击败GE？从变速风机的专利创新开始

供稿人：陆斌 供稿时间：2008-3-31
（一）变速风机的实现方式
风能已成为在研究和教育中具有巨大潜能的一门重要学科。随着立法推动着风能地位的进一步提升，改进风机效率和产量成为许多公司研发计划的首要目标。

风机的主要难题是如何把高度变化的输入（转子承受的风力）转变为适合电网连接的稳定电流输出。其中一种方式是通过调整桨叶和电力输出使得发电机在与电网同步的固定速度工作。但这会浪费可利用的风能，由于这种情况导致了变速驱动技术的诞生。在变速驱动情况下，风机可由不同的风速驱动，接着电力电子技术将发电机的交流输出改为直流（随后再转变为50Hz或60Hz交流电流）。

然而这个变频阶段增加了成本，并引发了效率损失和稳定性问题。在重要的北美市场，GE Wind Energy在变速专利中必要的电力电子技术方面占据主导地位。风机制造商如要进入北美市场，要么支付许可费，要么研发绕过专利的新技术。实际上各公司研发人员已承担起他们的责任：

一种方式是采用一种适合不同输入驱动速度和带有维持同电网同步的电磁片的发电机。由德国Weier开发，之后被Gamesa和Fuhrlander引入北美市场的旋翼电流控制型（RCC）发电机是这一类型，此外还有Vestas的Opti-Slip技术。由于采用主动桨叶控制，这些方案效率都较高。

无齿轮箱方式则是直接驱动低转速永磁交流发电机。Enercon期望通过这类系统绕过GE专利（ABB在此之前尝试），但GE根据其输出仍设定在稳定的60Hz，提出了质疑。法律纠纷的结果是GE授权Enercon变桨变速直驱产品进入北美市场。但市场有传言Enercon在一项限制美国生产商产品在德国市场销售的专利上作出了一定的让步。

另一种方式是利用可变比齿轮箱获得变速。

制造商已经尝试几种可变输入速度/固定输出速度齿轮箱，主要驱动同步旋转发电机。同电网同步的发电机以固定速度旋转，速度取决于它们供电的频率。它们采用自励磁，无需滑环，也不需要重型电力电子设备同电网连接。带档位齿的机械可变比齿轮箱不适合驱动发电机，这是由于变比是离散的，无法获得精确的适合频率。另一方面，液力偶合器提供了适合变速和变扭矩的连续变比。但现有的液压技术还无法满足风机电力或增速要求。

然而如果机械齿轮转动和液压系统结合起来，将会发生什么事？这种系统是否能够无需电力电子技术解决变速难题，从而击败GE？

（二）一种新方法
EU Energy公司在DeWind 8.2新产品上证明这恰好可以做到。新风机使用一个液力子系统稳定驱动发电机的输出轴速度，这样避免了使用变频器。子系统采用液力偶合器可连续调整速度。通过在液力系统中的可调导叶，可进行有效控制。早期迹象表明这种等同于连续可变比齿轮箱，效率和市场前景均十分看好。

图1：DeWind 8.2-2000安装于德国Cuxbaven
图片来源：EU Energy公司资料

拥有DeWind公司和技术的Wind公司技术主管Vic Lilly介绍了该产品开发背景到及开发过程：“当决定针对北美洲市场生产风机时，我们寻找无需电子变频器和塔基处变压器的可能解决方案。EU Energy当时对DeWind的收购提供了创新的机会。德国Voith Turbo公司一直设法引起风机制造商对其WinDrive液力驱动系统的兴趣，但并未成功。各风机制造商满足于它们现有的技术，对其技术不感兴趣。但我们被吸引了并且进行了详细的调查”。

最后DeWind决定采用此项技术，并在2005与Voith达成了为2MW DeWind D8.2产品开发WinDrive传动装置的协议。 根据协议，EU Energy/DeWind获得WinDrive 2013年前2.6MW产品以下的独家许可。

为了将DeWind D8.2直径80m转子的18rpm转为满足60Hz要求发电机的1800rpm转速，需要经过转子输入动力全范围的1:100增强比，这对于以液力为基础的系统是一个苛刻的要求。因此机械齿轮传动系统仍是必须的，特别对于高风速而言。但对于低风速的少量动力传动，液力系统已经足够。当低风速时转子输入扭矩变化较大，液力系统在大范围扭矩差具有的连续可变输入-输出速度条件的优势变得几乎没有价值。

因此如何结合系统的二种类型？系统之间的简单切换在某些风速下是有缺陷的。不仅仅切换的不连续带来潜在的不稳定性，而且存在一段风速范围，齿轮传动和液力系统都能对驱动动力有作用，它们相互补充的特点使得到发电机的动力传动更流畅，更易调节。因此如果根据产品运行条件，选择采用同时从两系统获得动力，或者由其中之一占主导地位，那么产品性能更有优势。

公司所采取的方案是聚合从行星齿轮处两个来源获得的动力，驱动同步发电机。行星齿轮载体直接由机械齿轮传动输入驱动，而液力系统的动力通过一环状齿轮传递给行星齿轮本身。不同行星齿轮的差分旋转决定着动力向输出轴的分配。机械驱动和液力扭矩转换器共同作用组成了变速齿轮单位。

WinDrive液力驱动单位是基于Voith多年来在工业和气体压缩机应用的液力扭矩转换技术。平稳的技术更新使系统高度可靠，有些驱动装置在几十年运转中未发生故障。产品要求平均无故障工作时间大约30年。同变频电力电子装置部件故障经常需要上门服务相比，WinDrive液力驱动单位具有明显的优势。液力偶合器可环节狂风和电网故障所引起的震动，因此减少了传动系统的疲劳度。这一优势可延长齿轮箱和风机的寿命，或者动态负载部件相同寿命可采用更轻更便宜的材料制造。

合成SCADA和停车控制的基于计算机风机控制系统使风机保持最优运行状态。电网公司能远程控制系统。液力系统的控制可通过调整Voith液力驱动单位内的的导叶实现。转子桨叶角度、扭矩转换器和发电机的励磁的饲服控制回路可实现功能上的一体化。由密码保护远程监控程序允许当前和历史运行数据的自动转换。

WinDrive已证明了其不同转子转速适应同电网连接固定的发电机速度的能力。这意味着异步和同步发电机可以直接连接，消除了对变频装置的需要。 因此GE专利没有被侵犯。在DeWind 8.2，四极无刷同步发电机替换了DeWind前风机产品D8中使用的双回馈感应发电机。发电机电压可根据不同电网标准在4.16KVA到13.8kVA之间选择。
EU Energy不是唯一利用变速风机齿轮箱的风机制造商。挪威的Scanwind测试了一台带有挪威设计齿轮箱的3MW研究样品。另据报道新西兰开发的Windflow系统采用由转矩受限齿轮箱驱动的同步发电机，齿轮箱内有一液压泵用于感应机械片。美国研究人员在美国国家可再生能源实验室的WinPACT项目中研究了可替代齿轮箱概念。