走自主创新的道路走自主创新的道路走自主创新的道路走自主创新的道路设计世界领先水平的风力发电机组设计世界领先水平的风力发电机组设计世界领先水平的风力发电机组设计世界领先水平的风力发电机组贾大江贾大江内内 容容 购买技术不是出路购买技术不是出路 走自主创新的道路走自主创新的道路 自主设计永磁直驱兆瓦机组自主设计永磁直驱兆瓦机组 我们对风力发电机组设计的感想我们对风力发电机组设计的感想 自主设计海上自主设计海上5MW风力发电机组风力发电机组一一二二三三四四五五我我国国风风力力发发电电机机组组的的产产量量及及兆兆瓦瓦机机组组的的装装机机量量在在国国际际上上已已达达到到领领先先水水平平。作作为为一一个个风风力力发发电电大大国国，生生产产的的兆兆瓦瓦机机组组多数是引进技术和许可证生产，与我们的地位极不相称。多数是引进技术和许可证生产，与我们的地位极不相称。越是大国企、大的上市公司越是购买技术。国家在很多场越是大国企、大的上市公司越是购买技术。国家在很多场合下提倡自主创新，这些企业一般都是拿国家或企业的科合下提倡自主创新，这些企业一般都是拿国家或企业的科研经费去购买国外技术，有人说买到的技术最好也不过是研经费去购买国外技术，有人说买到的技术最好也不过是二流的，还美其名日是二流的，还美其名日是“管理创新管理创新”，实际上是人家研究，实际上是人家研究出新机型后把淘汰的机型卖给你，赚了你的钱还看不起你，出新机型后把淘汰的机型卖给你，赚了你的钱还看不起你，还准备下次用同样的方法再赚你的钱。还准备下次用同样的方法再赚你的钱。一、购买技术不是出路一、购买技术不是出路引引进进技技术术多多数数是是相相对对落落后后的的技技术术，有有的的技技术术不不成成熟熟，是是国国内内部部件件生生产产商商解解决决了了技技术术难难点点。2007年年某某公公司司引引进进的的1.5MW机机组组技技术术，当当时时欧欧洲洲已已执执行行低低电电压压穿穿越越的的入入网网标标准准，结结果果此此机机组组根根本本不不具具备备此此技技术术。现现在在再再打打官官司司，损损失失已已经经形成。形成。而同期国内自主设计的机组都能低电压穿越，而引进的却而同期国内自主设计的机组都能低电压穿越，而引进的却不能，可能是太崇洋造成的。不能，可能是太崇洋造成的。一一个个真真正正的的设设计计者者，必必须须走走自自主主创创新新的的道道路路，这这才才是是根根本本大道，也不会有那么多专利制约。大道，也不会有那么多专利制约。没有对风力发电机组的充分了解，没有创新，没有大量的没有对风力发电机组的充分了解，没有创新，没有大量的科学试验研究，就不可能设计出一流的具有国际先进水平科学试验研究，就不可能设计出一流的具有国际先进水平的风力发电机组。的风力发电机组。走原创道路更能知道目前机组的优缺点及改进的方向。走原创道路更能知道目前机组的优缺点及改进的方向。引进机组有许多缺陷，使某个大公司走向倒闭的危险。而引进机组有许多缺陷，使某个大公司走向倒闭的危险。而且引进机组有定期报废的嫌疑，如且引进机组有定期报废的嫌疑，如G850机组的齿轮箱到机组的齿轮箱到10年必坏，根本达不到年必坏，根本达不到20年的寿命期，而且年的寿命期，而且10年后连配年后连配件都买不上。件都买不上。 风力发电机组风力发电机组“到期报废到期报废”的问题的问题IEC规定风力发电机组使用寿命为规定风力发电机组使用寿命为20年。实际中很多部件年。实际中很多部件不到不到20年就报废，这里有两种情况：一种是质量问题；一年就报废，这里有两种情况：一种是质量问题；一种是故意报废。目前双馈机组的齿轮箱两种情况都有。大种是故意报废。目前双馈机组的齿轮箱两种情况都有。大多数齿轮箱十年内必然损坏，由于末极齿轮节圆处线速度多数齿轮箱十年内必然损坏，由于末极齿轮节圆处线速度极高，润滑条件非常恶劣，对润滑要求很高，厂家把这个极高，润滑条件非常恶劣，对润滑要求很高，厂家把这个末极齿轮做为可更换件，但它的损坏往往带来齿轮箱的损末极齿轮做为可更换件，但它的损坏往往带来齿轮箱的损坏。再如有很多引进的电机，要求坏。再如有很多引进的电机，要求H绝缘绝缘F级使用，而在级使用，而在不重要的某处使用不重要的某处使用F级的材料，留一个提前报废的节点，级的材料，留一个提前报废的节点，使电机不可能有使电机不可能有20年的寿命，但在保修期内不可能损坏。年的寿命，但在保修期内不可能损坏。如上也许是促销的商业行为。如上也许是促销的商业行为。二、走自主创新的道路二、走自主创新的道路我我们们多多年年走走的的是是一一条条循循序序渐渐近近的的发发展展道道路路。我我们们从从80年年代代初初就就开开始始研研发发永永磁磁直直驱驱的的风风力力发发电电机机组组。1982年年开开发发了了6米米直直径径永永磁磁直直驱驱可可变变几几何何型型立立轴轴风风力力发发电电机机组组（水水电电部部项项目目），曾获科技部进步奖。，曾获科技部进步奖。2kW立轴永磁直驱可变几何型风力发电机组立轴永磁直驱可变几何型风力发电机组（1982年）年）从从国国家家“75”项项目目开开始始到到“十十一一五五”一一直直做做国国家家的的风风电电科科研研项项目目，开开发发了了300W、500W、1kW、2kW、5kW、10kW、20kW、50kW、100kW，直直到到近近期期开开发发了了1MW、1.5MW、2MW，这这些些机机型型都都有有一一些些国家科研经费的支持，是经过大量试验研究的基础上完成的。国家科研经费的支持，是经过大量试验研究的基础上完成的。50kW50kW机组安装于韩国江源道机组安装于韩国江源道机组安装于韩国江源道机组安装于韩国江源道（20012001年）年）年）年）2kW并网机组并网机组1995通通过过了了50kW永永磁磁直直驱驱的的并并网网离离网网两两用用的的发发电电机机组组的的鉴鉴定定，电电机机效效率率达达95%。已已经经使使用用钕钕铁铁硼硼40SH在在当当时时决决不不落落后后于于国国外外同同期期技技术术。此此机机组组当当时时就就采采用用了了电电驱驱自自动动调调向向、使使用用可可编编程程控控制制器器PLC及及相相关关软软件件控控制制，和和现现在在的的兆兆瓦瓦机机无无论论在在控控制制算算法上、结构上无多大差异。法上、结构上无多大差异。50kW永磁直驱并网或离型两用机组永磁直驱并网或离型两用机组（1995年）年）已批量出口的已批量出口的100kW永磁直驱风力发电机组永磁直驱风力发电机组由由于于上上面面所所开开发发的的永永磁磁直直驱驱机机组组其其中中有有些些大大量量出出口口到到国国外外，我我们们的的技技术术得得到到国国外外同同行行的的承承认认，我我们们也也曾曾被被国国外外机机构构邀邀请请到到他他处处搞搞合合作作设设计计和和专专题题研研究究。在在和和他他们们的的合合作作中中发发现现你你有有独独特特的的见见解解、有有试试验验和和科科研研成成果果，他他们们就就会会尊尊敬敬你你，一味的照抄就受到鄙视。一味的照抄就受到鄙视。 后后来来国国内内大大型型机机组组的的研研究究相相对对落落后后，主主要要是是整整体体政政策策环环境境和和科科研研经经费费的的短短缺缺，如如当当时时我我们们50kW机机组组的的科科研研费费当当时时只有只有20万。万。 在对外技术交往中，你如果能发现他们的软件或硬件的缺在对外技术交往中，你如果能发现他们的软件或硬件的缺陷而提出改进方案，他们就会特别尊敬你，会和你很开放陷而提出改进方案，他们就会特别尊敬你，会和你很开放的讨论问题。只有这样才能做到真正的技术交流。的讨论问题。只有这样才能做到真正的技术交流。三、自主设计永磁直驱兆瓦机组三、自主设计永磁直驱兆瓦机组你你花花钱钱买买了了别别人人的的技技术术，卖卖家家从从骨骨子子里里看看不不起起你你。我我们们为为什什么么不不能能整整合合各各种种科科研研力力量量，自自主主地地开开发发更更具具有有中中国国特特色色的的技技术术先先进进的的风风力力发发电电机机组组。从从2004年年开开始始，我我们们就就开开始始进行兆瓦级永磁直驱机组的设计和开发。进行兆瓦级永磁直驱机组的设计和开发。2006年年我我们们在在完完全全独独立立自自主主、没没有有和和任任何何国国外外机机构构合合作作的的情情况况下下完完成成了了1MW和和1.5MW永永磁磁直直驱驱风风力力发发电电机机组组的的设设计。计。2007年年完完成成样样机机制制造造。现现在在已已经经进进行行了了三三年年的的商商业业运运行行，表表现现出出优优良良的的特特性性，主主要要特特点点有有：非非常常好好的的低低风风速速发发电电特特性性，2.5m/s风风速速时时切切入入，在在8m/s风风速速时时和和同同一一风风场场安安装装的的双双馈馈机机发发电电量量多多出出100千千瓦瓦左左右右；非非常常小小的的维维护护工工作作量量和和维维护护费费用用，年年维维护护费费用用在在2万万元元以以下下，主主要要是是人人工工巡巡检检费费；经经业业主主统统计计后后测测得得年年可可利利用用率率99%；经经国国家家相相关关检检测测单单位位测测得得电电机机额额定定功功率率的的效效率率为为98%。申申报报批批准准了了70多多项项专专利利，通通过过科科学学院院科科技技查查新新，认认为为该该机机组组的的技技术术特特点点国国际际上上独独创创，综综合合技技术术达达到到国国内内领领先先、国国际际先先进进水水平平。在在同同时时期期国国内内也也有有多多个个兆兆瓦瓦风风力力发发电电机机组组开开发发成成功功，这这说说明明我我们国内技术人员完全可以自主开发风力发电机组。们国内技术人员完全可以自主开发风力发电机组。海湾风电场（海湾风电场（2009年）年）四、我们对风力发电机组四、我们对风力发电机组 的设计有以下感想：的设计有以下感想：1首先是可靠性首先是可靠性可可靠靠性性是是风风力力发发电电机机组组的的根根本本，主主要要部部件件要要在在20年年内内无无问问题题，不不失失效效，不不大大修修。年年维维护护修修理理费费用用要要小小于于机机组组残残值值1/ /20的的，只只有有这这样样才才能能保保证证机机组组的的经经济济性性。而而目目前前引引进进的的很很多多机机组组做做不不到到这这些些。要要确确实实做做到到质质量量第第一一，不不进进入入到到片片面面降降价价的的旋旋涡涡，要要在在品品质质、质质量量和和安安全全及及寿寿命命上上和和国国外外机机组竞争组竞争。 我我们们目目前前出出口口的的机机组组每每kW售售价价在在1万万元元左左右右，20kW、50kW、100kW卖卖到到欧欧美美多多个个国国家家从从末末受受到到倾倾销销官官司司，而而且且在在国国外外市市场场逐逐渐渐站站稳稳脚脚根根。价价格格上上我我们们比比他他们们略略低低一一些些，而在质量上要更好一些。而在质量上要更好一些。在在国国内内，如如果果有有金金融融产产品品帮帮助助资资本本运运转转的的话话，在在机机头头残残值值归我们的条件下，我们可以做到归我们的条件下，我们可以做到20年免费保修。年免费保修。2先进的技术水平先进的技术水平要要设设计计出出国国际际先先进进水水平平的的风风力力发发电电机机组组必必须须做做到到机机组组的的高高效效率率，风风轮轮气气动动效效率率力力求求做做到到最最佳佳CP0.5。最最佳佳工工作作速速比比要要宽宽采采取取叶叶稍稍小小翼翼、翼翼根根闭闭合合等等设设计计，减减小小展展向向流流动动CP值可达到值可达到0.5。永永磁磁直直驱驱电电机机效效率率在在额额定定点点0.98。如如果果电电机机效效率率为为0.94的的情情况况下下，电电机机提提高高2个个百百分分点点，总总效效率率提提高高一一个个百百分分点点，两两年年的的发发电电量量增增加加的的效效益益就就能能收收回回因因此此增增加加的的材材料料费费的的投投入，所以决不因价格战而降低性能。入，所以决不因价格战而降低性能。机机组组在在全全寿寿命命期期内内，不不更更换换部部件件，要要做做到到半半年年巡巡检检一一次次，寿寿命命期期内内无无大大修修，必必须须采采用用先先进进科科学学的的工工艺艺方方法法。如如我我们们采采用用特特殊殊的的分分数数槽槽，保保证证了了低低风风速速发发电电特特性性，做做到到2.5m/s的的切切入入风风速速2m/s时时起起动动。经经过过科科学学试试验验验验证证的的磁磁极极形形状状，气气隙隙大大小小，这这些些保保证证了了电电机机的的高高效效率率和和电电阻阻载载荷荷下下，功功率率因数在因数在99%以上和极小的谐波，谐波总量小于以上和极小的谐波，谐波总量小于1%。发发电电品品质质要要满满足足欧欧洲洲2006标标准准，和和电电网网友友好好可可适适时时的的调调度度有功无功。有功无功。3创新和技术进步必须有科学创新和技术进步必须有科学 试验为基础。试验为基础。产产品品要要比比别别人人先先进进，就就必必须须有有进进步步点点。但但你你必必须须用用试试验验证证明明你你的的方方法法的的确确比比原原有有的的方方法法优优越越，可可以以先先进进行行适适当当的的小小样样试试验验。如如永永磁磁直直驱驱风风力力发发电电机机和和变变流流器器的的配配合合问问题题，受受到到一一些些国国外外公公司司的的误误导导，他他们们说说必必须须用用可可控控整整流流才才能能提提高高永永磁磁电电机机的的效效率率和和功功率率因因数数，才才能能达达到到低低风风速速发发电电的的效效果果。国内有些变流器厂家也和他们一唱一和，其实是错误概念。国内有些变流器厂家也和他们一唱一和，其实是错误概念。 我我们们在在相相近近位位置置上上安安装装了了两两台台同同样样风风轮轮直直径径的的1.5MW永永磁磁直直驱驱机机组组，电电机机和和配配用用变变流流器器各各自自对对应应，其其中中一一台台是是可可控控整整流流的的进进口口变变流流器器，另另一一台台安安装装了了国国产产的的变变流流器器，是是二二级级管管不不可可控控整整流流也也没没有有斩斩波波升升压压，并并末末发发现现低低风风速速及及其其它它风风速速下下两两台台机机组组的的出出力力有有什什么么明明显显差差异异，证证明明在在这这个个问问题题上上一一些些国国外外变变流流器器厂厂家家的的说说法法是是一一个个错错误误。我我们们大大量量出出口口到到国国外外的的机机组组都都是是用用不不可可控控整整流流的的变变流流器器并并没没有有问问题题。要要区区别科学还是误导，因为有很多观点是商业利益驱使。别科学还是误导，因为有很多观点是商业利益驱使。4借鉴同行的技术借鉴同行的技术不不但但要要看看成成功功的的范范例例，更更要要看看失失败败的的案例和出问题机组的情况及原因。案例和出问题机组的情况及原因。要要清清楚楚的的研研究究国国外外风风力力发发电电机机组组的的优优点点和和缺缺点点及及性性能能指指标标的的来来源源。要要看看清清楚楚哪哪些些技技术术指指标标是是可可以以突突破破的的，哪哪些些缺缺点点怎怎么么克克服服，买买来来的的技技术术做做到到这这一一点点比比较较难难，这这需需要要做做调调研研。要要到到风风电电场场风风机机安安装装处处了了解解，去去生生产产厂厂很很难难了了解解到到机机组组的的缺缺点点，从从部部件件和和整整机机厂厂商商很难了解到实情。很难了解到实情。五、自主设计海上五、自主设计海上5MW 风力发电机组风力发电机组我我们们面面对对未未来来海海上上风风机机的的需需要要，设设计计了了5MW风风力力发发电电机机组，依然采用永磁直驱型式，内转子、防护等级组，依然采用永磁直驱型式，内转子、防护等级IP54。 技术参数技术参数额定功率额定功率5MW 切入风速切入风速2.5m/s额定风速额定风速12m/s风轮直径风轮直径126m扫掠面积扫掠面积12469叶片数叶片数3转速范围转速范围5-16rpm工作电压工作电压3300V/ /690V上网频率上网频率50Hz/ /60Hz功率转速控制功率转速控制变距及最大功率跟踪变距及最大功率跟踪电驱独立变距电驱独立变距电驱偏航减速机电驱偏航减速机8个个叶轮毂、电机壳、机舱座叶轮毂、电机壳、机舱座球墨铸铁球墨铸铁设计采用标准设计采用标准IEC61400永磁发电机基本参数永磁发电机基本参数3相相Y接接额定线电压额定线电压3300V/690V3300V/690V功率因数（电阻载荷）功率因数（电阻载荷） 0.99额定相电流额定相电流950A/ /1500A3额定转速额定转速15rpm冷却型式冷却型式自然风冷自然风冷额定效率额定效率0.98永磁材料永磁材料40UH槽数槽数495极数极数164气隙直径气隙直径5200mm叠厚叠厚1800mm防护等级防护等级IP545MW机组结构示意图机组结构示意图气流方向自然冷却示意自然冷却示意机舱布置机舱布置永磁直驱发电机永磁直驱发电机我我们们有有成成熟熟的的高高效效率率的的经经过过验验证证的的电电磁磁模模型型，使使永永磁磁电电机机的设计非常准确。的设计非常准确。由由于于电电磁磁模模型型是是原原创创的的，经经过过了了大大量量的的实实验验优优化化，保保证证了了永磁电机的优良特性和非常好的性价比。永磁电机的优良特性和非常好的性价比。1因因海海上上风风力力发发电电机机组组需需靠靠船船运运输输，费费用用高高且且受受气气候候因因素素制制约约，不不可可能能随随时时到到达达机机组组。有有齿齿轮轮箱箱型型式式的的风风力力发发电电机机组组维维护护复复杂杂费费用用高高。我我们们安安装装的的1.5MW风风力力发发电电机机组组的的风风场场位位于于海海堤堤。风风场场中中同同时时安安装装有有8台台双双馈馈机机，并并长长年年有有2人人轮轮流流值值班班维维护护，即即便便如如此此在在运运行行8个个月月后后就就开开始始漏漏油油。而而我我们们的的1.5MW永永磁磁直直驱驱风风力力发发电电机机组组采采用用远远程程监监视视，三三个个月月难难得得去去一一次次现现场场，可可见见维维护护特特性性的的差差异异比比较较大大。投投入入商商业业运运行行后后经经业业主主统统计计（2012年年），我我们们样样机机的的可可利利用用率率达达到到99.6%，远远远远比比他他们们高高，发发电电量量比比相相近近位位置置双双馈馈机机组组也也高高。为为了了保保证证风风力力发发电电机机组组正正常常运运行行，只只需需半半年年一一次次巡巡检，一年加注一次润滑酯。检，一年加注一次润滑酯。永磁直驱机组用于海上风场必然会大幅降低维护费用。永磁直驱机组用于海上风场必然会大幅降低维护费用。2采采用用特特殊殊的的分分数数槽槽技技术术。 495槽槽、164极极使使电电机机的的齿齿槽槽力力矩矩极极小小，保保证证了了永永磁磁电电机机有有极极低低的的振振动动和和噪噪声声，使使电电机机有有非非常常高高的的功功率率因因数数和和很很低低的的谐谐波波，更更保保证证了了机机组组的的低低风风速速发发电电特特性性。2.5m/s风风速速时时就就可可以以建建压压向向电电网网输输出出电电能能，提提高高年年发发电电量量，这这些些已已在在1.5MW永永磁磁直直驱驱风风力力发发电电机机组组上上经过验证。经过验证。3连连续续散散线线绕绕组组技技术术：采采用用连连续续散散线线绕绕组组，永永磁磁电电机机每每相相由由一一束束300多多根根连连续续导导线线组组成成，全全电电机机每每一一相相线线中中无无接接头头焊焊点点，保保证证了了良良好好的的工工艺艺性性和和可可靠靠性性。通通过过扭扭转转换换位位保保证证了了在在高高载载频频下下（2K）比比硬硬绕绕组组有有更更高高的的效效率率，几几乎乎没没有有集肤效应。集肤效应。 连续散绕组下线连续散绕组下线4 磁钢的固定和保护磁钢的固定和保护5采采用用NHN+玻玻纤纤环环氧氧云云母母带带+NHN的的槽槽绝绝缘缘结结构构，保保证证了了绕绕组组的的机机械械特特性性、耐耐电电晕晕特特性性、耐耐电电脉脉冲冲特特性性（已已报报发发明专利），并经验证。明专利），并经验证。6控制算法控制算法采采用用风风轮轮面面内内平平滑滑风风速速湍湍流流度度，用用迭迭代代法法求求前前方方风风速速及及速速比比，PID起起辅辅助助作作用用的的变变距距算算法法，计计算算过过程程不不发发散散，转转速速和和功功率率控控制制精精度度高高。大大风风时时风风轮轮转转速速最最高高不不超超过过额额定定转转速速的的5%。降低了机组的载荷，使其加速度值不会超过降低了机组的载荷，使其加速度值不会超过0.05G。7全部采用电调驱动方法。全部采用电调驱动方法。8机组按机组按IEC 61400的标准进行设计。的标准进行设计。9变流器和永磁电机之间有可靠的滤波器。变流器和永磁电机之间有可靠的滤波器。10 海上防护问题海上防护问题所有配件匀置于机舱内，包括偏所有配件匀置于机舱内，包括偏航采用内齿，电机和机舱的空气是经过过滤除湿，保证海航采用内齿，电机和机舱的空气是经过过滤除湿，保证海上的高腐蚀环境不会影响零件性能。电机及机舱内是无盐上的高腐蚀环境不会影响零件性能。电机及机舱内是无盐微压的环境，这些我们已经在海堤安装的机组上得到验证，微压的环境，这些我们已经在海堤安装的机组上得到验证，非常有效。非常有效。11电电能能质质量量问问题题和和电电网网配配合合问问题题符符合合欧欧洲洲最最严严格格的的标标准准：包包括括谐谐波波、闪闪变变、零零电电压压穿穿越越、有有无无功功调调度度。为为了了保保证证上上述述功功能能，采采用用PWM脉脉宽宽调调制制直直流流母母线线来来卸卸荷荷稳稳压压，卸卸荷荷电阻及系统能在额定载荷的电阻及系统能在额定载荷的130%时可靠工作时可靠工作10秒以上。秒以上。12由由于于5MW电电机机直直径径比比较较大大，高高度度方方向向的的风风剪剪切切增增加加，风风轮轮面面内内湍湍流流度度增增大大，内内陆陆使使用用并并不不太太好好。由由于于海海上上气气动动噪噪声声可可适适当当放放松松，叶叶稍稍速速度度可可适适度度提提高高，这这样样同同样样直直径径的的风风轮轮转转速速可可以以高高一一些些。由由于于海海上上风风力力发发电电机机组组的的制制造造及及组组装装应应在在便便于于水水上上运运输输的的地地方方，电电机机直直径径可可以以大大一一些些，这这就就有有利利于于散散热热，并并使使磁磁材材的的消消耗耗减减少少。5MW永永磁磁直直驱驱机机耗耗用用钕钕铁铁硼硼40UH3.2吨吨，相相比比1.5MW永永磁磁直直驱驱机机每每kW磁磁材材消耗的要少消耗的要少 。13可可以以配配用用3种种不不同同直直径径的的叶叶片片，目目前前主主要要拟拟配配用用126米直径的叶片米直径的叶片。14采采用用单单个个主主轴轴轴轴承承结结构构，5MW机机组组在在这这样样直直径径下下单单轴承的价格比较合算，同时结构上也比较好。轴承的价格比较合算，同时结构上也比较好。