王潞钢
wlgcocktail@gmail.com
摘要：本文深入定量分析比较了叶片、齿轮箱、发电机、变频器等风机各核心部件的发电效率，引入并详细分析了一种新型风机——鸡尾酒风机。通过定量分析双馈和直驱风机，首次指出：相对于双馈风机，直驱风机发电量的提高主要是因为叶片运行效率的提高，而不是传动链效率的提高；相对于传统的双馈和直驱等变速风机，鸡尾酒风机具有发电效率高（发电量高）、超低风速发电（77m叶轮1.9m/s发电5.2KW）、冗余安全性高（设备可利用率高）、疲劳载荷低等新特性。
关键词：新能源；双馈风机；直驱风机；鸡尾酒风机；效率；可靠性
0 引言
风力发电以无污染、占地少、投资灵活、发电成本低、能量回报周期短而成为21世纪最有前景的可再生新能源。风力发电在欧洲、北美洲、亚洲等地区发展极为迅猛[1]，以现有的发展速度推测，中国有望在未来3年内发展成为全球最大的风力发电市场。
图1 风机容量发展历程
现有的风力发电机组技术按照发电机转速可调与否，分为两大类：定速和变速技术方案。 1、定速技术方案，多用于千瓦级风电机组。
定速技术方案的风力发电机组主要包括：叶片、轮毂、齿轮箱和异步发电机。其中异步发电机可采用变极对数形式的双速异步发电机，以拓宽一些转速范围。
由于没有调速装置变频器，采用定速技术方案的风力发电机组，其发电机转速变化范围较小，低风速时风能利用系数较低。
2、变速技术方案，多用于兆瓦级风电机组。
相对于定速风力发电机组，低风速时风能利用系数有不同程度的提高。采用变速技术的主流技术方案主要包括两种：
双馈型技术方案，主要包括：叶片、轮毂、齿轮箱、双馈发电机和部分功率的变频器。
直驱型技术方案，主要包括：叶片、轮毂、低速同步发电机和全功率变频器，去除了齿轮箱。直驱风机主要由两家公司生产，老牌的德国Enercon和新兴的中国金风，二者的主要差别在低速同步发电机上，Enercon采用电励磁，而金风采用永磁。
本文提出了一种新型的风机——鸡尾酒风机，并定量分析比较了双馈、永磁直驱和鸡尾酒三种风机的发电效率。总体而言，鸡尾酒风机的发电效率最高，永磁直驱风机其次，双馈风机再其次，定速风机最低。
由于鸡尾酒风机转速范围更宽，及传动链更高效，因此其具有最高的发电量。此外鸡尾酒风机的发电机和变频器等核心部件还具有冗余安全性，提高了风机设备可利用率。
1 一种新型风机——鸡尾酒风机
本文提出一种新型结构风机，其以提高发电量、安全性等为目标，在主传动链中混合应用两种及以上不同类型、不同容量、不同同步转速的发电机，及与之匹配的变频器。由于混合了不同类型的发电机，所以形象地称为鸡尾酒风机。
图2 一种典型鸡尾酒风机结构
本文采用如图2所示的配置来实现一种鸡尾酒风机，双馈发电机为大功率高同步转速，异步鼠笼发电机为小功率低同步转速。两个发电机分别连接对应的变频器。为降低造价，两个发电机可以做到同一个机壳中。小发电机也可以采用同步发电机。
鸡尾酒风机可以有多种运行工况，其中一种运行工况为：随着风速的增加，先是小发电机工作；其次是双馈发电机工作，最后是两个发电机一起工作。
2 风机发电效率总论
本文只讨论不同风机结构发电效率的差别。
风机核心部件包括四样：叶片、齿轮箱、发电机、变频器。对于没有齿轮箱的直驱风机，核心部件只剩有三样。
高于额定风速时，风机主要通过变桨（有时辅以变速）来限制功率，此时不关心各核心部件效率，本文的分
析只限定于额定风速以下，即从切入风速到额定风速的风速范围内。
在相同的风机功率、额定转速、叶片长度和接近相同的叶片翼型下，提高发电量最终取决于提高风机的四大核心部件效率，即：
1、叶片工作于高效。额定风速以下，叶片尽量运行于效率最高点。即叶片始终运行在CPmax处。叶片的效率用CP来表示，CP的最大值是CPmax。
2、传动链工作于高效。额定风速以下，传动链（含齿轮箱、发电机、变频器）的效率尽量高。
叶片的效率比较低，CPmax大多在0.5以下，传动链额定效率都比较高，都在90%以上。所以整体而言，提高叶片的运行效率，对风机的发电量贡献最大。
但传动链的选择也至关重要，首先，不同的传动链决定风机的转速比，转速比影响风机的转速范围，从而不同风速时叶片工作于不同的CP；其次，不同的传动链确实效率不一样。
以下分析假设：相同的风机功率、额定转速、叶片长度和接近相同的叶片翼型，双馈风机和直驱风机的分析数值大多参照Nordex和金风实际值：风机功率1500KW，叶轮直径77m；双馈风机发电机转速范围1100-1800rpm；永磁直驱风机发电机转速范围9-17.3rpm；鸡尾酒风机的双馈发电机取1200KW，鸡尾酒风机的小发电机取350KW。鸡尾酒风机的一种运行工况为：风速低于6.6m/s时，小发电机工作；当功率超过小发电机时，双馈发电机工作（小发电机停止工作）；当功率超过1200KW时，两个发电机一起工作。
2.1 叶片运行效率分析
叶片效率有两重含义：
第一重含义是通过合理的叶型、材料设计等，使叶片的效率（或度电成本）最佳，这是叶片的设计效率； 第二重含义是通过风机的传动链（机型）的选择及合理控制，使叶片在尽可能多的风速范围内运行于高效，这是叶片的运行效率。
本文不讨论如何设计叶片，只讨论如何通过选择传动链和合理控制来提高第二重含义的叶片运行效率。 叶片的数学模型[4]：
P= CP*0.5*ρ*A*V3 （1）
其中，P是叶片的机械功率，CP是功率系数，即叶片效率，ρ是空气密度，A是叶片扫风面积，当叶片长度固定时扫风面积基本固定，V是风速。
由式（1）可知，当叶片长度固定时，提高叶片的发电量P完全取决于提高CP。
额定风速以下时，桨角基本不变，CP此时是叶尖速比的函数，典型CP(λ)曲线如图3所示。其中λ是叶尖速比，等于叶尖速度和风速的比值。
λ=R*ω/v (2)
叶片CP0.50.450.40.350.3叶片CP0.250.20.150.10.05023456789101112叶尖速比图3 典型CP(λ)曲线
图3是一个典型的叶片CP曲线。当λ等于一个最佳值λopt时（图中λopt=7.5），CP(7.5)=CPmax（图中CPmax=0.45）。
为使叶片始终运行效率最高（即保持CP=CPmax恒定最大），必须保持λ=λopt恒定。
举例而言，假设切入风速3m/s，额定风速12m/s。当风速变化从3m/s到12m/s，叶片转速需从4rpm 变化到16rpm（16/4=12/3）。这样才能全程保持λ=λopt恒定。因此，转速范围必须足够宽，叶片转速比（最高转速/最低转速）须达到4(=16/4)，才能保证叶片始终运行于CPmax（保持最佳发电量）。
大多数变速风机很难保证如此宽的转速比。风机叶片转速比等于发电机转速比，风机叶片转速比由发电机类型及其变频器决定，而不是由叶片决定。
不同类型风机的发电机转速比如表1所示。
表1 不同类型风机转速比
从表明显的看风机的转到低依次
第一用永磁同的直驱风机。
第二梯队：采用双馈发电机的双馈风机。 第三梯队：几乎不可调速的定速风机。
风机类型
厂家
机型
直径M
功率MW
发电机 最低转速Rpm
发电机 最大转速 rpm
1中可以
风机 转速比
出，传统速比由高为： 梯队：采
定速 1 双馈 Nordex S70 70 1.5 1100 2000 1.82 直驱(永磁)
金风
GW70
70
1.5
9.0
19.0
2.11
鸡尾酒 >4 步发电机
在相同的风机功率、额定转速、叶片长度和接近相同的叶片翼型下，风机的转速比越大，叶片运行于CPmax（保持最佳发电量）的风速段越宽，额定风速下（小功率时）叶片CP运行曲线如图4所示
对于鸡尾酒风机，小发电机可工作于0-1800rpm（实际运行中根据最小发电量来确定最低转速），双馈发电机工作于1100-1800rpm，因此其转速比足够大（>4），可以满足额定风速下，叶片始终运行于CPmax（保持最佳发电量）。
叶片CP0.45 0.40.35叶片CP0.30.250.20.15双馈风机直驱风机鸡尾酒风机345678风速(m/s)91011120.1 2
图4 双馈、直驱(永磁)、鸡尾酒风机的叶片CP运行曲线
在相同的风机功率、额定转速、叶片长度和接近相同的叶片翼型下，风机转速比决定了转速范围，从而决定了叶片运行效率，鸡尾酒风机的叶片运行效率最高，直驱风机其次，双馈风机再其次，定速风机最低。再次强调，风机的转速比由发电机类型及其变频器决定，而不由叶片决定。
2.2 传动链效率分析
额定效率每提高一个百分点都是很不容易的事情。当部件工作于额定点（额定功率）时，效率大多接近最高效，输入功率越低，效率也越低。
对于典型的MW级直驱和双馈风机而言，额定效率数据（综合各核心部件厂家数据）如表2所示：
表2 不同类型风机的额定效率
核心部件 齿轮箱
直驱风机
额定效率
双馈风机
96-97%
鸡尾酒风机
97% 96-97%
说明：双馈和鼠笼发电机都在这个范围，鼠笼发电机效率略低于双馈发电机。
变频器 97% 97%，可忽略
说明：双馈变频器流过的能量不超过全部能量的20%。因此变频器损耗基本可忽略。
传动链整体效率 91-92% 93-94%
92-93% 97%
说明：适用于双馈和鼠笼发
电机的变频器。
无 97% 发电机 94-95% 从表2中可以明显的看出，传统风机的传动链整体额定效率由高到低依次为： 第一梯队：双馈风机。 第二梯队：鸡尾酒风机。 第三梯队：直驱风机。
通常人们认为，相对于双馈风机，直驱的发电量增加是因为没有齿轮箱损耗。与人们通常的说法并不相同，无齿轮箱后必须配置的低速同步发电机和全功率变频器的损耗都增加了，抵消了没有齿轮箱损耗带来的好处，直驱风机传动链在额定点的效率小于双馈风机。直驱风机的转速比高于双馈风机，在更宽广的风速范围内可以追踪
Cpmax，获取更多发电量，才是直驱发电效率高的主要原因。
额定风速下，非额定功率的传动链效率曲线如图5、6和7所示。
齿轮箱效率10.950.90.85 齿轮箱效率0.80.750.70.650.60.550.5 23456双馈风机鸡尾酒风机78风速(m/s)9101112
图5 双馈和鸡尾酒风机的齿轮箱效率曲线
图5表明双馈风机和鸡尾酒风机的齿轮箱效率[5]。
虽然二者所用齿轮箱的额定效率是一样的，但在小风速（即小功率）时，鸡尾酒风机齿轮箱的运行效率远远高于双馈风机齿轮箱。这是由于齿轮箱损耗是转速的正相关函数，双馈风机齿轮箱的转速在小功率时保持定速（恒定于1100rpm）而不能降下来，所以齿轮箱损耗较高，从而影响了双馈风机的齿轮箱效率。而小风速时，鸡尾酒风机的齿轮箱转速能降下来，所以其齿轮箱效率高得多。
论文[3]的齿轮箱损耗计算公式较为严谨的证明了这一点，并给出了明确的结论。
发电机效率10.950.90.85 发电机效率0.80.750.70.650.60.550.5 23456双馈风机直驱风机鸡尾酒风机78风速(m/s)9101112
图6 双馈、直驱(永磁)和鸡尾酒风机的发电机效率曲线
考虑变频器损耗后的发电机效率10.950.90.850.80.750.70.650.60.550.5 23456双馈风机直驱风机鸡尾酒风机78风速(m/s)9101112 考虑变频器损耗后的发电机效率
图7 双馈、直驱(永磁)和鸡尾酒风机的发电机（考虑变频器损耗）效率曲线
图6和7表明双馈、直驱(永磁)、和鸡尾酒风机的发电机效率[6] [7]，永磁发电机计算时不考虑转子的全部铜耗和铁损，效率（损耗）模型计算参考论文[3]。
由于直驱是全功率变频器[8]，考虑变频器损耗后的发电机效率曲线要低很多。
2.3 风机整机发电效率分析
综合叶片CP运行曲线和传动链效率曲线，可以得到整机的发电效率曲线，如图8和9所示。
整机发电效率（含叶片CP和传动链效率） 0.40.35整机发电效率0.30.25双馈风机直驱风机0.2 23456789101112风速(m/s)
图8 双馈和直驱(永磁)的整机发电链效率曲线
图8是双馈、直驱(永磁)风机的整机发电效率曲线。相对于双馈传动链效率的高效，直驱叶片运行效率的提高，对风机低风速的发电量贡献更大。但是对于高风速风区的风场，直驱风机发电量反而少。
整机发电效率（含叶片CP和传动链效率） 0.40.35整机发电效率0.30.25双馈风机直驱风机鸡尾酒风机0.2 2345678风速(m/s)9101112
图9 双馈、直驱(永磁)和鸡尾酒风机的整机发电链效率曲线
图9是双馈、直驱(永磁)、鸡尾酒风机的整机发电链效率曲线（包括了图8）。相对于双馈风机，鸡尾酒风机的叶片运行效率、齿轮箱运行效率、发电机运行效率都得到了提升。鸡尾酒风机综合了双馈风机传动链的高效，且具有比直驱风机更宽广的叶片运行效率，发电效率得到明显提升。
3 鸡尾酒风机的发电量和成本
已知整机发电效率曲线（如图9所示），可容易得到功率曲线，根据风频分布，可计算年发电量。 假设风频遵循瑞利分布，对于年平均风速6m/s的三类风区，简单计算可知：假设双馈风机发电量为100，永磁直驱风机的发电量约101，鸡尾酒风机发电量约105。
相对于双馈风机，鸡尾酒风机的成本增长了约12万人民币。其中发电机的容量没有增加，且可以共用一个机壳，所以发电机的成本增加可以忽略不计，成本的增加主要由变频器容量增加引起的。
4 鸡尾酒风机的高冗余安全性和低疲劳载荷
4.1 高冗余安全性（高设备可利用率）
超大型设备为增加高可靠性，多利用冗余安全性来保证设备继续运转。比如，现代化的大型客机都配有两台或两台以上发动机，即使只有一台发动机正常工作，仍能保证飞行安全
变速风机停机故障主要发生于各类电气设备，这主要由于电气设备的过载能力一般比机械设备低，尤其是变频器太过于敏感。
电机故障时轴抱死的现象比较罕见，对于鸡尾酒风机，双馈发电机或其变频器故障时，不影响小发电机及其变频器，反之亦然，风机可以在等待备件、维修设备（风机用大型吊车的费用高且进入风场的时间长）和维护人员时，降容运行而不停机。
鸡尾酒风机虽不能消除设备故障率，但由于其具有冗余安全性而减少停机时间（对于发电机和变频器等核心电气部件），因此鸡尾酒风机具有更高的设备可利用率。
4.2 低疲劳载荷
由于风速的时时刻刻波动，齿轮箱、发电机和轮毂等疲劳载荷一直是风机故障的重要源头之一。
相对于定速风机，双馈风机由于可以变速，已经大大降低齿轮箱、发电机和轮毂等疲劳载荷。直驱风机没有齿轮箱，由于变速更宽，也大大降低了发电机和轮毂疲劳载荷。
但在接近额定风速的一些风速段，双馈风机和直驱风机仍然工作于定速，此时疲劳载荷仍然很高（即使考虑风机设计时允许采取超速来降低疲劳载荷）。
但鸡尾酒风机由于在额定风速下一直工作于变速区，从不工作于定速，因此其疲劳载荷最低，从而降低风机故障率。
5 鸡尾酒风机其它优势
鸡尾酒风机还具有其它一些优势。 z 更低的启动风速和额定风速
由于整机效率的提高，由此带来更低的启动风速和额定风速，能在超低风速下发电，以本文的数据代入（77m叶轮直径），1.9m/s时发电功率可达5.2KW，远远优于传统风机。
z 降低噪音
叶片的噪音跟叶尖速的5次方成正比，相对于定速风机，双馈风机由于转速更低，降低了低风速时的叶片噪音。根据风频分布可知，一年中大部分时间都是低风速。鸡尾酒风机由于低风速时转速更低，降低了噪音。
z 降低碳刷磨损
碳刷存在于双馈发电机中，鸡尾酒风机中，根据风频分布计算可知，三类风区低风速约占50%，也就是说有50%的时候只用到小发电机，可以在双馈发电机中安装一个提刷装置，在50%时间内可通过提刷装置，降低碳刷磨损，从而减少维护量。
6 结论
本文深入分析了各核心部件的效率，提出一种新型鸡尾酒风机，相对于直驱和双馈风机，鸡尾酒风机具有 z 发电效率高（发电量高）、
z 超低风速发电（77m叶轮1.9m/s发电5.2KW）、 z 冗余安全性高（设备可利用率高）、 z 疲劳载荷低等众多显著优点。
在额定风速下，变速型风机双馈和直驱风机仍会工作于定速（一些风速段），而鸡尾酒风机是一款全变速风机。
事实上，抛开那些实验性质的风机，成功的主流风机发展的历史轨迹是：从定桨距到变桨距，从定速到双速再到变速，成本越来越高，部件越来越多，风机越来越复杂，但风机变速范围越宽，发电效率也越来越高。根据欧洲风场的风机故障率统计，相对于小功率定速风机，大功率变速风机的故障率有所上升。
但对鸡尾酒风机而言，比较有趣的是，发电效率增加同时，设备可利用率（冗余安全性）也得到提高。
致谢
感谢侯晓丽女士和王维博士对鸡尾酒风机名称和论文如何撰写提供的帮助。
[参考文献] (References)
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说明：本文纸质版发表于《风能设备》杂志12期，此电子版为修订版V3.0。
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