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(yè)年度最大的盛會之一，這場由百余名演講嘉賓和數(shù)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(wěn)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(fā)言、高峰對話、創(chuàng)新劇場以及關于“全球風電產業(yè)布局及供應鏈安全”“雙碳時代下的風電技術發(fā)展前景”“國際風電市場發(fā)展動態(tài)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(yè)發(fā)展交流會”論壇上,合肥為民電源有限公司總經理張為民發(fā)表了題目為《電動變槳小型風力發(fā)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(fā)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(fā)電系統(tǒng)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(fā)電機，風力發(fā)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(yōu)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(fā)電機是什么狀態(tài)，每一個過程是什么樣的要求，以及怎么樣實現(xiàn)這個過程？小型風力發(fā)電機理想過程有四個：一是額定轉速之前要實現(xiàn)風能最大功率吸收，在額定轉速到額定風速之間，要實現(xiàn)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(jù)風能的分布，在高風階段占的比例不是很高，從整個發(fā)電量的角度來考慮，這個時候運行的成本并不是最優(yōu)，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(qū)間，如果額定13米到25米，小型風力發(fā)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(fā)電量就沒有辦法保證。額定功率當中會出現(xiàn)很多的問題，大功率也不會發(fā)電，行業(yè)存在很多大家理解上的誤區(qū)，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(fā)電機是這樣的狀態(tài)，但是要實現(xiàn)非常的困難。

大家做風力發(fā)電機能夠發(fā)電，但是實現(xiàn)的狀況怎么樣？首先了解小型風力發(fā)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(jù)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(qū)很難實現(xiàn)同等功率，I是面積。大家聽到很多微風發(fā)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(fā)電效率能夠達到10%，Cp（風能利用系數(shù)）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(xiàn)那么大的功率。

講功率額定會有12米、13米，發(fā)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(fā)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(fā)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(huán)境不定也不行，所以我們做展開講解。

所以大家選風力發(fā)電機，不發(fā)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(fā)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(wěn)態(tài)風的前提下，但是你看風力發(fā)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(fā)不了電。到一定的距離之后，才能恢復正常穩(wěn)定的風速。這個發(fā)電機障礙物的附近不要去裝，現(xiàn)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(shù))體現(xiàn)不同廠家的展示，大風是0.5，小型風力發(fā)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(tài)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(fā)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(xiàn)風力發(fā)電機最大的Cp值？首先是從翼型考慮，目前小型風力發(fā)電機對翼型設計工作做的不是很多，現(xiàn)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(shù)據(jù)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(fā)電機的發(fā)電，核心本質是數(shù)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(fā)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(xiàn)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(fā)電機提出挑戰(zhàn)，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(xiàn)比較大的功率輸出。怎么實現(xiàn)呢？風力發(fā)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(fā)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(fā)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(wěn)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(fā)電機控制會在H點，但是很難實現(xiàn)額定控制中有范圍，保證它的效益和控制的穩(wěn)定性。

怎么實現(xiàn)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(xiàn)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(fā)電機在理想的狀態(tài)，它的準確性比較高，快速性是通過選擇相應的執(zhí)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(fā)電機以不同的電池載荷，實現(xiàn)相應橫轉矩運行。

這個是變角的控制環(huán)，通過采集風力發(fā)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(fā)電機圖，在剛開始的時候都是在合理的狀態(tài)，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(tài)，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(xiàn)經濟性。安全停機狀態(tài)，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(xiàn)？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(tǒng)，風力發(fā)電機必須具備系統(tǒng)的設計提供能力。比如說應用的離網(wǎng)系統(tǒng)，我們會把風能、光能控制整合到一個系統(tǒng)當中去，便于用戶使用，同時可靠性相對也會有所提高，發(fā)現(xiàn)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(lián)度，如果一個好的系統(tǒng)達到一定的性能，你怎么實現(xiàn)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(xiàn)問題大家都相互扯皮，找出匹配不好的原因，比如說系統(tǒng)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(fā)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(wǎng)階段，有叫差模電流可能會致命，到時候會出現(xiàn)各種的問題和能量匹配，都不會在最佳的狀態(tài)，但是這些問題你不搞設計不知道。

這個是并網(wǎng)系統(tǒng)，通過一體機輸送到電網(wǎng)，交流的系統(tǒng)也可以用在后期，還有微電網(wǎng)的方式，有的把EMS、DC、儲能、光伏做的很復雜，小型系統(tǒng)這種方式出來的比較復雜，出現(xiàn)問題都會相互扯皮，所以我們把它做成整個系統(tǒng)設計成一體化，這可以實現(xiàn)離并網(wǎng)的切換，你能想到的功能把它設計到一個系統(tǒng)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(wǎng)風力發(fā)電機標準，也是幾家單位一起共同往前推進，這個是發(fā)明專利，我就匯報這么多，謝謝大家的聆聽。

（以上根據(jù)演講速記整理，未經演講人審核）