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風(fēng)機安裝與維護
負壓風(fēng)機廠家風(fēng)機控制工程發(fā)展現(xiàn)狀及展望高效可逆風(fēng)機的全三維正
2005年以來，我國風(fēng)電裝機以年均100%的速度快速發(fā)展，到2008年底，我國風(fēng)電總裝機容量達到了1215萬千瓦，占世界風(fēng)電總裝機容量的10%左右，這是一個相當(dāng)驚人的增長。目前，從裝機容量來看，我國已成為亞洲第一、世界第四、風(fēng)電裝機容量超千萬千瓦的風(fēng)電大國。排在前三位的依次是美國、德國和西班牙，其裝機容量分別為2517萬、2390萬和1675萬千瓦。
需求的快速增長也帶動了我國風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)的快速發(fā)展。2004年，我國風(fēng)機整機制造企業(yè)僅6家，目前明確進入風(fēng)機整機制造的企業(yè)已超過70家，另外還有一些公司正在開展進入風(fēng)機整機制造的前期準(zhǔn)備工作，呈現(xiàn)出“你未唱罷我登場，百家風(fēng)企競風(fēng)流”這樣一個喜憂參半的格局。喜的是經(jīng)過這些年的發(fā)展，內(nèi)資和合資企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大、技術(shù)能力不斷增強、市場占有率上升很快。2004年，內(nèi)（合）資企業(yè)和外資企業(yè)占當(dāng)年風(fēng)電新增裝機的比例分別為25%和75%，而到2008年這一比例正好顛倒了過來，內(nèi)（合）資企業(yè)已經(jīng)在風(fēng)電市場上占據(jù)絕對主導(dǎo)地位。至于這些整機制造廠家?guī)拥牧悴考a(chǎn)企業(yè)究竟有多少，更是一個無法準(zhǔn)確統(tǒng)計的數(shù)字。這些風(fēng)機整機制造企業(yè)及零部件企業(yè)的發(fā)展壯大，有力地促進了我國風(fēng)電制造業(yè)技術(shù)水平和生產(chǎn)規(guī)模的提高。憂的是這70余家風(fēng)機企業(yè)的技術(shù)水平、生產(chǎn)規(guī)模、服務(wù)能力參差不齊，真正形成規(guī)模、比較有競爭能力的還只有寥寥幾家，大多數(shù)企業(yè)對于未來面臨的巨大風(fēng)險都估計不足，這是我國目前風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)存在的一個突出問題。
從未來的發(fā)展形勢來看，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)至少將有十多年的黃金發(fā)展期。從世界范圍來看，美國、德國等工業(yè)發(fā)達國家為解決能源短缺和環(huán)境污染問題，都將大規(guī)模發(fā)展風(fēng)力發(fā)電作為主要解決方案。在我國，情況也是如此。2008年底，1215萬千瓦的風(fēng)電裝機容量占我國電力總裝機容量的比例還僅為1.5%，預(yù)計到2020年這一比例將達到10%左右，即到2020年風(fēng)電裝機容量將達到1.4億千瓦這樣的水平，這是十分可觀的數(shù)字。這表明，從宏觀形勢來看，風(fēng)電行業(yè)大發(fā)展的高潮確實已經(jīng)到來。
風(fēng)機控制工程的發(fā)展現(xiàn)狀
風(fēng)機的控制工程是風(fēng)機的重要組成部分，它承擔(dān)著風(fēng)機監(jiān)控、自動調(diào)節(jié)、實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲以及保證良好的電網(wǎng)兼容性等重要任務(wù)，它主要由監(jiān)控工程、主控工程、變槳控制工程以及變頻工程（變頻器）幾部分組成。各部分的主要功能如下：
監(jiān)控工程（SCADA）：監(jiān)控工程實現(xiàn)對全風(fēng)場風(fēng)機狀況的監(jiān)視與啟、停操作，它包括大型監(jiān)控軟件及完善的通訊網(wǎng)絡(luò)。
主控工程：主控工程是風(fēng)機控制工程的主體，它實現(xiàn)自動啟動、自動調(diào)向、自動調(diào)速、自動并網(wǎng)、自動解列、故障自動停機、自動電纜解繞及自動記錄與監(jiān)控等重要控制、保護功能。它對外的三個主要接口工程就是監(jiān)控工程、變槳控制工程以及變頻工程（變頻器），它與監(jiān)控工程接口完成風(fēng)機實時數(shù)據(jù)及統(tǒng)計數(shù)據(jù)的交換，與變槳控制工程接口完成對葉片的控制，實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲以及恒速運行，與變頻工程（變頻器）接口實現(xiàn)對有功功率以及無功功率的自動調(diào)節(jié)。
變槳控制工程：與主控工程配合，通過對葉片節(jié)距角的控制，實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲以及恒速運行，提高了風(fēng)力發(fā)電機組的運行靈活性。目前來看，變槳控制工程的葉片驅(qū)動有液壓和電氣兩種方式，電氣驅(qū)動方式中又有采用交流電機和直流電機兩種不同方案。究竟采用何種方式主要取決于制造廠家多年來形成的技術(shù)路線及傳統(tǒng)。
變頻工程（變頻）器：與主控制工程接口，和發(fā)電機、電網(wǎng)連接，直接承擔(dān)著保證供電品質(zhì)、提高功率因素，滿足電網(wǎng)兼容性標(biāo)準(zhǔn)等重要作用。
從我國目前的情況來看，風(fēng)機控制工程的上述各個組成部分的自主配套規(guī)模還相當(dāng)不如人意，到目前為止對國外品牌的依賴仍然較大，仍是風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)中最薄弱的環(huán)節(jié)。而風(fēng)機其它部件，包括葉片、齒輪箱、發(fā)電機、軸承等核心部件已基本實現(xiàn)國產(chǎn)化配套（盡管質(zhì)量水平及運行狀況還不能令人滿意），之所以如此，原因主要有：
（1）我國在這一技術(shù)領(lǐng)域的起步較晚，尤其是對兆瓦級以上大功率機組變速恒頻控制技術(shù)的研究，更是最近幾年的事情，這比風(fēng)機技術(shù)先進國家要落后二十年時間。前已述及，我國風(fēng)電制造產(chǎn)業(yè)是從2005年開始的最近四年才得到快速發(fā)展的，國內(nèi)主要風(fēng)機制造廠家為了快速搶占市場，都致力于擴大生產(chǎn)規(guī)模，無力對控制工程這樣的技術(shù)含量較高的產(chǎn)品進行自主開發(fā)，因此多直接從MITA、Windtec等國外公司采購產(chǎn)品或引進技術(shù)。
（2）就風(fēng)機控制工程本身的要求來看，確有它的特殊性和復(fù)雜性。從硬件來講，風(fēng)機控制工程隨風(fēng)機一起安裝在接近自然的環(huán)境中，工作有較大振動、大范圍的溫度變化、強電磁干擾這樣的復(fù)雜條件下，因此其硬件要求比一般工程要高得多。從軟件來講，風(fēng)機要實現(xiàn)完全的自動控制，必須有一套與之相適應(yīng)的完善的控制軟件。主控工程、變槳工程和變頻器需要協(xié)同工作才能實現(xiàn)在較低風(fēng)速下的最大風(fēng)能捕獲、在中等風(fēng)速下的定轉(zhuǎn)速以及在較大風(fēng)速下的恒頻、恒功運行，這需要在這幾大部件中有一套先進、復(fù)雜的控制算法。國內(nèi)企業(yè)要完全自主掌握確實需要一定時間。
（3）風(fēng)機控制工程是與風(fēng)機特性高度結(jié)合的工程，包括主控、變槳和變頻器在內(nèi)的控制軟件不僅算法復(fù)雜，而且其各項參數(shù)的設(shè)定與風(fēng)機本身聯(lián)系緊密，風(fēng)機控制工程的任務(wù)不僅僅是實現(xiàn)對風(fēng)機的高度自動化監(jiān)控以及向電網(wǎng)供電，而且還必須通過合適的控制實現(xiàn)風(fēng)能捕獲的最大化和載荷的最小化，一般的自動化企業(yè)即使能研制出樣機，也很難得到驗證，推廣就更加困難。而中小規(guī)模的風(fēng)機制造商又無力進行這樣的開發(fā)。
即便如此，國內(nèi)企業(yè)通過這幾年的努力，已經(jīng)在控制工程主要部件的開發(fā)上取得了積極進展，已基本形成了自主的技術(shù)開發(fā)能力，所欠缺的主要是產(chǎn)品的大規(guī)模投運業(yè)績以及技術(shù)和經(jīng)驗積累。比如，作為風(fēng)機控制工程中技術(shù)含量最高的主控工程和變頻器，國內(nèi)企業(yè)在自主開發(fā)上已取得重要進展。東方自控經(jīng)過幾年的努力，已成功開發(fā)出DWS5000風(fēng)機控制工程，并已完成各種測試及風(fēng)機運行驗證，實現(xiàn)了規(guī)�；a(chǎn)，基本形成了自主開發(fā)能力�？浦Z偉業(yè)也研制出了兆瓦級機組的控制工程。在變頻器方面，東方自控、合肥陽光、清能華福、科諾偉業(yè)等一批企業(yè)也異軍突起，開發(fā)出了大功率雙饋及直驅(qū)機型的變頻器，產(chǎn)品已有小批量在風(fēng)場投運，呈獻出可喜的發(fā)展勢頭。
隨著國內(nèi)企業(yè)所開發(fā)風(fēng)機容量越來越大，風(fēng)機控制技術(shù)必須不斷發(fā)展才能滿足這一要求，如葉片的驅(qū)動和控制技術(shù)、如更大容量的變頻器開發(fā)，都是必須不斷解決的新的課題，這里不進行詳細闡述。當(dāng)前，由于風(fēng)力發(fā)電機組在我國電網(wǎng)中所占比例越來越大，風(fēng)力發(fā)電方式的電網(wǎng)兼容性較差的問題也逐漸暴露出來，同時用戶對不同風(fēng)場、不同型號風(fēng)機之間的聯(lián)網(wǎng)要求也越來越高，這也對風(fēng)機控制工程提出了新的任務(wù)。
（1）采用統(tǒng)一和開放的協(xié)議以實現(xiàn)不同風(fēng)場、不同廠家和型號的風(fēng)機之間的方便互聯(lián)。目前，風(fēng)機投資用戶和電網(wǎng)調(diào)度中心對廣布于不同地域的風(fēng)場之間的聯(lián)網(wǎng)要求越來越迫切，雖然各個風(fēng)機制造廠家都提供了一定的手段實現(xiàn)風(fēng)機互連，但是由于采用的方案不同，不同廠家的風(fēng)機進行互聯(lián)時還是會有很多問題存在，實施起來難度較大。因此，實現(xiàn)不同風(fēng)機之間的方便互聯(lián)是一個亟待解決的重要課題。
（2）需要進一步提高低電壓穿越運行能力（LVRT）。風(fēng)力發(fā)電機組，尤其是雙饋型風(fēng)機，抵抗電網(wǎng)電壓跌落的能力本身較差。當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落時，從前的做法是讓風(fēng)機從電網(wǎng)切出。當(dāng)風(fēng)機在電網(wǎng)中所占比例較小時，這種做法對電網(wǎng)的影響還可以忽略不計。但是，隨著在網(wǎng)運行風(fēng)機的數(shù)量越來越大，尤其是在風(fēng)力發(fā)電集中的地區(qū)，如國家規(guī)劃建設(shè)的六個千萬千瓦風(fēng)電基地，這種做法會對電網(wǎng)造成嚴(yán)重影響，甚至可能進一步擴大事故。歐洲很多國家，如德國、西班牙、丹麥等國家，早就出臺了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，要求在這種情況下風(fēng)機能保持在網(wǎng)運行以支撐電網(wǎng)。風(fēng)機具有的這種能力稱為低電壓穿越運行能力（LVRT），有的國家甚至要求當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落至零時還能保持在網(wǎng)運行。我國也于今年8月由國家電網(wǎng)公司出臺了《風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》，其中規(guī)定了我國自己的低電壓穿越技術(shù)要求，明確要求風(fēng)電機組在并網(wǎng)點電壓跌落至20%額定電壓時能夠保持并網(wǎng)運行625ms、當(dāng)?shù)浒l(fā)生3s內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90%時，風(fēng)電機組保持并網(wǎng)運行的低電壓穿越運行要求。應(yīng)該說，這還只是一個初步的、相對較低的運行要求。在今后可能還會出臺更為嚴(yán)格的上網(wǎng)限制措施。這些要求的實現(xiàn)，主要靠控制工程中變頻器算法及結(jié)構(gòu)的改善，當(dāng)然和主控和變槳工程也有密切聯(lián)系。
（3）實現(xiàn)在功率預(yù)估條件下的風(fēng)電場有功及無功功率自動控制。目前，風(fēng)電機組都是運行在不調(diào)節(jié)的方式，也就是說，有多少風(fēng)、發(fā)多少電，這在風(fēng)電所占比例較小的情況下也沒有多大問題。但是，隨著風(fēng)電上網(wǎng)電量的大幅度增加，在用電低谷段往往是風(fēng)機出力最大的時段，造成電網(wǎng)調(diào)峰異常困難，電網(wǎng)頻率、電壓均易出現(xiàn)較大波動。當(dāng)前，電網(wǎng)對這一問題已相當(dāng)重視，要求開展建設(shè)風(fēng)電場功率預(yù)測工程和風(fēng)電出力自動控制工程，實現(xiàn)在功率預(yù)測基礎(chǔ)上的有功功率和無功功率控制能力。事際上，這個工程的建設(shè)不是一件容易的事情，涉及到很多方面的技術(shù)問題。但是，無論如何說，序幕已經(jīng)拉開。
發(fā)展展望
從上面的敘述中可以看出，控制工程作為風(fēng)電機組中最關(guān)鍵的核心零部件，目前仍是國內(nèi)風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)中最薄弱的環(huán)節(jié)，也是國內(nèi)目前唯一沒有實現(xiàn)批量國產(chǎn)化的部件，其主要原因在第二部分中已經(jīng)分析過。但是，我們也看到，以東方自控為代表的國內(nèi)一些企業(yè)，已經(jīng)在包括變頻器在內(nèi)的控制工程的自主研發(fā)方面邁出了重要的步伐，取得了很多成果。因此，預(yù)計再經(jīng)過兩到三年時間，將可實現(xiàn)風(fēng)機控制工程的全面國產(chǎn)化配套，并具備如海上風(fēng)機等更大型風(fēng)電機組控制工程的自主研發(fā)能力，這樣，風(fēng)機國產(chǎn)化的最后一個瓶頸也將被
摘要：選擇適合低風(fēng)速的NACA63系列翼型，通過一定的成型方法，構(gòu)造出完全對稱的S型葉片。以三維雷諾平均Navier-Stokes方程為基礎(chǔ)，應(yīng)用正交優(yōu)化方法，對S型葉片的葉型安裝角沿徑向的分布規(guī)律進行了正交優(yōu)化設(shè)計。在滿足風(fēng)量、風(fēng)壓要求及葉片數(shù)較少、弦長較小的前提下，獲得了最高的流動效率，取得了良好的設(shè)計效果。
關(guān)鍵詞：可逆風(fēng)機；S型葉片；三維正交優(yōu)化設(shè)計
0引言
在很多場合下，如地鐵、礦山和隧道等地下工程，對風(fēng)機反向運行的氣動性能與正向要求相當(dāng)。在日常通風(fēng)時風(fēng)機正轉(zhuǎn)，要求風(fēng)機具有較高的氣動效率和較低的噪聲；而在火災(zāi)等緊急情況下風(fēng)機反轉(zhuǎn)，為了及時排出有毒有害氣體，保護旅客或施工人員的生命安全，要求風(fēng)機必須具有較大的風(fēng)量和風(fēng)壓。
近十年來，國內(nèi)不少學(xué)者對可逆風(fēng)機開展過研究，S型葉片是可逆風(fēng)機中比較常用的一種葉片，這種雙向?qū)ΨQ翼型使得風(fēng)機具有完全相同的正反向氣動性能，文獻[1-2]對S形葉片進行了研究，取得了良好的效果，文獻[3]對完全可逆的S型葉片上下游設(shè)置安裝角度為90°的完全對稱翼型的前后導(dǎo)葉，從而提高了氣動性能。
然而，由于這類風(fēng)機的應(yīng)用量大面廣，企業(yè)間的無序競爭導(dǎo)致相關(guān)產(chǎn)品利潤空間非常小。在保證流動效率的前提下，簡化機械結(jié)構(gòu)，控制葉片數(shù)量與葉片弦長，成了降低制造成本、提高產(chǎn)品利潤的關(guān)鍵。本文正是應(yīng)某企業(yè)委托，在提高一定氣動性能的前提下，將原φ2000的可逆風(fēng)機，由14個葉片、320～340mm弦長改為12個葉片、280mm弦長。
1流場仿真與數(shù)值試驗
在圓柱坐標(biāo)系（r，θ，x）下，有限體積的三維雷諾平均Navier-Stokes方程，詳見文獻[4]。
2S型葉片構(gòu)造、基本翼型選擇、弦長及葉片數(shù)的比較
2.1 S翼型構(gòu)造方法[5]
本設(shè)計是在文獻[5]的基礎(chǔ)進行的，文獻[5]利用一種NACA4系列翼型見圖1，其弦長為b，最大厚度T/b＝0.075，最大拱度δ為0.025，最大拱度位置a/b=0.5。
對圖1所示的NACA4系列翼型，把后半部分擦掉，將前半部分葉型繞O點（水平方向中線與垂直方向中線的交點）旋轉(zhuǎn)180°，可以得到圖2所示的基本S型翼型。
文獻[5]的研究表明，圖2所示的基本S型翼型在做功能力等方面不能滿足實際設(shè)計的需要，因此，文獻[5]提出了將上述S型翼型疊加在一條“~”型的母線上，經(jīng)過優(yōu)化母線形狀，得到圖3所示的S型翼型。
2.2 基本翼型選擇
根據(jù)常規(guī)可逆風(fēng)機的特點，流速通常相對較低，相比NACA4系列，NACA63系列翼型應(yīng)該具有更大的優(yōu)勢，因此，應(yīng)用與文獻[5]相同的方法，我們構(gòu)造出基于NACA63系列翼型的新的S型翼型。經(jīng)過數(shù)十個典型工況的數(shù)值模擬及分析與比較，發(fā)現(xiàn)在設(shè)計工況下，基于NACA63系列翼型的S型葉片比基于NACA4系列翼型的S型葉片，全壓效率高2%～5%。
2.3 弦長及葉片數(shù)的比較
對上述以NACA63系列基本翼型構(gòu)成的S型葉片，在合適的葉片幾何安裝角條件下，研究弦長分別為260mm、270mm、280mm、290mm、300mm、310mm、320mm，葉片數(shù)分別為8、9、10、11、12、13、14時的風(fēng)量、全壓及全壓效率，結(jié)果表明弦長過小或葉片數(shù)過少時很難保證風(fēng)量與全壓，弦長較長而葉片數(shù)較多時，全壓與風(fēng)量都比較容易滿足，但風(fēng)機制造成本較大。為了保證風(fēng)量與全壓，又兼顧制造成本，最后選取了弦長280mm，12個葉片數(shù)作為該風(fēng)機設(shè)計的基本參數(shù)。
3 目標(biāo)函數(shù)
根據(jù)委托方的要求，該風(fēng)機輪轂比為0.4，外徑為1000mm。在S型翼型、弦長及葉片數(shù)確定后，給出了如下的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：
N為根部到頂部選取的截面數(shù)，βi為i截面處的安裝角，η為效率，G為風(fēng)量，p2為風(fēng)壓。
4 正交優(yōu)化方法
在風(fēng)量及全壓滿足的條件下，葉片弦長及葉片數(shù)等給定，影響全壓效率的參數(shù)主要是葉片的安裝角沿徑向的分布。沿徑向取N個截面，根據(jù)速度三角形，初步?jīng)Q定每個截面上翼型的安裝角，對于這樣一個優(yōu)化問題，有N個優(yōu)化參數(shù)，用華羅庚教授提出的優(yōu)選法（正交設(shè)計是最為簡單、方便、有效的一種，采用正交優(yōu)化思想，可以通過為數(shù)不多的實驗，經(jīng)過綜合整理，得到全局最優(yōu)解，能夠大量減少實驗次數(shù)。具體的正交設(shè)計思想可以參見文獻[6]，這里就不再描述。
對每個影響效率的參數(shù)，分別在其對應(yīng)的選值范圍內(nèi)，等間距分成N-1個水平，對本文這種情況，要是每個參數(shù)的各種水平之間一一搭配，全部實驗，共需要（N-1）N次實驗，才能找到一組最佳組合。但如果采用L（N-1）×（N-1）[（N-1）N]正交表，只要經(jīng)過（N-1）×（N-1）次實驗，就可以獲得最佳的解，正交表的具體形式參見文獻[6]。
第一次優(yōu)化的選值范圍較大，通常還需要對參數(shù)范圍細化。在上面得到的最佳搭配附近的一定區(qū)間，用同樣的方法，再分成N-1個水平，再進行（N-1）×（N-1）次數(shù)值實驗，可以獲得更佳的搭配。經(jīng)過兩次細化，就可以獲得滿足實際需要的最優(yōu)解。
5設(shè)計結(jié)果與討論
利用上述正交優(yōu)化方法，得到了滿足流量及風(fēng)壓要求，且葉片數(shù)僅為12個、弦長280mm的風(fēng)機葉片，其全壓效率高達到91%，結(jié)果見表1，圖4給出了優(yōu)化設(shè)計出來的風(fēng)機轉(zhuǎn)子三維造型圖。
電機的支撐板選8個，制作成平板翼型，軸向安裝在流道的下游，相當(dāng)于該風(fēng)機的出口導(dǎo)葉，由于空間的限制，進口不安裝導(dǎo)葉，因此，在氣動設(shè)計時，一定要保證氣流的軸向進氣。當(dāng)風(fēng)機反轉(zhuǎn)時，軸向的電機支撐板相當(dāng)于進口導(dǎo)葉，由于轉(zhuǎn)子葉片采用了完全對稱的S型葉片，經(jīng)計算分析，正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)的氣動性能相當(dāng)。
圖5～圖7分別給出了展向15%、50%、85%處葉片表面上的壓力分布，可以看出三個截面具有相似的壓力分布，且都在弦向位置大概70%以前做正功，即空氣被增壓，正是這70%做正功的葉片，才保證了風(fēng)機的風(fēng)壓要求得到滿足；大概70%弦向位置以后做負功，即空氣膨脹，對于這種S型風(fēng)機葉片，由于對正向與反向進氣的要求完全相同，只有近尾緣處做負功，才能保證反向運行時該段由尾緣變成前緣后具有很好的做功能力。
圖8～圖10分別給出了展向15%、50%、85%截面處的速度矢量圖。應(yīng)該講，對于這種S型葉片，尤其是近尾緣的壓力面，由于“凸”弧的存在，要保證從根部到頂部，沒有流動分離，還是有一定的難度。本設(shè)計經(jīng)過優(yōu)化，最后獲得的葉片從根部到頂部都不存在哪怕是很小的流動分離區(qū)。這也是為什么盡管葉片上有30%的部分做負功，但由于沒有流動分離，流動效率還是能夠保持很高的原因。
6 結(jié)論
通過本文的設(shè)計，得到如下結(jié)論：
�。�1） NACA63系列翼型作為常規(guī)風(fēng)機設(shè)計的基礎(chǔ)翼型，是非常有效的；
�。�2） 在弦長相對較短、葉片數(shù)相對較少時，通過優(yōu)化葉片安裝角沿葉高的分布，可以得到風(fēng)量、風(fēng)壓滿足要求，流動效率高的通流部分。
參考文獻
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需求的快速增長也帶動了我國風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)的快速發(fā)展。2004年，我國風(fēng)機整機制造企業(yè)僅6家，目前明確進入風(fēng)機整機制造的企業(yè)已超過70家，另外還有一些公司正在開展進入風(fēng)機整機制造的前期準(zhǔn)備工作，呈現(xiàn)出“你未唱罷我登場，百家風(fēng)企競風(fēng)流”這樣一個喜憂參半的格局。喜的是經(jīng)過這些年的發(fā)展，內(nèi)資和合資企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大、技術(shù)能力不斷增強、市場占有率上升很快。2004年，內(nèi)（合）資企業(yè)和外資企業(yè)占當(dāng)年風(fēng)電新增裝機的比例分別為25%和75%，而到2008年這一比例正好顛倒了過來，內(nèi)（合）資企業(yè)已經(jīng)在風(fēng)電市場上占據(jù)絕對主導(dǎo)地位。至于這些整機制造廠家?guī)拥牧悴考a(chǎn)企業(yè)究竟有多少，更是一個無法準(zhǔn)確統(tǒng)計的數(shù)字。這些風(fēng)機整機制造企業(yè)及零部件企業(yè)的發(fā)展壯大，有力地促進了我國風(fēng)電制造業(yè)技術(shù)水平和生產(chǎn)規(guī)模的提高。憂的是這70余家風(fēng)機企業(yè)的技術(shù)水平、生產(chǎn)規(guī)模、服務(wù)能力參差不齊，真正形成規(guī)模、比較有競爭能力的還只有寥寥幾家，大多數(shù)企業(yè)對于未來面臨的巨大風(fēng)險都估計不足，這是我國目前風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)存在的一個突出問題。
從未來的發(fā)展形勢來看，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)至少將有十多年的黃金發(fā)展期。從世界范圍來看，美國、德國等工業(yè)發(fā)達國家為解決能源短缺和環(huán)境污染問題，都將大規(guī)模發(fā)展風(fēng)力發(fā)電作為主要解決方案。在我國，情況也是如此。2008年底，1215萬千瓦的風(fēng)電裝機容量占我國電力總裝機容量的比例還僅為1.5%，預(yù)計到2020年這一比例將達到10%左右，即到2020年風(fēng)電裝機容量將達到1.4億千瓦這樣的水平，這是十分可觀的數(shù)字。這表明，從宏觀形勢來看，風(fēng)電行業(yè)大發(fā)展的高潮確實已經(jīng)到來。
風(fēng)機控制工程的發(fā)展現(xiàn)狀
風(fēng)機的控制工程是風(fēng)機的重要組成部分，它承擔(dān)著風(fēng)機監(jiān)控、自動調(diào)節(jié)、實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲以及保證良好的電網(wǎng)兼容性等重要任務(wù)，它主要由監(jiān)控工程、主控工程、變槳控制工程以及變頻工程（變頻器）幾部分組成。各部分的主要功能如下：
監(jiān)控工程（SCADA）：監(jiān)控工程實現(xiàn)對全風(fēng)場風(fēng)機狀況的監(jiān)視與啟、停操作，它包括大型監(jiān)控軟件及完善的通訊網(wǎng)絡(luò)。
主控工程：主控工程是風(fēng)機控制工程的主體，它實現(xiàn)自動啟動、自動調(diào)向、自動調(diào)速、自動并網(wǎng)、自動解列、故障自動停機、自動電纜解繞及自動記錄與監(jiān)控等重要控制、保護功能。它對外的三個主要接口工程就是監(jiān)控工程、變槳控制工程以及變頻工程（變頻器），它與監(jiān)控工程接口完成風(fēng)機實時數(shù)據(jù)及統(tǒng)計數(shù)據(jù)的交換，與變槳控制工程接口完成對葉片的控制，實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲以及恒速運行，與變頻工程（變頻器）接口實現(xiàn)對有功功率以及無功功率的自動調(diào)節(jié)。
變槳控制工程：與主控工程配合，通過對葉片節(jié)距角的控制，實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲以及恒速運行，提高了風(fēng)力發(fā)電機組的運行靈活性。目前來看，變槳控制工程的葉片驅(qū)動有液壓和電氣兩種方式，電氣驅(qū)動方式中又有采用交流電機和直流電機兩種不同方案。究竟采用何種方式主要取決于制造廠家多年來形成的技術(shù)路線及傳統(tǒng)。
變頻工程（變頻）器：與主控制工程接口，和發(fā)電機、電網(wǎng)連接，直接承擔(dān)著保證供電品質(zhì)、提高功率因素，滿足電網(wǎng)兼容性標(biāo)準(zhǔn)等重要作用。
從我國目前的情況來看，風(fēng)機控制工程的上述各個組成部分的自主配套規(guī)模還相當(dāng)不如人意，到目前為止對國外品牌的依賴仍然較大，仍是風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)中最薄弱的環(huán)節(jié)。而風(fēng)機其它部件，包括葉片、齒輪箱、發(fā)電機、軸承等核心部件已基本實現(xiàn)國產(chǎn)化配套（盡管質(zhì)量水平及運行狀況還不能令人滿意），之所以如此，原因主要有：
（1）我國在這一技術(shù)領(lǐng)域的起步較晚，尤其是對兆瓦級以上大功率機組變速恒頻控制技術(shù)的研究，更是最近幾年的事情，這比風(fēng)機技術(shù)先進國家要落后二十年時間。前已述及，我國風(fēng)電制造產(chǎn)業(yè)是從2005年開始的最近四年才得到快速發(fā)展的，國內(nèi)主要風(fēng)機制造廠家為了快速搶占市場，都致力于擴大生產(chǎn)規(guī)模，無力對控制工程這樣的技術(shù)含量較高的產(chǎn)品進行自主開發(fā)，因此多直接從MITA、Windtec等國外公司采購產(chǎn)品或引進技術(shù)。
（2）就風(fēng)機控制工程本身的要求來看，確有它的特殊性和復(fù)雜性。從硬件來講，風(fēng)機控制工程隨風(fēng)機一起安裝在接近自然的環(huán)境中，工作有較大振動、大范圍的溫度變化、強電磁干擾這樣的復(fù)雜條件下，因此其硬件要求比一般工程要高得多。從軟件來講，風(fēng)機要實現(xiàn)完全的自動控制，必須有一套與之相適應(yīng)的完善的控制軟件。主控工程、變槳工程和變頻器需要協(xié)同工作才能實現(xiàn)在較低風(fēng)速下的最大風(fēng)能捕獲、在中等風(fēng)速下的定轉(zhuǎn)速以及在較大風(fēng)速下的恒頻、恒功運行，這需要在這幾大部件中有一套先進、復(fù)雜的控制算法。國內(nèi)企業(yè)要完全自主掌握確實需要一定時間。
（3）風(fēng)機控制工程是與風(fēng)機特性高度結(jié)合的工程，包括主控、變槳和變頻器在內(nèi)的控制軟件不僅算法復(fù)雜，而且其各項參數(shù)的設(shè)定與風(fēng)機本身聯(lián)系緊密，風(fēng)機控制工程的任務(wù)不僅僅是實現(xiàn)對風(fēng)機的高度自動化監(jiān)控以及向電網(wǎng)供電，而且還必須通過合適的控制實現(xiàn)風(fēng)能捕獲的最大化和載荷的最小化，一般的自動化企業(yè)即使能研制出樣機，也很難得到驗證，推廣就更加困難。而中小規(guī)模的風(fēng)機制造商又無力進行這樣的開發(fā)。
即便如此，國內(nèi)企業(yè)通過這幾年的努力，已經(jīng)在控制工程主要部件的開發(fā)上取得了積極進展，已基本形成了自主的技術(shù)開發(fā)能力，所欠缺的主要是產(chǎn)品的大規(guī)模投運業(yè)績以及技術(shù)和經(jīng)驗積累。比如，作為風(fēng)機控制工程中技術(shù)含量最高的主控工程和變頻器，國內(nèi)企業(yè)在自主開發(fā)上已取得重要進展。東方自控經(jīng)過幾年的努力，已成功開發(fā)出DWS5000風(fēng)機控制工程，并已完成各種測試及風(fēng)機運行驗證，實現(xiàn)了規(guī)�；a(chǎn)，基本形成了自主開發(fā)能力�？浦Z偉業(yè)也研制出了兆瓦級機組的控制工程。在變頻器方面，東方自控、合肥陽光、清能華福、科諾偉業(yè)等一批企業(yè)也異軍突起，開發(fā)出了大功率雙饋及直驅(qū)機型的變頻器，產(chǎn)品已有小批量在風(fēng)場投運，呈獻出可喜的發(fā)展勢頭。
隨著國內(nèi)企業(yè)所開發(fā)風(fēng)機容量越來越大，風(fēng)機控制技術(shù)必須不斷發(fā)展才能滿足這一要求，如葉片的驅(qū)動和控制技術(shù)、如更大容量的變頻器開發(fā)，都是必須不斷解決的新的課題，這里不進行詳細闡述。當(dāng)前，由于風(fēng)力發(fā)電機組在我國電網(wǎng)中所占比例越來越大，風(fēng)力發(fā)電方式的電網(wǎng)兼容性較差的問題也逐漸暴露出來，同時用戶對不同風(fēng)場、不同型號風(fēng)機之間的聯(lián)網(wǎng)要求也越來越高，這也對風(fēng)機控制工程提出了新的任務(wù)。
（1）采用統(tǒng)一和開放的協(xié)議以實現(xiàn)不同風(fēng)場、不同廠家和型號的風(fēng)機之間的方便互聯(lián)。目前，風(fēng)機投資用戶和電網(wǎng)調(diào)度中心對廣布于不同地域的風(fēng)場之間的聯(lián)網(wǎng)要求越來越迫切，雖然各個風(fēng)機制造廠家都提供了一定的手段實現(xiàn)風(fēng)機互連，但是由于采用的方案不同，不同廠家的風(fēng)機進行互聯(lián)時還是會有很多問題存在，實施起來難度較大。因此，實現(xiàn)不同風(fēng)機之間的方便互聯(lián)是一個亟待解決的重要課題。
（2）需要進一步提高低電壓穿越運行能力（LVRT）。風(fēng)力發(fā)電機組，尤其是雙饋型風(fēng)機，抵抗電網(wǎng)電壓跌落的能力本身較差。當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落時，從前的做法是讓風(fēng)機從電網(wǎng)切出。當(dāng)風(fēng)機在電網(wǎng)中所占比例較小時，這種做法對電網(wǎng)的影響還可以忽略不計。但是，隨著在網(wǎng)運行風(fēng)機的數(shù)量越來越大，尤其是在風(fēng)力發(fā)電集中的地區(qū)，如國家規(guī)劃建設(shè)的六個千萬千瓦風(fēng)電基地，這種做法會對電網(wǎng)造成嚴(yán)重影響，甚至可能進一步擴大事故。歐洲很多國家，如德國、西班牙、丹麥等國家，早就出臺了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，要求在這種情況下風(fēng)機能保持在網(wǎng)運行以支撐電網(wǎng)。風(fēng)機具有的這種能力稱為低電壓穿越運行能力（LVRT），有的國家甚至要求當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落至零時還能保持在網(wǎng)運行。我國也于今年8月由國家電網(wǎng)公司出臺了《風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》，其中規(guī)定了我國自己的低電壓穿越技術(shù)要求，明確要求風(fēng)電機組在并網(wǎng)點電壓跌落至20%額定電壓時能夠保持并網(wǎng)運行625ms、當(dāng)?shù)浒l(fā)生3s內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90%時，風(fēng)電機組保持并網(wǎng)運行的低電壓穿越運行要求。應(yīng)該說，這還只是一個初步的、相對較低的運行要求。在今后可能還會出臺更為嚴(yán)格的上網(wǎng)限制措施。這些要求的實現(xiàn)，主要靠控制工程中變頻器算法及結(jié)構(gòu)的改善，當(dāng)然和主控和變槳工程也有密切聯(lián)系。
（3）實現(xiàn)在功率預(yù)估條件下的風(fēng)電場有功及無功功率自動控制。目前，風(fēng)電機組都是運行在不調(diào)節(jié)的方式，也就是說，有多少風(fēng)、發(fā)多少電，這在風(fēng)電所占比例較小的情況下也沒有多大問題。但是，隨著風(fēng)電上網(wǎng)電量的大幅度增加，在用電低谷段往往是風(fēng)機出力最大的時段，造成電網(wǎng)調(diào)峰異常困難，電網(wǎng)頻率、電壓均易出現(xiàn)較大波動。當(dāng)前，電網(wǎng)對這一問題已相當(dāng)重視，要求開展建設(shè)風(fēng)電場功率預(yù)測工程和風(fēng)電出力自動控制工程，實現(xiàn)在功率預(yù)測基礎(chǔ)上的有功功率和無功功率控制能力。事際上，這個工程的建設(shè)不是一件容易的事情，涉及到很多方面的技術(shù)問題。但是，無論如何說，序幕已經(jīng)拉開。
發(fā)展展望
從上面的敘述中可以看出，控制工程作為風(fēng)電機組中最關(guān)鍵的核心零部件，目前仍是國內(nèi)風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)中最薄弱的環(huán)節(jié)，也是國內(nèi)目前唯一沒有實現(xiàn)批量國產(chǎn)化的部件，其主要原因在第二部分中已經(jīng)分析過。但是，我們也看到，以東方自控為代表的國內(nèi)一些企業(yè)，已經(jīng)在包括變頻器在內(nèi)的控制工程的自主研發(fā)方面邁出了重要的步伐，取得了很多成果。因此，預(yù)計再經(jīng)過兩到三年時間，將可實現(xiàn)風(fēng)機控制工程的全面國產(chǎn)化配套，并具備如海上風(fēng)機等更大型風(fēng)電機組控制工程的自主研發(fā)能力，這樣，風(fēng)機國產(chǎn)化的最后一個瓶頸也將被
摘要：選擇適合低風(fēng)速的NACA63系列翼型，通過一定的成型方法，構(gòu)造出完全對稱的S型葉片。以三維雷諾平均Navier-Stokes方程為基礎(chǔ)，應(yīng)用正交優(yōu)化方法，對S型葉片的葉型安裝角沿徑向的分布規(guī)律進行了正交優(yōu)化設(shè)計。在滿足風(fēng)量、風(fēng)壓要求及葉片數(shù)較少、弦長較小的前提下，獲得了最高的流動效率，取得了良好的設(shè)計效果。
關(guān)鍵詞：可逆風(fēng)機；S型葉片；三維正交優(yōu)化設(shè)計
0引言
在很多場合下，如地鐵、礦山和隧道等地下工程，對風(fēng)機反向運行的氣動性能與正向要求相當(dāng)。在日常通風(fēng)時風(fēng)機正轉(zhuǎn)，要求風(fēng)機具有較高的氣動效率和較低的噪聲；而在火災(zāi)等緊急情況下風(fēng)機反轉(zhuǎn)，為了及時排出有毒有害氣體，保護旅客或施工人員的生命安全，要求風(fēng)機必須具有較大的風(fēng)量和風(fēng)壓。
近十年來，國內(nèi)不少學(xué)者對可逆風(fēng)機開展過研究，S型葉片是可逆風(fēng)機中比較常用的一種葉片，這種雙向?qū)ΨQ翼型使得風(fēng)機具有完全相同的正反向氣動性能，文獻[1-2]對S形葉片進行了研究，取得了良好的效果，文獻[3]對完全可逆的S型葉片上下游設(shè)置安裝角度為90°的完全對稱翼型的前后導(dǎo)葉，從而提高了氣動性能。
然而，由于這類風(fēng)機的應(yīng)用量大面廣，企業(yè)間的無序競爭導(dǎo)致相關(guān)產(chǎn)品利潤空間非常小。在保證流動效率的前提下，簡化機械結(jié)構(gòu)，控制葉片數(shù)量與葉片弦長，成了降低制造成本、提高產(chǎn)品利潤的關(guān)鍵。本文正是應(yīng)某企業(yè)委托，在提高一定氣動性能的前提下，將原φ2000的可逆風(fēng)機，由14個葉片、320～340mm弦長改為12個葉片、280mm弦長。
1流場仿真與數(shù)值試驗
在圓柱坐標(biāo)系（r，θ，x）下，有限體積的三維雷諾平均Navier-Stokes方程，詳見文獻[4]。
2S型葉片構(gòu)造、基本翼型選擇、弦長及葉片數(shù)的比較
2.1 S翼型構(gòu)造方法[5]
本設(shè)計是在文獻[5]的基礎(chǔ)進行的，文獻[5]利用一種NACA4系列翼型見圖1，其弦長為b，最大厚度T/b＝0.075，最大拱度δ為0.025，最大拱度位置a/b=0.5。
對圖1所示的NACA4系列翼型，把后半部分擦掉，將前半部分葉型繞O點（水平方向中線與垂直方向中線的交點）旋轉(zhuǎn)180°，可以得到圖2所示的基本S型翼型。
文獻[5]的研究表明，圖2所示的基本S型翼型在做功能力等方面不能滿足實際設(shè)計的需要，因此，文獻[5]提出了將上述S型翼型疊加在一條“~”型的母線上，經(jīng)過優(yōu)化母線形狀，得到圖3所示的S型翼型。
2.2 基本翼型選擇
根據(jù)常規(guī)可逆風(fēng)機的特點，流速通常相對較低，相比NACA4系列，NACA63系列翼型應(yīng)該具有更大的優(yōu)勢，因此，應(yīng)用與文獻[5]相同的方法，我們構(gòu)造出基于NACA63系列翼型的新的S型翼型。經(jīng)過數(shù)十個典型工況的數(shù)值模擬及分析與比較，發(fā)現(xiàn)在設(shè)計工況下，基于NACA63系列翼型的S型葉片比基于NACA4系列翼型的S型葉片，全壓效率高2%～5%。
2.3 弦長及葉片數(shù)的比較
對上述以NACA63系列基本翼型構(gòu)成的S型葉片，在合適的葉片幾何安裝角條件下，研究弦長分別為260mm、270mm、280mm、290mm、300mm、310mm、320mm，葉片數(shù)分別為8、9、10、11、12、13、14時的風(fēng)量、全壓及全壓效率，結(jié)果表明弦長過小或葉片數(shù)過少時很難保證風(fēng)量與全壓，弦長較長而葉片數(shù)較多時，全壓與風(fēng)量都比較容易滿足，但風(fēng)機制造成本較大。為了保證風(fēng)量與全壓，又兼顧制造成本，最后選取了弦長280mm，12個葉片數(shù)作為該風(fēng)機設(shè)計的基本參數(shù)。
3 目標(biāo)函數(shù)
根據(jù)委托方的要求，該風(fēng)機輪轂比為0.4，外徑為1000mm。在S型翼型、弦長及葉片數(shù)確定后，給出了如下的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：
N為根部到頂部選取的截面數(shù)，βi為i截面處的安裝角，η為效率，G為風(fēng)量，p2為風(fēng)壓。
4 正交優(yōu)化方法
在風(fēng)量及全壓滿足的條件下，葉片弦長及葉片數(shù)等給定，影響全壓效率的參數(shù)主要是葉片的安裝角沿徑向的分布。沿徑向取N個截面，根據(jù)速度三角形，初步?jīng)Q定每個截面上翼型的安裝角，對于這樣一個優(yōu)化問題，有N個優(yōu)化參數(shù)，用華羅庚教授提出的優(yōu)選法（正交設(shè)計是最為簡單、方便、有效的一種，采用正交優(yōu)化思想，可以通過為數(shù)不多的實驗，經(jīng)過綜合整理，得到全局最優(yōu)解，能夠大量減少實驗次數(shù)。具體的正交設(shè)計思想可以參見文獻[6]，這里就不再描述。
對每個影響效率的參數(shù)，分別在其對應(yīng)的選值范圍內(nèi)，等間距分成N-1個水平，對本文這種情況，要是每個參數(shù)的各種水平之間一一搭配，全部實驗，共需要（N-1）N次實驗，才能找到一組最佳組合。但如果采用L（N-1）×（N-1）[（N-1）N]正交表，只要經(jīng)過（N-1）×（N-1）次實驗，就可以獲得最佳的解，正交表的具體形式參見文獻[6]。
第一次優(yōu)化的選值范圍較大，通常還需要對參數(shù)范圍細化。在上面得到的最佳搭配附近的一定區(qū)間，用同樣的方法，再分成N-1個水平，再進行（N-1）×（N-1）次數(shù)值實驗，可以獲得更佳的搭配。經(jīng)過兩次細化，就可以獲得滿足實際需要的最優(yōu)解。
5設(shè)計結(jié)果與討論
利用上述正交優(yōu)化方法，得到了滿足流量及風(fēng)壓要求，且葉片數(shù)僅為12個、弦長280mm的風(fēng)機葉片，其全壓效率高達到91%，結(jié)果見表1，圖4給出了優(yōu)化設(shè)計出來的風(fēng)機轉(zhuǎn)子三維造型圖。
電機的支撐板選8個，制作成平板翼型，軸向安裝在流道的下游，相當(dāng)于該風(fēng)機的出口導(dǎo)葉，由于空間的限制，進口不安裝導(dǎo)葉，因此，在氣動設(shè)計時，一定要保證氣流的軸向進氣。當(dāng)風(fēng)機反轉(zhuǎn)時，軸向的電機支撐板相當(dāng)于進口導(dǎo)葉，由于轉(zhuǎn)子葉片采用了完全對稱的S型葉片，經(jīng)計算分析，正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)的氣動性能相當(dāng)。
圖5～圖7分別給出了展向15%、50%、85%處葉片表面上的壓力分布，可以看出三個截面具有相似的壓力分布，且都在弦向位置大概70%以前做正功，即空氣被增壓，正是這70%做正功的葉片，才保證了風(fēng)機的風(fēng)壓要求得到滿足；大概70%弦向位置以后做負功，即空氣膨脹，對于這種S型風(fēng)機葉片，由于對正向與反向進氣的要求完全相同，只有近尾緣處做負功，才能保證反向運行時該段由尾緣變成前緣后具有很好的做功能力。
圖8～圖10分別給出了展向15%、50%、85%截面處的速度矢量圖。應(yīng)該講，對于這種S型葉片，尤其是近尾緣的壓力面，由于“凸”弧的存在，要保證從根部到頂部，沒有流動分離，還是有一定的難度。本設(shè)計經(jīng)過優(yōu)化，最后獲得的葉片從根部到頂部都不存在哪怕是很小的流動分離區(qū)。這也是為什么盡管葉片上有30%的部分做負功，但由于沒有流動分離，流動效率還是能夠保持很高的原因。
6 結(jié)論
通過本文的設(shè)計，得到如下結(jié)論：
�。�1） NACA63系列翼型作為常規(guī)風(fēng)機設(shè)計的基礎(chǔ)翼型，是非常有效的；
�。�2） 在弦長相對較短、葉片數(shù)相對較少時，通過優(yōu)化葉片安裝角沿葉高的分布，可以得到風(fēng)量、風(fēng)壓滿足要求，流動效率高的通流部分。
參考文獻
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負壓風(fēng)機廠家
負壓風(fēng)機外框
屋頂負壓風(fēng)機
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