目前的大功率风机的变桨和偏航系统方案并没有很大的变化，只是由于使用环境的改变和载荷的增加，对变桨和偏航系统提出了更高的要求。如大功率风机叶片采用分段叶片由变桨轴承互连，构成整体的方式，这对变桨系统的设计提出了更高的要求，变桨轴承不但要满足变桨的动作，还要保证叶片段之间的可靠连接，同时要留下足够的维护空间，其设计难度较大，特别是叶片间的连接方式是难点，目前可知的是采用螺栓连接，但在海上使用时，如何保证螺栓连接的抗腐蚀性能，这需要从结构和材料两方面同时着手解决^[6]。

    大功率风机的偏航系统需要在正常运行时保证风轮始终对准来流风向，并能刹住机舱的偏航运动。在较大风轮直径的情况下，机舱的惯性和偏航力矩都较大，为了使机舱能快速偏航找风，目前的方法主要是采用多个偏航电机并列安装的方式；为了保证发电时机舱位置的固定，采用多个液压偏航刹车并列安装的方式，由于大功率风机的塔筒在塔顶部分的直径较大，在结构上，安装多个偏航驱动不存在太大问题，但是如果偏航驱动数量过多的话，偏航齿轮箱的传递的效率可以会因为相互影响而下降，因此在偏航驱动的功率和数量上需要作优化分析，既保证较高的偏航效率，又保证偏航驱动数量最小。

   发电机的选择

   如表2.1所示，多级齿轮箱的传动链通常采用双馈异步电机；直驱型传动链通常采用永磁同步电机。目前国际上采用多级齿轮箱的双馈异步电机方案的主要厂家代表为Vestas，采用直驱的永磁同步电机方案的主要厂家代表为Enercon，虽然目前采用第一种方案的厂家较多，但目前最大功率的风机却是Enercon的E-126。永磁同步电机在风电应用领域相对于双馈异步电机具有天然的优势，它可以更好的捕获低风速下的能量，配合全功率变频器，具有更好的低电压穿越能力，因此越来越受到人们的关注，但目前的技术水平还无法有效的降低永磁同步电机的体积，据估计采用直驱永磁同步电机的10MW风机方案的机舱的长宽尺寸大概为13m×12m，重量达到800-900t。国外已经有厂家，如AMSC和RISO等尝试采用高温超导材料制造永磁电机转子，可以大大减轻永磁同步电机的重量和体积，使机舱总重达到5MW级风机的重量，但在未来的几年内都不会出现可以工程应用的产品，此外同步电机采用的全功率变频器价格昂贵，目前2MW风机的变频器价格在每千瓦1000元左右，更大功率的变频器价格更高，因此重量和成本是直驱永磁方案的发展制约。双馈异步电机方案是目前十分成熟的方案，它以略微降低低风速下的能量捕获的代价下，大大简化的电机的成本，采用部分功率变频器，使整机的价格大幅降低，即使加上齿轮箱的价格，其成本也较永磁同步电机方案要低，双馈异步电机方案的缺点在于电网的友好性较差和可靠性较低。

     整机控制方式

      如表2-1所示，目前大功率风机的主要控制方式是变速变桨控制（VS/Pitch），但也存在采用主动失速控制（Active Stall）的大功率风机，如Simens的3.6MW主动失速控制风机。主动失速控制与主流的变速变桨控制的原理基本一致，只是在额定功率以上的控制原理不同，变速变桨控制是通过改变叶片攻角限制输出功率，而主动失速是通过是使叶片主动进入失速状态来限制输出功率，相比而言，主动失速的效率更高，叶片变桨角度不大，就可以实现控制目的，但叶片在失速状态的运动存在不确定性，在特定工况下，存在一定的风险^[7]。

     未来的10MW风机叶片长度可达80米以上，风轮扫略面积超过20000m²，通过风轮平面的风速变化对风机的影响较目前的兆瓦级风机（如FD77的风轮扫略面积约为4700m²）将有很大增加，在阵风来临时，电机的反馈力矩不仅要克服阵风带来的力矩，同时还要保证风轮运行在叶片失速点上，这会增加输出功率的波动，在大功率情况下影响更大；另一方面，叶片长度的增加会改变叶片的刚度，增加叶片的气弹耦合效应，以及叶片与塔架的动力学耦合，这会增加主动失速控制的难度，因此在10MW级风机上采用目前流行的变速变桨控制方式的可能性更大。

    现有10MW级风力发电机组方案分析

     由于目前各个风机制造厂商对所开发10MW级风机的方案和主要参数进行了保密，目前可以找到的10MW级风力发电机组方案不多，主要有美国AMSC的SeaTitan机组、Clipper的Britannia机组、SWAY的SWAY机组，以及Wind Power limite的AerogeneratorX垂直轴机组。

      A MSC的SeaTitan机组采用直驱传动链布局，其最大特点是采用高温超导材料制造同步电机的转子，可以将整机尺寸降低到常规5MW风机的水平，因此在提高可靠性的同时，降低整机的重量和成本，据称SeaTitan样机由Windtec设计，可能在明后两年安装试运行。其基本参数如表2.2所示

表2.2 SeaTitan的基本参数

其概念设计图如图2.8所示

图2.8    SeaTitan概念设计图

Clipper的Britannia机组

Clipper在Britannia机组中采用了其业界闻名的独特的多电机方案。Britannia采用了四个2.5MW中速永磁发电机，每个电机都可以独立输出，即使一个坏掉，整机仍可发电7.5MW。Britannia机组的叶片长度为71.5m，机舱重量约为350-460t，每个部件可以单独拆卸，机舱内部安装维护吊车，可以在不使用外部吊车的情况下进行维护。估计2012年12月进行7.5MW岸上测试，最快2013年底进行海试，商业运行时间估计要5-7年。

Britannia机组的内部结构如图2.9所示^[8]

图2.9 Britannia机组内部结构

     SWAY的SWAY机组^[9]

      SWAY机组采用漂浮式基础，原理是底端配重的漂浮在水面上的直杆结构，整个风机的中心在浮力中心以下，使风机能承受机舱和风轮的重量和动态载荷。SWAY机组采用下风向三叶片风轮结构，传动链采用直驱型结构，其总重量大致和5-6MW多级齿轮箱机组相当（350-460t）。由于采用漂浮式基础结构，SWAY机组可以安装到深海地区，在风的作用下，机组将倾斜5-8°，不但可以更好地捕获风能，还可以提高机组在极端海况的生存能力。其基本技术参数为：风轮直径为145m，轮毂高度90m，总的高度162.5m（包括基础），设计年限在深海区达到25年，并可以承受百年一遇的巨浪和30米的浪高。

     SWAY机组的概念图如图2.10所示

图2.10 SWAY机组的概念设计图

      Wind Power limite的AerogeneratorX机组^[10]

        AerogeneratorX机组的结构形式与前面的方案不同，属于垂直轴风垂直轴布局，AerogeneratorX没有水平轴风机设计时必须考虑的机舱重量限制，叶片所受的因自重产生的疲劳载荷也小得多，且因重量增加而造成的传动链对中问题也得到减轻。据称，AerogeneratorX的重量仅相当于同功率的水平轴风机的一半，且主要重量都集中在基础。这些在海上风机应用方面都是很大的优势。

       虽然AerogeneratorX具有很多优势，但必须看到垂直轴风机在效率方面距离水平轴风机还有较大差距，因此会抵消在海上采用垂直轴风机带来的某些优势。据称AerogeneratorX的翼展达到275米，概念设计图如图2.11所示

图2.11 AerogeneratorX概念设计图

      对上述四个方案进行分析，可以大致了解目前10MW级风机发展的趋势有以下几个方面：

• 采用各种新技术，尽量减轻风机的整体重量和成本；
• 叶片材料采用碳素纤维，叶片结构分为两段，第一段叶片与轮毂固连，第二段叶片用于变桨控制，即部分变桨；
• 塔架结构也分为两段，采用不同材料制造。第一段塔筒采用预制钢筋混凝土构成，为了海上应用，可以采用外涂防腐漆或外包金属的方式，第二段塔筒采用钢材制造，满足焊接安装的需求，目前Enercon的E-126就采用这样的结构；
• 传动链以直驱布局为主，采用集成化设计方法，如SCD或Intergradrive等，尽量减轻整机重量。

        本文收集和总结了目前国内外商用大功率风机和公布的在研10MW级风机的相关信息，并分析了其设计对未来10MW级风机项目可能的影响，根据最大功率捕获控制策略的原理和GL offshore 规范的内容，对未来的I、II、III类10MW级风机的基本参数进行的估计和计算，并保证其计算结果尽可能合理，通过与国外已知风机设计的比较，所得的结果具有一定的参考性，今后随着项目的进一步深化，相信会得到更可行可信的设计方案，下一步的概念设计内容是建立不同部件的不同方案的评价体系和整机成本模型，从技术和成本两个角度入手，以期得到结构合理，成本最优的设计。