大型风力发电机组重量趋势统计分析

Analysis of Mass trend for large multi-megawatt wind turbines
代表厂家：Vestas, Repower,GE,BARD,Nordex,Gamesa,Acciona,Winwind,Siemens;Sinovel(华 锐),United Power(国电),SE(上气),DEC(东汽)； 2) 半直驱方案：传动链包括 1 级或 2 级齿轮箱+中速发电机，全部电能经变频器并入电网。 方案特点： 发电机齿轮箱直连，传动链紧凑； 齿轮箱、发电机等供应商较少，配套链不够完善； 齿轮箱速比低，效率较高，体积、重量更小，但发电机体积重量增加； 齿轮箱、发电机轴承均为中速轴承，可靠性提高； 机组运行数据较少，技术成熟度有待提高；
1 A V 3 C p P D2 2 1 Vtip cont D P M 力矩 D 3 P=
(1) (2) (3)
而风机力矩直接决定机组主要支撑结构部件的重量。即：
M 质量 D 3 M 质量 P
(4) (5)
图 4 表明了各整机厂家的实际产品的塔顶重量与叶轮直径的立方正相关。图 5 表明各整机厂家 的实际产品的塔顶重量与额定功率关系满足幂函数规律。该规律与前文表述的风力发电机组技术参 数的比例关系的规律相一致。与塔顶重量变化趋势有显著差异的机型，如 Enercon E126 和 Siemens SWT6.0，将在后文中进行探讨。
代表厂家：Multibrid,Gamesa,Vestas,SCD(明阳); 2.2 直驱方案 直驱方案：叶轮与低速发电机直连，全部电能经变频器并入电网。方案特点： 无齿轮箱，传动部件少；
பைடு நூலகம்

发电机尺寸、重量较大、效率低； 低转速、传动部件寿命增加； 调速范围宽，低负荷运行 Cp 高； 全功率变频，电网适应性好，但成本较高 永磁直驱依赖于稀土材料开发，成本不确定性较大； 发电机可靠性依赖于防腐系统设计；
3. 不同风机类型塔顶重量
尽管各个整机厂家在大型风电机组设计中采用的技术路线各不相同，摒弃各整机厂家技术核 心方向的差异等外部因素，技术路线的成熟度、核心部件设计的可实现性，风机成本、风电场建设 及运行维护成本必然成为机型开发成功与否的关键。其中，风机成本是最重要的决定因素。而机舱 及塔顶重量与风机成本直接相关[2][3]，因此有必要进一步研究不同传动链形式、发电系统与风机重 量的关系。 塔顶重量，指的是风力发电机组塔筒顶部支撑的总重量，包括机舱和叶轮（轮毂和叶片）的重 量，是风机设计的一个重要参数。风力发电机组塔顶重量与额定功率、叶轮直径正相关。根据风力 发电机组技术参数比例关系如下：
大型风力发电机组重量趋势统计分析
黎焱 张芹 华锐风电科技（集团）股份有限公司 北京 100872 摘要： 通过统计国内外主要风力发电机组技术参数和相关数据，结合风力发电机组的发电系统及传动 链形式，分析大型风力发电机组的塔顶重量的发展趋势，为 8~10mw 大型风力发电机组的开发提供 参考。 关键词：风力发电机组 传动链 塔顶重量 统计
图 4 各整机厂家风机产品塔顶重量与叶轮直径的关系
图 5 各整机厂家的塔顶重量与额定功率间的关系
图 6 不同传动链及发电系统的塔顶重量变化趋势 对于不同的传动链和发电系统方案，风机的部件、尺寸、重量和风机布置有显著差异，塔顶重 量趋势有一定差异，见图 5、图 6。为更准确分析不同机型的塔顶重量发展趋势，将依据所述的传动 链及发电系统的不同对塔顶重量发展趋势进行分析：
1)
高速齿轮箱驱动方案：
图 7 高速齿轮箱方案的塔顶重量变化趋势 函数关系： y =53.29x 2)
1.1664
(x 为额定功率，y 为塔顶重量)
混合驱动方案（半直驱） ： 考虑到 2 叶片风机与 3 叶片风机结构有较大差异，故塔顶重量趋势做分析：
图 8 混合驱动方案（半直驱）的塔顶重量变化趋势 混合驱动方案： y =24.38 x
4. 大型风电机组的技术趋势
由于风机塔顶重量（机舱、叶轮）不仅直接决定了风机的成本，且对于风机支撑系统（塔筒、 基础）的尺寸、重量以及风场建设的经济性具有重要影响[3]。为实现最优设计，降低塔顶重量，大 型风电机组可从以下方面进行研究： 1) 核心部件设计优化： 叶片设计：新材料的使用，比如高模量玻璃纤维和碳纤维等高强度材料，提高叶片承载能 力并降低叶片的重量，从而降低轮毂和主传动链的载荷和重量；新型齿轮箱，比如功率分 流等新结构形式的应用，以降低齿轮箱尺寸和重量； 2) 传动链的紧凑型设计，减少传动部件的数量和尺寸。比如高速齿轮箱驱动方案采用 1 点轴 承支撑形式、混合驱动方案齿轮箱发电机直连、直驱机型发电机前置等结构形式； 3) 新控制策略的应用，比如独立变桨技术、实时载荷控制等新技术的应用，最大程度降低叶 片和整机载荷。 后续的研究可通过进一步数据搜集，分析新技术及机型配置差异对于风机塔顶重量的影响，比 如碳纤维叶片、独立变桨技术等新技术，以及变频器、变压器的布置差异、机组大部件维护系统对 于塔顶重量的影响；若可能，对于不同传动链及发电系统相应成本的对比分析也较有意义。
图 3 风机传动、发电系统分类 2.1 含齿轮箱方案 1) 高速齿轮箱驱动方案：风轮转速经 3 级齿轮箱增速至适当转速范围，接入发电机（双馈异 步/鼠笼异步/永磁同步） ，部分或全部电能经变频器并入电网。传动链包括内置式主轴、带 主轴的两点支撑方案、带主轴的三点支撑方案以及一点轴承支撑方案等结构形式[4]。 其方案特点如下： 核心部件技术方案成熟，齿轮箱、发电机、变频器等核心部件均有广泛的供应商； 发电机极对数少、尺寸小、重量轻； 较长时间的运行经验积累； 齿轮箱需定期维护；
齿轮箱 无齿轮箱
y =53.29x1.1664
y =25x
表2
1.5382
y =39.4x1.38
8~10MW 塔顶重量预测
从图表可知： 1) 2) 3) 齿轮箱的传动链方案在 8~10MW 大型风电机组设计中具有一定的塔顶重量优势。 高速齿轮箱的常规齿轮箱驱动方案，其塔顶重量优势使其继续成为主流风机技术。 中速齿轮箱的混合驱动方案，降低了齿轮箱的速比和输出转速，从而降低齿轮箱的设计和 制造难度，提高齿轮箱的可靠性，预计也将成为 8~10MW 机组的另一主流技术。 4) 直驱方案的机组塔顶重量稍重，主要归因于电励磁直驱方案机型数据。也应看到部分永磁 直驱方案机型有着不错的塔顶重量/额定功率比值。因此若直驱方案能解决发电机尺寸重量 偏大、消磁退磁现象、发电机对于海上环境适应性、稀土受限等问题，也将成为大型风力 发电机组设计的另一种选择。
图 1 各整机厂家开发的风机额定功率
图 2 各整机厂家开发风机叶轮直径
表 1 全球整机厂家大型风力发电机组开发
2. 风机传动链及发电系统类型
目前国内外有几十家 MW 级风机整机制造商，多达 130 种不同功率机型[3]。根据全球整机厂家 公布的大型风电机组开发计划和现状，可知大型风力发电机组的传动和发电系统设计主要包括高速 齿轮箱方案、 混合驱动 （半直驱） 方案和直驱方案见表 1。 其中， Repower 5/6MW、 华锐风电 （Sinovel） 5/6MW、Bard 5/7MW 采用高速齿轮箱驱动方案，Vestas V164-7MW、Gemesa G10X-4.5MW、Multibrid M5000、SCD 6.0 等机型均采用中速齿轮箱的半直驱方案，而 Siemens SWT-6.0、Enercon E112/E126、 Nordex N150、Alstom Haliade 6MW 则采用直驱方案。按照轮毂，齿轮箱、发电机的布置形式和技 术特点，将风力发电机组分为 2 大类：
参考文献：
[1] BTM consult,”International Wind Energy Development—World Market Update 2010” [2] BTM consult,”International Wind Energy Development—World Market Update 2011” [3] Wouter Engel, Tom Obdam, Feike Savenije “current developments in wind-2009” [4] 刘作辉 姚利斌， “浅谈并网型风力发电机组主传动列的结构形式” [5] Henk Polinder,Van Der Pijl FFA “Comparison of Direct-Drive and Geared Generator Concepts for Wind Turbine” 2006 [6] Dipl. Ing. ETH Hanspeter Dinner “Trends in wind turbine drive trains” [7]http:// www.wind-energy-the-facts.org/
代表厂家： Enercon,Darwind(XEMC),Scanwind(GE),Vensys(GW),Siemens,Alstom,Nordex;Gold Wind(金风),XEMC(湘电),Envision(远景); 目前，无齿轮箱方案（直驱）机组通常比齿轮箱方案机组（双馈和混合驱动）重，这也意味着 高成本[1]。Polinder Henk 就相同功率等级机组不同传动链发电系统的发电机铜、铁原材料重量、发 电机成本、齿轮箱成本、变频器成本以及整个发电系统成本进行细致比较，结果表明双馈方案传动 链及发电系统成本低于直驱方案（电励磁和永磁） ，而机组总成本较永磁直驱方案低 6%[5]。 BTM 数据也表明占据 80%风电市场份额的齿轮箱驱动方案的机组，仍是风电市场主流技术。
1. 前言：
近年来，随着世界范围内石油、煤炭等传统资源的日益减少，为满足未来能源需求，确保能源 多样化和能源安全，世界各国均出台相应规划，大力发展可再生能源。欧盟提出 2020 年可再生能源 发电 20%的目标，预计风电装机规模将超过 7000 万千瓦；美国能源部提出 2030 年可再生能源将占 其电力需求的 20%，预计风电装机规模将达到 3.05 亿千瓦；我国近日发布的《“十二五”国家战略 性新兴产业发展规划》明确提出新能源产业发展路线图，到 2015 年，风电累计并网装机容量超过 1 亿千瓦， 至 2020 年， 风电累计并网装机容量达到 2 亿千瓦。 而根据丹麦风电咨询机构 BTM 数据显示， 2010 年全球累计装机容量达到 2 亿千瓦，增长率达到 25%，其中新增装机容量达到 3940 万千瓦，中 国新增装机容量高达 1892 万千瓦。2011 年全球累计装机容量达到 2.4 亿千万，增长率 21%，其中新 增装机容量 4171 万千瓦，中国新增装机容量 1763 万千瓦[1][2]。 随着陆地风能资源较丰富区域的逐渐开发，越来越多的风场开发商和风机制造厂家积极开发海 上风电场和海上风机。出于风机用海面积、基础、海缆、维护等成本的考虑，风机的单机容量和叶 轮直径也越来越大，见图 1，图 2。BTM 数据显示，2010 年全球海上风电新增装机容量 144 万千瓦， 相比 2009 年新增海上装机容量翻了一番，且风机平均功率 2.99MW。2011 年全球海上风电新增装机 容量 47 万千瓦，风机平均功率已达 3.7MW。 各大整机厂家也纷纷公布其大型风力发电机组开发计划，见表 1。本文将结合传动链系统，针 对风机塔顶重量展开论述。
1.47
； y =25x
1.5382
（不含 SCD 数据）
图 9 直驱方案塔顶重量变化趋势 3) 直驱方案：
直驱方案函数关系(x 为额定功率，y 为塔顶重量)： y =39.4x
1.38
根据以上函数关系，预测不同传动链发电系统方案 8~10MW 机型塔顶重量，见表 2。 传动链及发电系统方案 高速齿轮箱 混合驱动 直驱方案 函数关系 塔顶重量（ton） 8MW 603 613 696 10MW 782 864 946