远景为什么

2017-10-11 10:41:32 《风能》　点击量：评论 (0)

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

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Mohamad Sultan 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，Mohamad Sultan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Michael Desmond 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，Kurt Andersen 先生曾任Vattenfall CTO 和Siemens 风电首席产品架构师，他对发电机的研发有独到见解。Jarkko Saramo 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。Deng Heng 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.X MW 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.X MW 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。” Kurt Andersen 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Kurt Andersen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Yang Jian 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。”Deng Heng 博士强调了软件对发电机设计的价值。