上讲进口风电机组的运行风速达50~60m/s，12级飓风的风速平均是34m/s，也就是说风电机组可以在任何狂风暴雨中运行，强度还有富余。但 事实却是残酷的，2003年13号台风“杜鹃”，2006年1号台风“珍珠”和8号台风“桑美”分别造成了广东汕尾红海湾风电场，南澳风电场和浙江苍南鹤 顶山风电场的风机严重损毁，这说明风电机控制系统还有很大缺陷。国外有几十年生产经验，很有实力的公司，都在风电机产品上出现过这样那样的问题。世界{zd0} 的风力发电机组制造商NEG Micon就是因为齿轮箱问题，他为所生产的风力发电机组都换了一次齿轮箱，这家世界{zd0}的风力发电机制造商破产了，这在其它产业是不可能发生的。目前我 国风电整机制造企业已近８０多家，质量问题频发，国产风电机故障率更高也就不足为奇。这些都充分说明现有叶片的高风载特性和控制系统滞后性给风电产业带来 的危害性。
我们利用数据进一步说明改进叶片性能的必要性，我们对运行数据进行分析，当风速小于6m/s时，风能利用系数小，空气动力性能弱，当风速在8m/s左右 时，风能利用系数变大，说明叶片的空气动力性能已发挥作用，当风速大于10m/s以上时，风能利用系数不断减小，也就是叶片的变桨距装置开始动作，随着风 速的增高，变桨距在不断减小叶片的空气动力性能。根据以上分析就可以得出这样的结论：在低风速时，叶片的空气动力性能作用不大，在高风速时，我们又限制空 气动力性能的作用，从运行数据还可以看出，当风速大于10m/s时变桨距装置就开始减小叶片的空气动力性能，一般风电机的设计风速是13m/s，也就是说 叶片是通过变桨距装置限制过载，但是我们知道控制系统始终是滞后的，并不能及时限制过载，这样就造成在高风速状态下过载随时都可能发生，造成风电机不稳 定，造成并网稳定性差。也就是说我们精心设计的具有优良空气动力性能的叶片，实际上并没有发挥太大的作用，而且叶片的高风载特性和控制系统滞后性造成风电 机不稳定，因此，现有叶片的性能是弊大于利。从运行数据还可以看岀，在陆地风速较低（3~8m/s）的情况下，风能利用系数小，风电机的发电效率很低，而 这个风速是时间最长，最有开发价值的风速，也就是说我们花高额成本设计制造的风电机叶片，在大部份时间并没有发挥应有的效能，而且造成微风发电性能差。
从以上的分析，我们可以清楚的认识到现有叶片的风载特性还不符合风电机的要求。在低风速情况下，微风发电性能低。在中高风速情况下，轻则造成电网的不稳 定，重则造成风电机的机械损坏或电控装置损坏。风电技术经过几十年的发展，并附加了大量的高科技元素，来不断提高强度，完善控制系统，但最终换来的仍是发 电效率低，故障率高，并网难，安全性无法保证。这些问题都缘于叶片的性能不合理，也使风电产业成了高投入，低产出，高风险，低收益的产业，也是风电产业几 十年发展滞缓的主要原因。只有改变叶片这种不合理设计，才能使风电产业得到健康快速发展。