2013年10月16日下午，北京国际风能暨展览会——风电机组技术。浙江运达风电股份有限公司叶杭冶总工程师演讲：关于7MW级风电机组及关键部件设计与产业化。以下是全文：
叶杭冶：各位同行下午好，学会安排我介绍这个项目是基于这样的想法。因为这个项目是我们国家科技部组织的国家科技计划，是十二五期间重大的专项，在十二五重大专项里面，科技部一共安排了两个项目，一个就是国家863计划项目就是10MW级的风电机组的样机的开发。刚才MECAL公司Anton de Roest介绍了12MW的计划，这个是非常先进的，合理的理念和设计。我觉得我们的大容量的机组应该向这个方向去努力。但是要做到像Anton de Roest先生介绍的12MW的机组，实现这样的概念，我感觉到这个需要非常有实力的技术工业支撑的。其中包括紧凑型的，超紧凑型的设计，就目前来讲，国内比较务实的来讲，很难接受这样的设计。因为就发电机本身，也存在不少的问题。如果组成在一起，给维护带来很大的麻烦。还有包括单轴承的支撑的设计，国内也很难做到。但是不管怎么讲，这个设计对大容量来说是非常合理的。国内10MW的机组，它的社了更加理性化，更加激进的设计。10MW级机组的概念采用超导电子设计的，是直驱型的，它的重量会更轻。从当时科技部听中期汇报的时候，机组设计可能像2MW机组那么重。但是实践起来也是非常的难的。
当时我听他们说的时候，仅仅电机成本就要超过一万块钱一千瓦了，还不包括其他的。我们也知道在风电机组里面，电机的占比大概只占10-20%左右的成本，如果仅一个电机一万块钱一千瓦，整个机组的造价是非常昂贵的。所以那个想法离商业化运行也是有很大的差距。我这里想介绍的是国家科技支撑计划。国家科技支撑计划是以产业化为目标的，那么也就是说在这个项目完成的时候，要有一个示范项目来验证产品所有的性能指标，为在十二五以后，就是在下一个五年计划大规模开发海上风电提供产品支撑的项目。
陆上优质风资源逐渐的减少了，人们的目光开始转移到海上风资源了。虽然在十二五期间国家有雄心勃勃的计划，但是目前来看，这个推进速度还是比较缓慢的。设立7MW的机组，主要是为下一个阶段，就是国内能够大规模的推进海上风电的开发做一个准备。一个就是通过7MW级机组的设计提供海上装备的需要，同时形成一个成熟的配套产业链。同时希望技术经过示范工厂的验证。其中包括适合中国海洋环境特点的产品设计，抗湿热，抗盐雾，抗雷击，抗腐蚀，抗台风，抗地震等等。同时通过示范项目的示范，也对海上风电的运维，服务，安装这方面取得一些经验。国家十二五能源专业领域提到了，这段话是在科技部十二五发展规划当中写上去的，就是要通过十二五期间，国家科技支撑计划的实施，达到这样的目标。
第二部分我介绍一下项目的总体情况。十二五期间7MW级风电机组项目，参与的单位有几十家单位，大概将近30家单位参与了项目。这个项目前期是由我组织申报的。通过专家评审，通过科技部专家请来的评审，最后确定立项。在项目里面，在总体方面，设立了一个课题，这个课题就是从7MW级，但是课题的设计从5MW到7MW这样一个系列性的，其中也包括5MW，6MW，7MW，这样的系列性的产品的开发。今后在十三五期间是我们国内海上空间的主流产品。
其中这个开发涵盖了大型风电技术所有关键部件的开发和国产化。大家可以看到，叶片集合了我们国内一些最大的叶片制造商，包括中复连众，重材，华翼，天和，南航，发电机方面也是国内电机方面技术能力最强的高等院校和制造厂商，还有齿轮箱和轴承，还有在变流器方面，变桨方面也是国内比较有能力的制造厂商。所有参与这些项目的单位，都是在十五和十一五期间，承担了相应的国家风电领域的风电项目，并且取得了良好业绩的这些单位。
这个项目在申报的时候，也受到大型的国家电力集团，海上风电示范项目，就是大唐集团和国电集团的支持下开发海上风电项目。在这方面，他们开发的项目都已经列入国家能源局项目批复计划当中了。其中包括关键技术的突破，参与的有高等院校，科研院所，还有风电机组零部件，以及海上风电机组的产业化，示范项目，包括业主单位。
在7MW机组开发方面，它的主要参数是一款采用高速永磁电机的一款机型，这也是它最新的进展情况。我们在一开始项目开始的时候，曾经提出采用综述永磁5点级(音译)就是12MW的方案，这个方案对大型电场比较合理，但是在进行之中，制造厂感觉到要设计一款这样的机型从产业化方面来讲还是有很大的风险的。除非你是主机厂家是一个装备制造能力非常高的，它本身就是非常高的大型的电机厂。电机厂有传动系统的制造能力，要有综合实力的厂家联合开发一款发电机和齿轮箱集中在一起的厂家。现在我们的主机厂家是集成的厂家，所有的部件都是通过专业厂家配套的，这样的话对他来讲，他首先认为技术比较成熟，很骄傲，容易实现，不会自己给自己找麻烦，他只要把总体设计能够设计的合理完善就可以了，其他的这些部件，希望产业成熟，基于这样的想法，最终又回退到常规的采用高速永磁发电机。传动链是两级星一级平行周德齿轮箱传动，紧凑型设计。
另外还有一款是5MW的机组，5MW机组主要由我们开发，主要为了满足东南沿海抗台风的需要，我们设计的一款可以满足，一类地区和二类地区的机组。而且也做了一些抗台风方面的考虑，包括备用电源这方面的一些考虑。在台风状态下的一些必要的控制姿态，这方面的考虑。虽然是5MW的机型，目前叶轮直径的设计130-140米，是因为中国东南沿海的风速比欧洲的要低一些，风资源实际上差一些。也是从成熟的角度考虑，原来这款机型采用中压的方案，但是最终又退回到低压了，这个也考虑到，国内目前在变流器方面的配套能力。在选择发电机的形式方面，最初选择的是高速永磁电机，但是最后退回来了。在我国东海地区风电机组设计方面采用了比较成熟的技术。
国内前期参与MW级部件的几家单位都参与了，这个开发当中尝试采用了最新的技术，包括采用碳纤维的桨页，还有分段式的叶片，这方面也在考虑，也在设计过程当中。
在齿轮箱方面呢，这里我们国内几家主要的齿轮箱单位。对齿轮箱来说，速比越高，设计难度也越大。基于前期在1.5MW，包括1.5-3MW的产品设计上，采用了高速齿轮箱，就是大速比的齿轮箱。还有轴承的开发，一种轴承可能会设计成单纯纯支撑的结构，可能对5MW来说，设计还是比较保守，采用常规的双轴承支撑的结构。目前国内，在十一五期间承担国家科技支撑计划的单位，他们也为我国的大型风电机组主轴承的开发做出很大的努力，现在也在大批量应用，这次也承担7MW的轴承的开发。
还有变流器的开发，变流器的开发，我们在项目申报的时候，立项的时候，所有的变流器厂家都说要独立完成中压变流器的开发。但是目前从主机来讲，不一定能采用中压的设计，但是从他们厂家来说，要完成中压变流器的开发。还有变桨系统的开发，变桨系统，扭矩，转速，功率，包括变桨叶控制速度，后备电源，运行环境温度，环境湿度方面的考虑。
还有发电机的改良，在参与项目的单位中，提出半直驱的永磁电机，采用蒸发冷却的技术，这也是一种新的方案。这个方案可能通过项目组进行实验和验证。还有直驱，虽然我们这个项目，两个设备可能都不采用，但是承担单位也准备开发7MW永磁发电机作为一种尝试。还有就是要测试平台。那么对于7MW机组开发完以后在地面上做完整的实验，因为是海上风电机组，所以地面实验也是很重要的，同时也包括支撑平台的建设。这些测试平台包括变桨系统，叶片测试系统，整体传动力的系统，以及变流器的系统。整个项目的最终实现过程主要通过样机的测试，包括整机部件的测试，然后通过样机的认证，通过国内指定权威机构的认证，最后通过实际示范考核，这些都会写在项目计划里面，每个阶段，科技部都会进行验收的。这就是我们整个项目的设置的情况。
从目前进度来说，5MW机组今年年底安装在第一个示范点，就是在宁波的穿山的一个风电场，这是离海电比较靠近的，还没有真正下到海里，可能到明年下半年到海里，在陆地运行一段时间才会入海，2015年实现整个项目的示范，大概情况就是这样的，谢谢大家。
主持人：刚才叶杭冶博士把国家科技部7MW做了精彩的介绍，大家还有什么问题提问吗?
提问：7MW风电机组，通过模型分析，通过你们的研究结果，单位千瓦的建设成本，和单位度电成本，和你们以前机型相比，能有多少发展，或者降低了?
叶杭冶：从目前来看，5-7MW单位千瓦的成本，因为单位千瓦的成本涉及到风资源，涉及到风况。毫无疑问，5MW或者7MW的机组制造成本比1.5MW和2MW的机组成本高很多，但是放在海上风资源丰富的地方，度电成本也会提高，但是还是可以考虑的，这个就比较难比较了。但是如果从制造成本来讲，我估计要提高至少50%以上。
提问：放到海上的经验是陆上的一倍左右嘛，我一直考虑这个问题，能不能通过容量的增大，把成本降下来，你们在这方面有没有什么新的研究成果?
叶杭冶：刚才我听了Anton de Roest的介绍，过去我们比较认可，就是陆上机组的成本，大概占到60-70%，如果在海上的话，这个风电机组的成本只占到30-40%，我为什么把机组设计很大呢?我就是为了增大机组的占体。因为你的配套设施是很厉害的，费用很大的，花这么大的配套设施，费用很大，就装一个小的风机，配套设施占80%，发电设施是20%，这样是不合算的。风机很大，这样成本就上去了，后面配套设施投入进去，也可以摊平一些，总的成本不会增加很多。
提问：你们在成本分析这块，有没有新的进展?
叶杭冶：从量化来讲?
提问：建模?
叶杭冶：量化上还没有，定性上就是这样考虑的。
提问：你刚才提到5MW的风电机在沿海使用，这样的风机要耐台风，因为海上风险比较大，我想请教一下你们专业的意见。
叶杭冶：IC1类或者2类。我们是C类。
提问：耐风到几米比较安全?
叶杭冶：如果我们不考虑台风的话，大家都讲了，海上风电有很大的优势，优势是什么呢?假如说在台风情况下，湍流很高，设计强度方面就会增加。
提问：你们规划要测验，这个等级是什么样的?
叶杭冶：最近由我们公司主持起草了中国的国家的标准，叫台风型风电机组标准，前不久已经评审通过了，报批了。我们对风电机组的设计，包括湍流参数取值重新做了固定。比如说我机型装在台风地区，我的设计还要考虑台风地区特定的风况，因为我们风电机组设计当中要计算非常多的风况，非常多的载荷工况，要全部满足载荷工况之后，我的机组才能通过认证，这也是我们设计中要考虑的问题。
提问：你5MW和7MW的机组，各用的是哪家的齿轮箱?
叶杭冶：就是高速的齿轮箱。5MW的齿轮箱是南高池(音译)提供了，7MW的目前还没有最终确定厂家，但是设计还在招标过程中，估计是南高池(音译)。
提问：你们机组目标市场是中国哪块海域?
叶杭冶：从我们合同任务来说，7MW项目可能在渤海湾，主要由大唐集团公司开发的项目，5MW是国电集团支持的，是在浙江。
提问：是没有台风的区域是吗?
叶杭冶：5MW的地方可能要考虑台风。
提问：能不能简单介绍一下变桨系统里面，独立变桨是怎么考虑的?
叶杭冶：独立变桨的概念，最近在大型风电机组里面大家提的比较多，我们在设计当中，我们都会考虑在风电机组采取独立变桨的控制策略。独立变桨主要是风电机组在额定工况附近采用的。因为额定功率附近，我们桨叶角度本来就是不断的调整的，这个时候它的运行载荷也是很大的，独立变桨主要在这种情况下，降低风电机组的运行载荷，减少它的疲劳强度，在这个时候，一定范围采用独立变桨的策略，低风速情况下还是不采用的。独立变桨跟我们统一的变桨，实际上是一个叠加的行为。因为我们通常采用变桨是统一的，但是在采取独立变桨的时候，统一的变桨还是照样用的，我们只是在它上面叠加一个需要调整桨叶角度的指令，有限的调整它，采用独立变桨，主要平衡叶片在空间位置不同载荷的要求。
提问：有一种可能，每个桨叶子的受力载荷怎么考虑呢?
叶杭冶：目前有很多办法，现在用的是通过桨叶叶根的应力，把叶根的应力输到控制系统，然后给控制系统发指令，用光纤传感器。
主持人：我有三个问题。第一个问题，你7MW的工况最高温度是40度，8月份我去了解，如果温度是90度，机舱温度是70度，所以你们的考虑是不是值得商榷，适合中国的环境条件。第二个问题原来选中压，最后是低压，现在兰州的要上高压了，我们科技部的项目过一段时间要比它高(音译)因为现在为了适应电网，只好用690，会马上提高，科技部的项目，它那个是同步电机，作为7MW还要研发变流器，还要研发大功率电机都要研发，当时你们是怎么定的?现在兰州电机2MW，马上要3MW了，5MW，8MW，但是8MW的方案就是，传统系统重量是100吨，5MW的话是71吨。因为你那个已经定了，今后还有后期，因为它是同步电机，同步电机不需要变流器。
叶杭冶：刚才我们讲到了机组设计的环境温度是40度，这个环境温度跟刚才姚老师讲的温度是两个事，机舱的温度表明机组通风设计的比较差，我说的环境温度是大气的环境，大气环境到90度，人全部死光了，大气环境是40度，机舱温度是90度，说明你风机设计有问题，这不是我的设计要求，没达到我的设计要求，所以这个问题，我说的这个温度指自然环境的温度。不是风机发电以后温度升高了，那是需要你解决的问题，我不允许你机舱温度这么高，如果是这么高的话，说明你机组设计的不好，这是我对第一个问题的回答。
第二个问题，从我们专家最终评审的结果来说，认为这样的设计是比较可行的，能够实现商业化。这是我的回答。这完全代表我个人的意见，因为我们已经做了多次的探讨，设计叶片耦合的厂家(音译)，很早年前就跟我做了技术交流，直到最近，不断的向我报告，新的进展情况，我也在关注他们，但是到目前也没有认可，我不认为比我们现在的，采用常规的传动系统，有什么好处?他们可能有他们的优越性，但是我们从商业化角度来考虑。
主持人：我曾经到大阪风电场了，也是6、7月份，你不能老说机器的设计问题，中国的环境就是这样的。
叶杭冶：我们海上风电机组，不是放在沙漠，或者其他里面，是放在海上，海上的环境温度就是40度，所以没必要再做更不切实际的设想，海上的温度不会高于40度的，所以这个设计从认证机构，到我们科技部专家组都认定了，所以确认这样的数值了，我们的环境就是这样的。
