遠景為什么

2017-10-11 10:41:32 《風能》　點擊量：評論 (0)

從掌握風電機組核心控制系統(tǒng)開始，這家公司一路向前，依次打開了變頻器、變槳、葉片、發(fā)電機和齒輪箱的黑匣子。而這，或將引發(fā)連鎖反應，加快中國風電走向世界強國的步伐。10 年前，業(yè)內把掌握風電整機的核心控

專業(yè)人士知道，直到目前，對葉片的氣動性能分析還是基于格朗特在1935 年提出的葉素動量理論（BEM），可很多科技文獻和驗證結果已表明，在模擬葉尖速比較低的短葉片時，格朗特理論模型尚能近似符合風洞實驗結果，而當葉片越來越長時卻不能真實地體現(xiàn)風輪在流場中的氣流形態(tài)。實際上，BEM 理論基本方法和模型已經(jīng)表明，在較高葉尖速比條件下，由于風輪尾渦螺距變小，葉片的誘導速度分布十分復雜，而BEM 理論基于獨立平衡流管假設的計算準確性，會隨著葉尖速比升高而下降，直到不適用。

遠景注意到的一個變化是，隨著低風速風電場的開發(fā)，風輪直徑不斷加大，最優(yōu)葉尖速比已高達10 甚至12。這表明，建立在較低葉尖速比假設基礎上的傳統(tǒng)BEM 理論已不能準確模擬大葉片的實際氣動載荷，也不再適用對較高葉尖速比的大葉片進行氣動效率分析。

這樣的發(fā)現(xiàn)令遠景全球葉片研發(fā)團隊既興奮又焦慮：如果不能還原風能在流場中的氣流形態(tài)，葉片未被認知的氣動效率豈不是永遠無法被喚醒？更現(xiàn)實的問題是，由格朗特修正經(jīng)驗公式推導而來的葉片氣動效率Cp 值的利用上限很可能被低估了。那么，葉片實際可利用效率的極限究竟在哪里？

如此本質的問題可從航空航天業(yè)得到深刻的啟迪。

美國V22 魚鷹的旋翼采用全三維旋翼氣動外形設計技術，這其中就包括了基于自由渦運動理論的非定常氣動載荷求解技術。與固定翼飛機不同，直升機旋翼的流場與風機葉輪的流場更接近。與BEM 理論相比，自由渦尾跡方法更接近物理實際，實際求解了尾渦的空間位置分布和強度分布，建立了葉片誘導速度徑向分布和尾渦分布的數(shù)學關系，具有更高的計算準確性，尤其是可以通過模擬葉片的渦流運動細節(jié)得到葉片非定常氣動載荷。遠景全球葉片團隊的研究顯示，在葉片處于最優(yōu)葉尖速比時，自由渦方法可以避免傳統(tǒng)的BEM 理論預測失效問題，獲得更準確的最優(yōu)功率系數(shù)和最優(yōu)葉尖速比。

“遠景全球葉片團隊將直升機旋翼設計中使用的自由渦尾跡方法應用到遠景自研葉片的設計中，當然也包括計算流體力學CFD 技術和全三維葉片氣動、結構耦合優(yōu)化等技術。”遠景美國全球葉片創(chuàng)新中心葉片設計專家、前GE葉片高級工程師Mohamad Sultan 先生表示，有兩個維度的數(shù)據(jù)可以說明遠景葉片效率的突破：一個維度的數(shù)據(jù)是，葉片最佳捕獲段的氣動效率提升5% 以上；另一個維度的數(shù)據(jù)是，遠景葉片改變了傳統(tǒng)葉片設計中對剛度制約的上限，測試結果表明葉片整體剛度提升了10%。

出于商業(yè)上的考慮，Mohamad Sultan不愿意過多透露遠景葉片技術的設計細節(jié)，但是實際葉片在中國風電場的運行還是引起國內葉片制造廠商對遠景葉片技術的探究。

在射陽風電場，一位精于葉片制造的專業(yè)人士看出了遠景121 葉片氣動外形的不同。“利用自開發(fā)的先進數(shù)字仿真平臺，實現(xiàn)了這款葉片的二維及三維氣動設計，再通過多目標尋優(yōu)實現(xiàn)了性能、載荷、重量以及噪音的最優(yōu)設計。”遠景葉片測試與驗證專家、前美國新能源實驗室高級工程師Michael Desmond 先生在向這位專業(yè)人士提及這款葉片的設計時說，“全球葉片風洞測試資源的整合利用，為這款葉片高效率翼型開發(fā)提供了數(shù)據(jù)支持。”

值得一提的是，遠景葉片翼型是針對中國風電場特點的定制化設計，其抗污染、低噪音以及更優(yōu)的氣動性能得益于和整機系統(tǒng)的協(xié)同開發(fā)、無縫對接，不僅實現(xiàn)了風機的最優(yōu)發(fā)電性能，整機成本也下降了10%。

為什么用軟件定義自研發(fā)電機

發(fā)電機已是風電大部件領域普通且成熟的產品，可遠景仍未停歇對它的不斷探索。基于對發(fā)電機的使用以及對失效模式的認知和理解，遠景匯聚了超過20 位全球發(fā)電機領域的高端人才，涉及電磁計算及仿真開發(fā)、機械有限元分析和驗證、CFD 流體仿真等多個領域。在這個全球化的自研發(fā)電機團隊中，Kurt Andersen 先生曾任Vattenfall CTO 和Siemens 風電首席產品架構師，他對發(fā)電機的研發(fā)有獨到見解。Jarkko Saramo 先生曾任ABB 芬蘭研發(fā)中心全球技術總監(jiān)，主導了ABB 雙饋風力發(fā)電機在行業(yè)的領先地位。Deng Heng 博士在維斯塔斯、西門子丹麥研發(fā)中心工作超過10 年，作為西門子丹麥研發(fā)中心研發(fā)經(jīng)理以及電力電子與控制專家，他主導了西門子直驅發(fā)電機控制算法、風機數(shù)字化仿真平臺、噪聲與振動控制算法以及變頻器與發(fā)電機調優(yōu)算法，是構建西門子直驅核心技術的關鍵貢獻者。

事實上，2016 年年底，遠景2.X MW 發(fā)電機就已在多個風電場運行了。而且，其更高性能的發(fā)電機也正在測試中，有望于2018 年上半年在風電場小批量投入運行。

回到已在風電場運行的遠景2.X MW 發(fā)電機上，專業(yè)人士可從它現(xiàn)有的技術亮點上感知到它的客戶價值。“這款發(fā)電機適用于2.1MW至2.5MW 的風電機組，設計理論壽命超出22年，絕緣設計理論工作壽命遠超30 年，短時過載能力1.1 倍，極限工況下超發(fā)能力大于國內主流電機產品，且能滿足電網(wǎng)正負10% 及無功工作需求。” Kurt Andersen 先生透露，發(fā)電機總體損耗比常規(guī)發(fā)電機損耗減少約20%，整機年發(fā)電量預計可提高1%。在性能對比上，遠景發(fā)電機有5 項關鍵性能指標優(yōu)于全球知名品牌的同功率發(fā)電機。

從風電整機系統(tǒng)設計優(yōu)化的角度看，發(fā)電機應當是一個能與系統(tǒng)互動的大部件，而不是整機組裝中的一塊積木，“無論是機械傳動鏈的輕量化，還是電氣傳動鏈的效率提升，發(fā)電機都可以扮演關鍵角色。”在Kurt Andersen先生看來，“遠景認知發(fā)電機的最大價值在于，將發(fā)電機置于風電場的風頻分布場景，通過整機系統(tǒng)的優(yōu)化挖掘發(fā)電機的潛力。”

也就是說，遠景發(fā)電機是風電整機平臺上一個不斷被優(yōu)化的變量，發(fā)電機的認知與研發(fā)始終處于“平臺變量”這一縱向的維度中。比如，充分利用齒輪箱的變速比來抬高系統(tǒng)轉速，以降低發(fā)電機的變頻器側電流，按照這樣的方法，即使在增加發(fā)電機功率的情況下，也能保證變頻器容量不需要發(fā)生變化，并可以在電網(wǎng)惡劣的工況下將發(fā)電機電流控制在足夠的水平。“實現(xiàn)這一點，只需要用較少的成本改變發(fā)電機的短板部件即可，其更大價值在于，將齒輪箱和發(fā)電機做到最優(yōu)的選型和設計，就可以抬高整機的輸出功率，并能在大功率下使用低一個等級的變頻器機側單元，從而降低整個傳動鏈的成本或提高系統(tǒng)的整體發(fā)電輸出。”遠景自研發(fā)電機項目主任設計工程師、前ABB 發(fā)電機設計高級工程師、前Siemens 風電電機亞太區(qū)負責人Yang Jian 這樣說道。

發(fā)電機是把機械能轉換成電能的大部件，發(fā)電量和成本的平衡是發(fā)電機設計優(yōu)化中最重要的考量因素，這在電磁設計環(huán)節(jié)尤為明顯。在這方面，遠景不但有全球頂尖的電磁設計團隊，還有自行開發(fā)的基于風電場數(shù)據(jù)的發(fā)電機設計仿真工具，它可以產生多個電磁設計方案，“實際上，我們是在幾百個電磁設計方案中選擇一個最優(yōu)的方案，這就是軟件仿真的力量。”Deng Heng 博士強調了軟件對發(fā)電機設計的價值。