远景为什么

从掌握风电机组核心控制系统开始,这家公司一路向前,依次打开了变频器、变桨、叶片、发电机和齿轮箱的黑匣子。而这,或将引发连锁反应,加快中国风电走向世界强国的步伐。

远景为什么

从掌握风电机组核心控制系统开始,这家公司一路向前,依次打开了变频器、变桨、叶片、发电机和齿轮箱的黑匣子。而这,或将引发连锁反应,加快中国风电走向世界强国的步伐。

 

10年前,业内把掌握风电整机的核心控制比作打开制约中国风电发展的黑匣子,那时远景已经打开了这个黑匣子,但同时也意识到,打开变频器等关键大部件的黑匣子并掌握其核心技术,才是持续推动中国风电发展的根本所在。

 

到2017年9月,远景已经打开了风电整机所有关键大部件的黑匣子,且将最先进的技术用于这些部件的设计和制造中——这无疑会为这家公司在风电行业一路向前增加重量级砝码,关键大部件技术在风电领域的重要作用或将引发连锁反应,加快中国风电走向世界强国的步伐。

 

为什么要打开变频器的黑匣子

 

远景早在2009年10月就开始自研风电机组变频器了,即便已经量产实现了规模化应用,也还是刻意在低调行事。事实上,这家公司研发和扩产变频器的脚步从未停歇。

 

远景能源副总经理王晓宇博士回忆说,2010年,中国市场上的风电机组采用的变频器大多来自外资品牌,它们掌握了中国风电变频器市场的话语权,而中国整机厂商也为此付出了较高的成本。但即便如此,变频器故障率仍是整机厂商挥之不去的痛点。

 

远景自研变频器项目团队在对国内市场变频器故障率及故障类型进行深度研究后,得出一个重要结论:变频器与机组控制系统的协同不畅,不仅会诱发变频器故障,还会影响机组的发电量。正是受此启发,站在系统优化的层面上,远景不仅仅将变频器定位成一个实现电能变换的独立子部件,而是更多地考虑如何使其帮助提高系统性能和寿命。

 

2011年3月,远景自研的首台1.5MW标准变频器样品在启东风电场成功并网,后经安徽鲁山等风电场的批量化运行业绩验证,远景自研变频器正式步入产业化进程。

 

来自远景产品质量部门的数据显示,2014年,远景自研变频器导致的停机平均1年2次,到了2017年,自研变频器导致的停机平均3年才有1次。远景智慧电气卓越中心负责人李磊博士解释:“对自己的产品做改进能快速闭环,因为深入理解风机和变频器产品的机理,对系统的精准改善可以实现事半功倍。”

 

正是得益于从风机整机系统层面对变频功能组件的深刻理解,远景的变频器还拥有自行开发的寿命模型,可以对一系列关键子部件的寿命做出预测和实时状态监测,这些模型输出的动态边界能力不仅能够最大程度地帮助风机在过速过载等危险工况下安全运行和停机,更在机型设计之初即成为整机系统优化设计不可分割的一部分。

 

“远景在设计变频器的同时,也自主开发了自动化仿真控制软件平台,其全息模型可以定义现场所有可能出现的电压、电流、功率、频率以及工况场景,仿真精度和现场运行实况完全吻合。先进的高精度全息仿真模型,为自研变频器配置先进的控制算法提供了技术支持。”从仿真模型的角度出发,远景自研变频器项目团队王晓钰博士解释了自研变频器高性能背后的技术逻辑。

 

实际上,远景的高精度全息仿真系统为变频器设计注入了优质基因,这就不难理解为什么自研变频器具有协同机组优化控制系统的能力——变频器是距离发电机最近的智能单元,作为机组最底层的控制单元,其性能好坏和智能程度直接决定了机组能在何种场景及尺度下进行整机运行控制。

 

从设计层面看,作为控制单元,变频器在执行机组指令时的协同配合,不仅能实现电气传动链的效率优化,也可从整体上保证远景智能风机控制策略的执行。王晓钰博士强调,“自研变频器与风机的集成设计,提高了风机的并网友好性,减少了因涉网特性差导致的风电场弃风损失。”

 

不止如此,远景自研变频器中的机组传动链振荡抑制算法,还可以更有效地抑制机组传动链在运行过程中出现的低频振荡,防止传动链部件疲劳,从而保证传动链部件的使用寿命。在李磊博士看来,通过变频器的控制算法保护传动链部件全生命周期的安全,也是自研变频器的价值所在。但他也强调,客户对服务响应更为敏感,由于自研变频器不存在技术壁垒,研发人员可直接面对现场,并在3小时内给出解决方案、24小时内给出根因分析,不但能快速闭环,还可将一些现场问题输入产品设计中,最终实现产品性能的优化。

 

须提及的是,由于远景自研变频器与整机系统的协同优化,在远景机组内,传统分立的主控柜和变频柜已合并成一个柜体,但更为重要的在于,从系统设计层面,传统的主控柜和变频器的边界已经模糊了,在软件系统设计上,也已经成为不可分割的整体。

 

那么,远景自研变频器的直接结果是什么呢?

 

据远景电气系统采购负责人许智强透露,2015年以后,远景陆上全系列机组已经全部配备为远景自主知识产权的变频器。2018年以后,远景海上全系列机组也将全部配备远景变频器。许智强进一步说,“远景通过掌握变频器产品的全部知识产权,包括所有的软硬件设计,然后通过发包给类似富士康这样的代工企业生产,使得变频器的采购成本得到了大幅的降低。”

 

更重要的在于,自研变频器对整机的开发和演进产生更多可能的自由度。正是由于对变频器技术完全的自主知识产权,远景的机组整机开发团队才可以根据新的机组特性,在程序设计、参数设计等算法开发的核心环节进行系统整合,更好更快地推出引领市场的创新机型。

 

远景智能双模机组和中压机组都是基于其变频器技术的创新。远景2012年7月推出的双模机组不但兼具直驱全功率和双馈机组的优势,还有最好的风能捕获优势,在高风速工况和低风速工况下均有较高的发电效率。它是一款机型,也是一项应用技术,已在多个风电场批量应用。从运行数据来看,经双模技术改造后,机组的年发电量比未改造的双馈机组最高可提升近2%。

 

为什么要突破叶片技术理论

 

要知道,远景设立在美国科罗拉多的全球叶片创新中心汇聚了全球叶片领域的顶尖人才,当空气动力学的资深科学家遇上复合材料结构学的顶尖工程师,下一代更轻更具捕风效率的叶片就出现在人们的眼前——射阳风电场就运行了这样的叶片。

 

这款叶片采用了全三维叶片设计技术,从借鉴V22鱼鹰机翼设计理论到下一代风机叶片技术突破,远景付出了3年的艰苦努力。

 

在远景,中国叶片工程集成中心研发总监、前LM研发总监PeterGrabau先生曾经主导开发了LM近1/3的专利,美国全球叶片创新中心负责人、前西门子叶片研发中心首席工程师KevinStandish先生在叶片设计上的独特建树也为远景最新的叶片技术注入了全球最新的研发思想。一份内部文件显示,远景自研叶片团队的全球顶级专家已达55人,涉及叶片气动、结构设计及载荷、材料及工艺、测试与验证等多个领域。

 

这是一个关乎风电整机开发的本质问题。

 

风电整机设计开发,本质上是一个基于叶片空气动力学应用的流体和结构反复迭代寻优的过程,其中机组结构载荷、叶片气动性能和核心控制手段是风机设计寻优的三大变量,也就是设计工程师所说的LAC风机设计寻优。

 

关键在于,风机设计工程师要真正掌控这些变量,而不是面对仅能输出或输入设计参数的黑匣子。也正因此,远景执意要打开叶片设计的黑匣子,让叶片气动成为一个可寻优的变量。叶片是把风能转化成机械能的核心部件,成本约占风机成本的30%,其气动载荷主导了风机另外70%的主要成本。这意味着,如果叶片通过自身的气动外形卸掉某些风况带来的有害载荷,就会相应降低传动链上其他部件的载荷,那么降低整机用材成本也就水到渠成。

 

但这取决于远景叶片研发团队对叶片空气动力学未知的认知程度。在远景全球叶片创新中心负责人Kevin先生看来,“这几乎就是向叶片的基础理论发起挑战!”

 

专业人士知道,直到目前,对叶片的气动性能分析还是基于格朗特在1935年提出的叶素动量理论(BEM),可很多科技文献和验证结果已表明,在模拟叶尖速比较低的短叶片时,格朗特理论模型尚能近似符合风洞实验结果,而当叶片越来越长时却不能真实地体现风轮在流场中的气流形态。实际上,BEM理论基本方法和模型已经表明,在较高叶尖速比条件下,由于风轮尾涡螺距变小,叶片的诱导速度分布十分复杂,而BEM理论基于独立平衡流管假设的计算准确性,会随着叶尖速比升高而下降,直到不适用。

 

远景注意到的一个变化是,随着低风速风电场的开发,风轮直径不断加大,最优叶尖速比已高达10甚至12。这表明,建立在较低叶尖速比假设基础上的传统BEM理论已不能准确模拟大叶片的实际气动载荷,也不再适用对较高叶尖速比的大叶片进行气动效率分析。

 

这样的发现令远景全球叶片研发团队既兴奋又焦虑:如果不能还原风能在流场中的气流形态,叶片未被认知的气动效率岂不是永远无法被唤醒?更现实的问题是,由格朗特修正经验公式推导而来的叶片气动效率Cp值的利用上限很可能被低估了。那么,叶片实际可利用效率的极限究竟在哪里?

 

如此本质的问题可从航空航天业得到深刻的启迪。

 

美国V22鱼鹰的旋翼采用全三维旋翼气动外形设计技术,这其中就包括了基于自由涡运动理论的非定常气动载荷求解技术。与固定翼飞机不同,直升机旋翼的流场与风机叶轮的流场更接近。与BEM理论相比,自由涡尾迹方法更接近物理实际,实际求解了尾涡的空间位置分布和强度分布,建立了叶片诱导速度径向分布和尾涡分布的数学关系,具有更高的计算准确性,尤其是可以通过模拟叶片的涡流运动细节得到叶片非定常气动载荷。远景全球叶片团队的研究显示,在叶片处于最优叶尖速比时,自由涡方法可以避免传统的BEM理论预测失效问题,获得更准确的最优功率系数和最优叶尖速比。

 

“远景全球叶片团队将直升机旋翼设计中使用的自由涡尾迹方法应用到远景自研叶片的设计中,当然也包括计算流体力学CFD技术和全三维叶片气动、结构耦合优化等技术。”远景美国全球叶片创新中心叶片设计专家、前GE叶片高级工程师MohamadSultan先生表示,有两个维度的数据可以说明远景叶片效率的突破:一个维度的数据是,叶片最佳捕获段的气动效率提升5%以上;另一个维度的数据是,远景叶片改变了传统叶片设计中对刚度制约的上限,测试结果表明叶片整体刚度提升了10%。

 

出于商业上的考虑,MohamadSultan不愿意过多透露远景叶片技术的设计细节,但是实际叶片在中国风电场的运行还是引起国内叶片制造厂商对远景叶片技术的探究。

 

在射阳风电场,一位精于叶片制造的专业人士看出了远景121叶片气动外形的不同。“利用自开发的先进数字仿真平台,实现了这款叶片的二维及三维气动设计,再通过多目标寻优实现了性能、载荷、重量以及噪音的最优设计。”远景叶片测试与验证专家、前美国新能源实验室高级工程师MichaelDesmond先生在向这位专业人士提及这款叶片的设计时说,“全球叶片风洞测试资源的整合利用,为这款叶片高效率翼型开发提供了数据支持。”

 

值得一提的是,远景叶片翼型是针对中国风电场特点的定制化设计,其抗污染、低噪音以及更优的气动性能得益于和整机系统的协同开发、无缝对接,不仅实现了风机的最优发电性能,整机成本也下降了10%。

 

为什么用软件定义自研发电机

 

发电机已是风电大部件领域普通且成熟的产品,可远景仍未停歇对它的不断探索。基于对发电机的使用以及对失效模式的认知和理解,远景汇聚了超过20位全球发电机领域的高端人才,涉及电磁计算及仿真开发、机械有限元分析和验证、CFD流体仿真等多个领域。在这个全球化的自研发电机团队中,KurtAndersen先生曾任VattenfallCTO和Siemens风电首席产品架构师,他对发电机的研发有独到见解。JarkkoSaramo先生曾任ABB芬兰研发中心全球技术总监,主导了ABB双馈风力发电机在行业的领先地位。DengHeng博士在维斯塔斯、西门子丹麦研发中心工作超过10年,作为西门子丹麦研发中心研发经理以及电力电子与控制专家,他主导了西门子直驱发电机控制算法、风机数字化仿真平台、噪声与振动控制算法以及变频器与发电机调优算法,是构建西门子直驱核心技术的关键贡献者。

 

事实上,2016年年底,远景2.XMW发电机就已在多个风电场运行了。而且,其更高性能的发电机也正在测试中,有望于2018年上半年在风电场小批量投入运行。

 

回到已在风电场运行的远景2.XMW发电机上,专业人士可从它现有的技术亮点上感知到它的客户价值。“这款发电机适用于2.1MW至2.5MW的风电机组,设计理论寿命超出22年,绝缘设计理论工作寿命远超30年,短时过载能力1.1倍,极限工况下超发能力大于国内主流电机产品,且能满足电网正负10%及无功工作需求。”KurtAndersen先生透露,发电机总体损耗比常规发电机损耗减少约20%,整机年发电量预计可提高1%。在性能对比上,远景发电机有5项关键性能指标优于全球知名品牌的同功率发电机。

 

从风电整机系统设计优化的角度看,发电机应当是一个能与系统互动的大部件,而不是整机组装中的一块积木,“无论是机械传动链的轻量化,还是电气传动链的效率提升,发电机都可以扮演关键角色。”在KurtAndersen先生看来,“远景认知发电机的最大价值在于,将发电机置于风电场的风频分布场景,通过整机系统的优化挖掘发电机的潜力。”

 

也就是说,远景发电机是风电整机平台上一个不断被优化的变量,发电机的认知与研发始终处于“平台变量”这一纵向的维度中。比如,充分利用齿轮箱的变速比来抬高系统转速,以降低发电机的变频器侧电流,按照这样的方法,即使在增加发电机功率的情况下,也能保证变频器容量不需要发生变化,并可以在电网恶劣的工况下将发电机电流控制在足够的水平。“实现这一点,只需要用较少的成本改变发电机的短板部件即可,其更大价值在于,将齿轮箱和发电机做到最优的选型和设计,就可以抬高整机的输出功率,并能在大功率下使用低一个等级的变频器机侧单元,从而降低整个传动链的成本或提高系统的整体发电输出。”远景自研发电机项目主任设计工程师、前ABB发电机设计高级工程师、前Siemens风电电机亚太区负责人YangJian这样说道。

 

发电机是把机械能转换成电能的大部件,发电量和成本的平衡是发电机设计优化中最重要的考量因素,这在电磁设计环节尤为明显。在这方面,远景不但有全球顶尖的电磁设计团队,还有自行开发的基于风电场数据的发电机设计仿真工具,它可以产生多个电磁设计方案,“实际上,我们是在几百个电磁设计方案中选择一个最优的方案,这就是软件仿真的力量。”DengHeng博士强调了软件对发电机设计的价值。

 

实际上,用软件来定义自研发电机贯穿了发电机的全寿命周期,除了基于功能的设计思路,更重要的是在推动设计朝着更大范围满足客户风电场风况及特殊环境要求的方向演进,不但整机的核心控制系统要掌控发电机的运行行为,发电机也要知晓自身的边界效率。远景自研发电机项目模块管理负责人BallackLiu举例说,“在开发这款发电机的过程中,自研团队将动力电缆的损耗、变压器的损耗模型以及变频器的协同模型和低风速风电场的风频模型等,全都放到了整机系统软件平台上一同来进行发电机的设计优化,也就是说,从发电机的角度选择一个最优的发电机设计方案。”

 

很微妙,发电机的设计是通过传动链上的不同部件、不同模型来实现最优发电量功能的,它不再是块冷冰冰的积木,而是变得更有灵性。比如,远景发电机可以根据自己对温度的掌控情况,在某个风速时段决定自己的超发时间,而又不影响自己的寿命,还可以根据绝缘性能算法来预测自己的绝缘寿命。

 

显然,这是整机系统下软件定义发电机设计的结果,这也反映在可靠性设计和寿命测试验证环节中。在这款发电机可靠性设计上,自研团队进行了超过45项设计及工艺优化,将各个子系统上的精细化做到了极致。“这款发电机经历了地面型式测试、加速老化测试和风电场运行磨损验证,完全印证了它的可靠性,我们坚信它的寿命会超过20年!”提及发电机寿命测试,YangJian列举了一组数据:地面型式测试项目超过100项,加速老化测试时间超过20000小时,样机在风电场运行3个月无一例故障。

 

稍微展开点说,通过对发电机、减震器和安装支架系统层面进行的固有频率多阶仿真,以确保这款发电机的工作转速频内没有共振点,模态测试和整机的振动测试结果也表明了该发电机工作转速下的极低振动幅值,这使得发电机具备更高的超速能力和更长的轴承寿命。

 

更需要补充的一点是,远景自研发电机团队通过3种测试方式分别对3台发电机的剩余寿命进行了测试验证,三组数据的比对情况足以成为这款发电机20年使用寿命的例证。

 

为什么要登上齿轮箱设计的制高点

 

远景要登上齿轮箱设计制高点的逻辑在于这家公司的人才优势。

 

远景内部文件显示,全球齿轮箱领域里的15位顶尖开发设计专家和30位工艺质量控制专家汇聚远景,就是“为了开发制造行业领先的齿轮箱产品”。

 

远景自研齿轮箱项目经理JoeyFu表示,“正是全球化齿轮箱团队的存在,远景才在这一目标的实现上信心十足。”团队中可以透露的成员是ClausKurt和JorgetNielsen,他们都有超过30年的风电行业经验,都是风电齿轮箱和轴承专家,又都在全球知名公司担任过传动系统和齿轮箱技术负责人,取得过非凡的业绩。比如ClausKurt,2010至2013年间,他在英国LORC-LandoeOffshoreRenewablesCenter主持设计了当时最大的海上10MW风电机组测试中心,引起全球关注。

 

JoeyFu曾任GE风电工程部齿轮箱团队主任工程师,作为远景自研齿轮箱项目开发设计团队和工艺质量控制团队的“衔接者”,一直到2017年8月中旬远景2.XMW齿轮箱小批量交付运行以后,他才感到自研这事儿走到了一个比较明亮的时间节点。

 

值得关注的是,这款齿轮箱的两个性能指标,一个是高出行业产品20%的变速比,这不但为结构件、叶片和发电机降本提供了可能性,更重要的是扩大了机组发电风速的区间,尤其对低风速风电场电量提升更显著;另一个是高出行业产品10%至15%的功率密度,这意味着齿轮箱轻量化上的技术进步。

 

事实上,远景自研齿轮箱是基于风电发展趋势的考虑。

 

齿轮箱是风电机组的关键部件,随着单机容量的逐渐增大,它不但可能会成为传动链中可靠性相对薄弱的一个环节,而且齿轮箱的可靠性与轻量化之间的矛盾也日渐突出,需要更先进的设计理念和技术来解决当下的矛盾,真正设计出又可靠又轻量的齿轮箱。作为低风速风电的开拓者和领导者,远景通过大量低风速风电场案例数据分析发现,齿轮箱在低风速风机传动链上的效率仍有潜力可挖,尤其在与高塔筒、大风轮智能风机系统协同优化上也有较大空间,而现有齿轮箱在性能上有所不及,开发更高效率的齿轮箱是风电趋势所需。

 

一直以来,在齿轮箱的选择上,远景坚持使用全球知名品牌,但遗憾的是,外购难以打开的成本链以及在分享部件微观参数上的受限,不但无法改进供应链的成本管理,也不利于整机系统设计上的优化,正因为如此,远景必须要通过自研来彻底打开齿轮箱的黑盒子,进一步拉低齿轮箱在整机成本上的占比,提升整机系统的性能。

 

那么,选择何种技术路线的齿轮箱以及进行哪些全生命周期的齿轮箱测试验证才能保证远景自研齿轮箱的可靠性,就成了项目团队要解决的重大问题。远景自研齿轮箱项目开发设计团队核心成员、远景整机机械总监、前GE风电工程部中国区总监、前GE风电全球齿轮箱联合开发项目技术负责人和首席工程师JimLi透露,“远景在齿轮箱失效模式数据挖掘、成熟技术路线优化和极严测试验证这三个环节投入了大量的人力和财力,保障自研2.XMW齿轮箱的质量可靠性和技术先进性。”

 

可以说,远景在齿轮箱失效模式数据挖掘上有其独到的优势,除了通过使用全球知名品牌的齿轮箱直接获得失效模式外,远景智慧风场平台上还接入了巨量的风电场资产,通过大数据分析可挖掘出齿轮箱的失效概率,形成最全面的潜在失效模式及后果分析,并在开发设计阶段予以规避。

 

“失效模式的分析结果表明,成熟的技术路线是风电齿轮箱可靠性的支撑。”JimLi说,“远景自研齿轮箱采用最经典、最成熟、应用量最大、经验沉淀最丰厚的一级行星二级平行齿轮箱结构,被优化的齿轮参数和大重合度设计,进一步提升了齿轮箱的效率,而且降低了运行噪音,确保了最优的整机运行工况和发电效率。”

 

值得注意的是,这款自研2.XMW齿轮箱的大速比和高功率密度比,在一定程度上成为了低风速风机系统大部件之间产生化学反应的催化剂,而更宽的发电风速区间、更高的发电性能、更低的运行噪音,实际上是让高塔筒、大风轮风机友好靠近城市和居民区的定制化设计。通常来讲,大速比会造成齿轮箱体积增大,但通过先进的齿轮参数优化设计,不仅可以做到大速比,还可以减少齿轮箱的重量,提升功率密度比。不过,这就需要先进的齿轮箱设计技术了。

 

JimLi透露了两点,一点是系统完善的设计,另一点是整机系统场景下的设计优化,前者包括采用全球最先进的齿轮箱设计标准以及软件工具,后者包括整机系统多体动力学分析、传动链整体有限元分析,也就是说,在远景这里,齿轮箱设计不只是齿轮箱自己的事了,还要跟整机系统以及其他部件产生一番化学反应,最终形成优质基因。实际上,远景自研齿轮箱项目团队把齿轮箱设计的边界扩大了,被打开的黑盒子就在整机系统中有了话语权。当制造出具体的齿轮箱产品后,远景的项目团队还对这款齿轮箱进行了极其严格的全生命周期的测试验证,比如在+200%到-183%极限工况下的极限载荷测试,还进行了延伸寿命破坏性试验,以此发掘齿轮箱的潜能。

 

在淡定的远景全球齿轮箱研发团队看来,远景自研的齿轮箱就应该如此。

 

来源:《风能》杂志  文 | 张博,夏云峰

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