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?qū)⒁l(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(nèi)把掌握風電整機的核心控

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?qū)⒁l(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(nèi)把掌握風電整機的核心控制比作打開制約中國風電發(fā)展的黑匣子，那時遠景已經(jīng)打開了這個黑匣子，但同時也意識到，打開變頻器等關鍵大部件的黑匣子并掌握其核心技術，才是持續(xù)推動中國風電發(fā)展的根本所在。

到2017 年9 月，遠景已經(jīng)打開了風電整機所有關鍵大部件的黑匣子，且將最先進的技術用于這些部件的設計和制造中——這無疑會為這家公司在風電行業(yè)一路向前增加重量級砝碼，關鍵大部件技術在風電領域的重要作用或?qū)⒁l(fā)連鎖反應，加快中國風電走向世界強國的步伐。

為什么要打開變頻器的黑匣子

遠景早在2009 年10 月就開始自研風電機組變頻器了，即便已經(jīng)量產(chǎn)實現(xiàn)了規(guī)?；瘧?，也還是刻意在低調(diào)行事。事實上，這家公司研發(fā)和擴產(chǎn)變頻器的腳步從未停歇。

遠景能源副總經(jīng)理王曉宇博士回憶說，2010 年，中國市場上的風電機組采用的變頻器大多來自外資品牌，它們掌握了中國風電變頻器市場的話語權(quán)，而中國整機廠商也為此付出了較高的成本。但即便如此，變頻器故障率仍是整機廠商揮之不去的痛點。

遠景自研變頻器項目團隊在對國內(nèi)市場變頻器故障率及故障類型進行深度研究后，得出一個重要結(jié)論：變頻器與機組控制系統(tǒng)的協(xié)同不暢，不僅會誘發(fā)變頻器故障，還會影響機組的發(fā)電量。正是受此啟發(fā)，站在系統(tǒng)優(yōu)化的層面上，遠景不僅僅將變頻器定位成一個實現(xiàn)電能變換的獨立子部件，而是更多地考慮如何使其幫助提高系統(tǒng)性能和壽命。

2011 年3 月，遠景自研的首臺1.5MW標準變頻器樣品在啟東風電場成功并網(wǎng)，后經(jīng)安徽魯山等風電場的批量化運行業(yè)績驗證，遠景自研變頻器正式步入產(chǎn)業(yè)化進程。

來自遠景產(chǎn)品質(zhì)量部門的數(shù)據(jù)顯示，2014年，遠景自研變頻器導致的停機平均1 年2 次，到了2017 年，自研變頻器導致的停機平均3年才有1 次。遠景智慧電氣卓越中心負責人李磊博士解釋：“對自己的產(chǎn)品做改進能快速閉環(huán)，因為深入理解風機和變頻器產(chǎn)品的機理，對系統(tǒng)的精準改善可以實現(xiàn)事半功倍。”

正是得益于從風機整機系統(tǒng)層面對變頻功能組件的深刻理解，遠景的變頻器還擁有自行開發(fā)的壽命模型，可以對一系列關鍵子部件的壽命做出預測和實時狀態(tài)監(jiān)測，這些模型輸出的動態(tài)邊界能力不僅能夠最大程度地幫助風機在過速過載等危險工況下安全運行和停機，更在機型設計之初即成為整機系統(tǒng)優(yōu)化設計不可分割的一部分。

“遠景在設計變頻器的同時，也自主開發(fā)了自動化仿真控制軟件平臺，其全息模型可以定義現(xiàn)場所有可能出現(xiàn)的電壓、電流、功率、頻率以及工況場景，仿真精度和現(xiàn)場運行實況完全吻合。先進的高精度全息仿真模型，為自研變頻器配置先進的控制算法提供了技術支持。”從仿真模型的角度出發(fā)，遠景自研變頻器項目團隊王曉鈺博士解釋了自研變頻器高性能背后的技術邏輯。

實際上，遠景的高精度全息仿真系統(tǒng)為變頻器設計注入了優(yōu)質(zhì)基因，這就不難理解為什么自研變頻器具有協(xié)同機組優(yōu)化控制系統(tǒng)的能力——變頻器是距離發(fā)電機最近的智能單元，作為機組最底層的控制單元，其性能好壞和智能程度直接決定了機組能在何種場景及尺度下進行整機運行控制。

從設計層面看，作為控制單元，變頻器在執(zhí)行機組指令時的協(xié)同配合，不僅能實現(xiàn)電氣傳動鏈的效率優(yōu)化，也可從整體上保證遠景智能風機控制策略的執(zhí)行。王曉鈺博士強調(diào)，“自研變頻器與風機的集成設計，提高了風機的并網(wǎng)友好性，減少了因涉網(wǎng)特性差導致的風電場棄風損失。”

不止如此，遠景自研變頻器中的機組傳動鏈振蕩抑制算法，還可以更有效地抑制機組傳動鏈在運行過程中出現(xiàn)的低頻振蕩，防止傳動鏈部件疲勞，從而保證傳動鏈部件的使用壽命。在李磊博士看來，通過變頻器的控制算法保護傳動鏈部件全生命周期的安全，也是自研變頻器的價值所在。但他也強調(diào)，客戶對服務響應更為敏感，由于自研變頻器不存在技術壁壘，研發(fā)人員可直接面對現(xiàn)場，并在3 小時內(nèi)給出解決方案、24 小時內(nèi)給出根因分析，不但能快速閉環(huán)，還可將一些現(xiàn)場問題輸入產(chǎn)品設計中，最終實現(xiàn)產(chǎn)品性能的優(yōu)化。

須提及的是，由于遠景自研變頻器與整機系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化，在遠景機組內(nèi)，傳統(tǒng)分立的主控柜和變頻柜已合并成一個柜體，但更為重要的在于，從系統(tǒng)設計層面，傳統(tǒng)的主控柜和變頻器的邊界已經(jīng)模糊了，在軟件系統(tǒng)設計上，也已經(jīng)成為不可分割的整體。

那么，遠景自研變頻器的直接結(jié)果是什么呢？

據(jù)遠景電氣系統(tǒng)采購負責人許智強透露，2015 年以后，遠景陸上全系列機組已經(jīng)全部配備為遠景自主知識產(chǎn)權(quán)的變頻器。2018 年以后，遠景海上全系列機組也將全部配備遠景變頻器。許智強進一步說，“遠景通過掌握變頻器產(chǎn)品的全部知識產(chǎn)權(quán)，包括所有的軟硬件設計，然后通過發(fā)包給類似富士康這樣的代工企業(yè)生產(chǎn)，使得變頻器的采購成本得到了大幅的降低。”

更重要的在于，自研變頻器對整機的開發(fā)和演進產(chǎn)生更多可能的自由度。正是由于對變頻器技術完全的自主知識產(chǎn)權(quán)，遠景的機組整機開發(fā)團隊才可以根據(jù)新的機組特性，在程序設計、參數(shù)設計等算法開發(fā)的核心環(huán)節(jié)進行系統(tǒng)整合，更好更快地推出引領市場的創(chuàng)新機型。

遠景智能雙模機組和中壓機組都是基于其變頻器技術的創(chuàng)新。遠景2012 年7 月推出的雙模機組不但兼具直驅(qū)全功率和雙饋機組的優(yōu)勢，還有最好的風能捕獲優(yōu)勢，在高風速工況和低風速工況下均有較高的發(fā)電效率。它是一款機型，也是一項應用技術，已在多個風電場批量應用。從運行數(shù)據(jù)來看，經(jīng)雙模技術改造后，機組的年發(fā)電量比未改造的雙饋機組最高可提升近2%。

為什么要突破葉片技術理論

要知道，遠景設立在美國科羅拉多的全球葉片創(chuàng)新中心匯聚了全球葉片領域的頂尖人才，當空氣動力學的資深科學家遇上復合材料結(jié)構(gòu)學的頂尖工程師，下一代更輕更具捕風效率的葉片就出現(xiàn)在人們的眼前——射陽風電場就運行了這樣的葉片。

這款葉片采用了全三維葉片設計技術，從借鑒V22 魚鷹機翼設計理論到下一代風機葉片技術突破，遠景付出了3 年的艱苦努力。

在遠景，中國葉片工程集成中心研發(fā)總監(jiān)、前LM 研發(fā)總監(jiān)Peter Grabau 先生曾經(jīng)主導開發(fā)了LM 近 1/3 的專利，美國全球葉片創(chuàng)新中心負責人、前西門子葉片研發(fā)中心首席工程師Kevin Standish 先生在葉片設計上的獨特建樹也為遠景最新的葉片技術注入了全球最新的研發(fā)思想。一份內(nèi)部文件顯示，遠景自研葉片團隊的全球頂級專家已達55 人，涉及葉片氣動、結(jié)構(gòu)設計及載荷、材料及工藝、測試與驗證等多個領域。

這是一個關乎風電整機開發(fā)的本質(zhì)問題。

風電整機設計開發(fā)，本質(zhì)上是一個基于葉片空氣動力學應用的流體和結(jié)構(gòu)反復迭代尋優(yōu)的過程，其中機組結(jié)構(gòu)載荷、葉片氣動性能和核心控制手段是風機設計尋優(yōu)的三大變量，也就是設計工程師所說的LAC 風機設計尋優(yōu)。

關鍵在于，風機設計工程師要真正掌控這些變量，而不是面對僅能輸出或輸入設計參數(shù)的黑匣子。也正因此，遠景執(zhí)意要打開葉片設計的黑匣子，讓葉片氣動成為一個可尋優(yōu)的變量。葉片是把風能轉(zhuǎn)化成機械能的核心部件，成本約占風機成本的30%，其氣動載荷主導了風機另外70% 的主要成本。這意味著，如果葉片通過自身的氣動外形卸掉某些風況帶來的有害載荷，就會相應降低傳動鏈上其他部件的載荷，那么降低整機用材成本也就水到渠成。

但這取決于遠景葉片研發(fā)團隊對葉片空氣動力學未知的認知程度。在遠景全球葉片創(chuàng)新中心負責人Kevin 先生看來，“這幾乎就是向葉片的基礎理論發(fā)起挑戰(zhàn)！”