液壓蓄能風電機組技術可行性分析

張秀林

（甘肅開放大學 基建規劃處，甘肅 蘭州 730030）

一、前言

隨著我國能源革命不斷深化，能源供給側改革穩步推進，可再生能源、清潔能源在能源生產消費領域的比重不斷增加，構建綠色低碳、清潔高效的能源體系已是我國能源發展的大趨勢。風能作為一種能量密度高并且無污染的二次能源，來源豐富，被認為是21世紀極具發展潛力的清潔能源[1]。因此，逐步減少化石能源在能源消耗中的比重，大力發展清潔能源是我國乃至全球能源中長期發展的必然選擇。

二、技術研究與應用現狀

近年來，我國風電并網裝機容量持續增長，2019年突破2萬億千瓦，2021年突破3億千瓦大關，較2017年底實現翻番。目前，中國風電并網裝機容量已連續12年穩居全球第一。目前，風電占全國電源總裝機比例約13%。2020年全球前十大風機商中中國公司占據七席，它們分別是金風（第二）、遠景（第四）、明陽（第六）、上海電氣（第七）、運達（第八）、中車風電（第九）、三一重能（第十）。

目前風力發電機組的主流機型是雙饋式風力發電機組和直驅永磁風力發電機組。雙饋式風力發電機組有增速齒輪箱，齒輪箱成本高，易出現故障，可靠性差；直驅永磁風力發電機組電機直徑大，電機設計、加工制造困難，成本高，體積大。液壓風力發電機組省去了造價高昂且高故障率的齒輪箱，無需整流逆變，對電網的沖擊小，電能品質更優，具有更寬的風速適應范圍等優點，因而具有很大的優越性，有望成為未來風力發電機組的主流機型。機組的傳動系統是風力發電系統的關鍵和核心部件，傳動系統的改進和完全新型傳動系統的引入將改變機組的傳動方式、發電方式和控制系統，以解決原有風力發電機組存在的齒輪箱損壞、變流器成本高、維護維修困難、對電網沖擊等相關難題[2]。我國在液壓型風力發電機組的理論研究和樣機實驗研究上處于剛起步階段。真正掌握和擁有自主知識產權的大型風力機設計與研發的關鍵技術成為目前需要盡快解決的關鍵任務，是我國由風電大國走向風電強國的必由之路。新型液壓傳動和流體靜壓蓄能風電機組的研制和裝備對于保證我國陸上和海上風能的大規模開發和利用具有至關重要的意義。因而加大液壓型風力發電機組研究，推進其產業化生產有積極的現實意義。液壓風力發電機組目前處于研究的初期，關鍵技術問題尚未解決。

近20年來，國內外多個機構對液壓蓄能風電機組進行了技術研究與探索應用[3]，國外主要集中在挪威、美國、德國、英國、日本等國家，主要研究方向集中在提高風機利用效率和傳動效率以及關鍵元器件的開發方面[4]；國內研究機構主要是燕山大學、蘭州理工大學等高校，燕山大學主要是對恒轉速輸出和功率控制做理論與實驗研究。在技術應用方面，國內外大多以容量為千瓦級風機為研究對象，而且大多處在實驗階段，尚未實現規模化應用。目前在兆瓦級風機上應用液壓傳動技術主要有2家公司，一是英國一家公司，成功地完成了選用數字定量泵和數字變量馬達傳動形式的1.5MW液壓型風力發電機組模型，該機組的定量泵選用閥配流柱塞缸形式①。當風力渦輪機旋轉時，68個柱塞缸協同工作，吸入的低壓油，排出高壓油，進而來驅動變量馬達，拖動勵磁同步發電機轉動，實現并網發電②。在大部分風速條件下，該系統效率可以達到90%，相比于傳統的采用齒輪箱傳動形式的發電機組來說，其傳動效率相當[5]。二是日本三菱重工開發的7MW液壓傳動風機，該風機應用了其自主開發的大功率數字泵，但是根據公開資料，該風機在2015年12月并網運行4年半后于2019年6月即拖回港口實施退役，退役原因一是利用率較低，只有3.7%，遠低于30%的商業化利用率標準，二是機組故障頻發，運營成本高昂。

三、液壓蓄能風電機組簡介

液壓蓄能風電機組的設計、制造、安裝、調試以及部分試驗，形成了一套新型液壓傳動與靜壓蓄能風力發電機組。該機組發電機轉速可控，所發電的電壓、電流、電頻率等相關指標滿足設計要求，通過項目研究、樣機試制和實驗，驗證了液壓傳動與液壓蓄能發電的工藝原理，解決了液壓傳動和液壓蓄能的關鍵技術，為大功率機組的開發打下了良好的基礎。

（一）原理簡介

液壓蓄能風電機組由風力機葉輪旋轉驅動低速大功率液壓泵，將高壓油液輸送至安置在地面的變排量液壓馬達，馬達直接驅動發電機發電，形成閉式容積調節系統，取代傳統齒輪箱結構，實現柔性傳動。機組通過增加液壓蓄能裝置，抑制了風速變化帶來的電能波動，改善了電能品質，并通過蓄能提高了機組的可調節性能[6]。通過液壓馬達恒速控制，省去了整流逆變裝置，是電網友好型機組，將液壓馬達和發電機放置在地面，減輕了機艙重量，安裝和維護方便，并為機組輕量化設計提供了可能性。如圖1所示。

圖1 液壓蓄能風電機組原理圖

（二）技術特點

1.采用液壓傳動驅動發電機組進行發電，將風能轉換為液壓能，液壓能再轉換為電能。將現有機組機艙內的傳動系統和發電機移到地面，可以大大減輕塔架的重量，方便機組的維護維修，并可以去掉現有的變流器和控制裝置，這無疑是對現有機組的革命性創新。

2.采用液壓能量傳遞（Hydraulic Energy Transfer，HET）技術，和現有的雙饋、直驅風電機組相比，既突破了發電機組結構和發電形式，又可以提高機組的可靠性和經濟性。

3.應用了流體靜壓蓄能風力發電機組控制技術。研究HET與發電機組的協調控制技術，確定HET的配合關系和控制策略。通過液壓蓄能創新地改善發電機組的調節特性和功率輸出的穩定性，實現連續發電。

4.應用了液壓蓄能系統及其與發電機組各子系統的協調控制技術。研究液壓蓄能系統及其與發電機組各子系統的協調控制，建立機組的控制模型，仿真機組內部和外部特性。包括：風力機特性、HET系統特性、同步發電機特性、整機特性及其優化控制。

5.應用了液壓馬達—同步發電機恒速恒頻控制技術及整機功率匹配控制技術，無需整流逆變，電能品質更優；更寬的風速適應范圍。

四、液壓蓄能風電大功率機組技術方案分析

機組由葉輪旋轉驅動低速大功率液壓泵，將高壓油液輸送至安置在地面的變排量液壓馬達，進而由馬達直接驅動發電機發電。主要模塊包括機艙傳動部分與地面發電部分，另外還包括液壓蓄能模塊。

鑒于目前陸上風機單機容量向著4MW+趨勢發展，海上風機單機容量向著8MW+趨勢發展，甘肅省最近新建風場裝機單機容量均在3MW及以上，研究選取陸上3MW及海上8MW機組進行技術可行性分析。現將陸上3MW及海上8MW液壓蓄能風電機組技術參數列出，如表1所示。

表1 陸上3MW液壓蓄能風電機組技術參數

表2 海上8MW液壓蓄能風電機組技術參數

（一）機艙傳動方案分析

目前，世界上最大的液壓泵功率為1.5MW，因此陸上3MW與海上8MW機組機艙部分分別需要2臺和6臺液壓泵加壓。地面發電部分分別需要5臺和13臺液壓馬達驅動發電機發電。由于地面發電部分容易通過流量調節來實現功率分配，不存在較大問題，因此主要將機艙傳動部分和液壓蓄能部分方案可行性進行分析。

要實現風輪旋轉帶動主軸旋轉，驅動多臺液壓泵加壓，輸出高壓大流量液壓油，可能的幾種方案如下。

方案一：主軸+分動箱并聯多液壓泵（圖1）

方案二：主軸+多齒輪箱+多液壓泵（圖2）

圖2 主軸+分動箱并聯多液壓泵

方案三：主軸直驅多液壓泵（圖3）

圖3 主軸+多齒輪箱+多液壓泵

圖4 主軸直驅多液壓泵

下面對各方案進行綜合比較。

1.方案一與方案二，目前技術可行性較高，也有成熟的應用案例，但是結構復雜而且龐大，齒輪箱重量較大，僅3MW風機齒輪箱重量就接近50噸，此重量大于雙饋型風機增速箱與發電機重量總和，傳動效率低，制造成本高，相比雙饋型風機仍保留了齒輪箱裝置，可靠性方面無明顯提升。另外采用大功率齒輪箱會使風機啟動扭矩增大，會帶來切入風速變大，風機利用率降低等問題。

2.方案三，主軸直驅多液壓泵方式。此方案理論上可行，但是在實際應用中存在以下問題。一是主軸直徑與泵內孔不能匹配的問題。為滿足強度、剛度和疲勞壽命等指標，風機主軸可靠性要求較高，3MW風機主軸直徑670mm，而8MW風機主軸接近1400mm，方案能選到的最大功率赫格隆CBM3000和CBM4000系列液壓泵內孔均為460mm，尺寸差距懸殊，通過更換高性能材料來減小主軸直徑的可能性較小；二是定制適應主軸尺寸液壓泵的可行性較小，即便可以定制，其可靠性與定制費用也無法接受；三是多泵同軸串聯在工程上無實際應用案例，可靠性未知。

通過分析，以上方案在技術上和應用可行性上均存在諸多問題，要解決以上問題，必須開發大功率數字泵，采用主軸直驅大功率數字泵才是解決以上問題的最佳方案。采用主軸直驅數字泵有以下優勢。一是傳動結構簡單，機艙部分的重量和體積可大幅減小，提高了機組可靠性和降低制造、基礎建設以及安裝成本；二是數字泵可根據不同風速來自適應調整排量，風速適應范圍更廣，可大幅提高能量傳遞效率和風機利用率。此前英國Artemis Intelligent Power公司1.5MW液壓傳動機組（如圖5）與日本三菱重工7MW液壓傳動機組（如圖6）均采用此傳動方式，其大功率數字泵均為自主開發。

圖5 英國Artemis Intelligent Power公司1.5MW液壓傳動機組

圖6 日本三菱重工7MW液壓傳動機組

（二）液壓蓄能方案分析

蓄能技術在能源領域占據非常重要的地位。長期以來，世界上的電力、熱力公司等企業一直在蓄能技術方面深入研究，將重點放在對新蓄能技術的發掘上，為了能夠對蓄能技術在能源領域的應用提供更大的空間[7]。目前，對新能源的開發和利用受到廣大研究人員的關注，其中以風能為代表。風能是源源不斷得可再生能源，取之不盡、用之不竭。對風能存儲及利用的研究也已廣泛展開。然而，風能又不可控，時大時小，也無規律可循，具有不穩定性和間歇性，如果想在風能充足的情況下，大規模收集和利用風能，那么風能的存儲就至關重要，存儲過多的風能不讓其廢棄，但由于風能的這些間歇性和不穩定性缺陷的限制，使得風能的存儲比較困難，所以蓄能技術的發展在一定程度上決定了風電產業的前景。近年來，隨著我國新能源產業的迅速發展，蓄能技術及其產業的發展日漸成為各方關注的重點，國家也加大了對蓄能產業的政策支持。

對于液壓型風電機組來說，為了調節和穩定發電功率，可以增加蓄能裝置。當有風但沒有需求時，該裝置可以儲存多余的能量，并在有需求時驅動發電機發電。液壓蓄能技術的應用是液壓蓄能風電機組的一項重要技術創新。首先，液壓蓄能技術可以有效改善發電機的調節特性和功率輸出穩定性，實現連續發電。經對各種大型機械的分析研究，大型機械加入蓄能器后，其穩定性會得到很大改善，不再晃動，噪聲和振動也明顯降低。所以，各種大型機械中均已加入蓄能器，該裝置能夠起穩定液壓脈動的作用，同時可以吸收液壓沖擊。對于小型液壓風力機來說，蓄能器是最適合液壓風力機的儲能裝置，可以很好地應用于液壓驅動系統中。同時，蓄能裝置采用蓄能器，有安全、穩定、維護方便等一系列優點。

按蓄能裝置作用于機組的主傳動液壓系統的具體位置，將液壓型風電機組的蓄能裝置配置分為蓄能裝置作用于機組的主傳動液壓系統內和作用于機組的主傳動液壓系統外兩種方式，現就這兩種蓄能裝置的配置方式結構及原理進行簡單介紹，進而對優缺點分析對比。

如圖7所示，蓄能裝置作用于機組的主傳動液壓系統內，這種配置方法原理很簡單一目了然，從示意圖可以看出，在風能的推動下，風力渦輪機開始轉動，通過風力渦輪機的旋轉來驅動定量泵，進而產生高壓油，提供瞬間大流量，短時代替動力源，再通過蓄能裝置的平抑，完成驅動變量馬達轉動動作，即驅動發電機開始發電。當電力需求量不大時，充足的風能就會產生過剩現象，過剩風能需要存儲，以備后用，主傳動液壓系統中的大部分油液將存儲在蓄能裝置中，完成過剩風能的存儲；而當無風又電力需求較大時，需將存儲的風能釋放出來，以滿足發電機發電，完成一定發電量的需求，存儲風能的釋放是通過蓄能裝置中的油液補充回主傳動液壓系統來完成。

圖7 蓄能裝置作用于機組的主傳動液壓系統內

圖8是蓄能裝置作用于機組的主傳動液壓系統外的配置方式，從裝置結構方面來說，不同與圖4配置方式之處是增加了一種泵—馬達蓄器能量轉換裝置，作用在主傳動液壓系統外。

圖8 蓄能裝置作用于機組的主傳動液壓系統外

此種配置相對要復雜一些。風能推動風力渦輪機旋轉，驅動定排量泵產生高壓油，提供瞬間大流量直接驅動變量馬達旋轉，實現發電機發電，同時將能量傳遞給同軸連接的泵/馬達蓄能器能量轉換裝置。當有很大的風但是電力需求量不大，風能過剩時，在泵正常工況下，液壓馬達驅動同軸連接的泵/馬達蓄能器能量轉換裝置開始工作，向蓄能器輸出高壓油，蓄能器將風力渦輪機獲取的能量存儲在蓄能裝置中，然后由泵—蓄能器能量轉換器驅動同軸連接的發電機進行發電；而當無風又需求較大電力，風力不足時，液壓馬達正常工作條件下，驅動同軸連接的能量轉換器，將蓄能器中存儲的能量釋放到發電機的輸入端，實現風力不足情況下的發電，馬達蓄能器的能量轉換裝置驅動發電機在恒定功率下開始工作，完成發電。

這兩種配置均可以利用蓄能裝置實現過多風能的存儲和釋放，合理利用風能，提供能源利用率，同時滿足機組輸出功率穩定性的要求。與高壓管道直接連接的蓄能裝置配置方式相比，增加了獨立泵/馬達蓄能轉換裝置的配置方式，多了個泵/馬達的結構，使得控制方式相對復雜，具有成本高，效率低等缺點。因此，第一種配置方式即蓄能裝置作用于主傳動液壓系統的配置方式較好。

同時可以看出，要實現大功率液壓蓄能風電機組的推廣應用，在技術上仍需要解決的另外一個問題是大容量、高密度、低成本儲能技術的突破與應用。此外，隨著功率的增大，高壓大流量長距離液壓系統可能存在的幾個問題還需要繼續研究[8]。一是提高液壓傳動效率的問題；二是解決液壓傳動可能造成的沖擊振動，引起緊固件松動的問題；三是防止液壓系統泄漏問題；四是其他關鍵元器件開發的技術問題，比如大通徑旋轉接頭、大排量高轉速液壓馬達等。

五、技術分析結論

1.當前條件下，1.5MW及以下功率風機采用液壓傳動在技術上具備較大可行性。

2.要實現風輪旋轉帶動主軸旋轉，驅動多臺液壓泵加壓，輸出高壓大流量液壓油，大功率液壓傳動風機采用主軸直驅大功率數字泵加壓是最優方案。一是傳動結構簡單，機艙部分的重量和體積可大幅減小，提高了機組可靠性和降低制造、基礎建設以及安裝成本；二是數字泵可根據不同風速來自適應調整排量，風速適應范圍更廣，可大幅提高能量傳遞效率和風機利用率。

3.由于風能的間歇性和不穩定性，為了有效改善發電機的調節特性和功率輸出穩定性，實現連續發電，液壓型風電機組需增加蓄能裝置，相比較兩種蓄能裝置的配置位置，將蓄能裝置作用于主傳動液壓系統內的配置模式較為合理，并且蓄能器是最適合液壓風力機的儲能裝置。另外，液壓傳動風機在大功率液壓傳動風機產業化技術上重點解決的問題應是大功率/大排量數字的開發和大容量、高密度、低成本儲能技術的突破與應用。

注釋：

①參見中國產業信息網“2018年全球風電行業發展現狀與發展趨勢分析”，2020年3月23日，https://www.chyxx.com/industry/201805/645722.html。

②參見中國產業信息網“2019年中國風電行業運營現狀分析及未來五年市場發展前景預測”，2020年3月23日，https://www.chyxx.com/industry/201908/773175.html?tdsourcetag=s_pctim_aiosmg。