遠(yuǎn)景為什么

2017-10-11 10:41:32 《風(fēng)能》　點擊量：評論 (0)

從掌握風(fēng)電機(jī)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(jī)和齒輪箱的黑匣子。而這，或?qū)⒁l(fā)連鎖反應(yīng)，加快中國風(fēng)電走向世界強(qiáng)國的步伐。10 年前，業(yè)內(nèi)把掌握風(fēng)電整機(jī)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(xiàn)和驗證結(jié)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(fēng)洞實驗結(jié)果，而當(dāng)葉片越來越長時卻不能真實地體現(xiàn)風(fēng)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(fēng)輪尾渦螺距變小，葉片的誘導(dǎo)速度分布十分復(fù)雜，而BEM 理論基于獨立平衡流管假設(shè)的計算準(zhǔn)確性，會隨著葉尖速比升高而下降，直到不適用。

遠(yuǎn)景注意到的一個變化是，隨著低風(fēng)速風(fēng)電場的開發(fā)，風(fēng)輪直徑不斷加大，最優(yōu)葉尖速比已高達(dá)10 甚至12。這表明，建立在較低葉尖速比假設(shè)基礎(chǔ)上的傳統(tǒng)BEM 理論已不能準(zhǔn)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(jìn)行氣動效率分析。

這樣的發(fā)現(xiàn)令遠(yuǎn)景全球葉片研發(fā)團(tuán)隊既興奮又焦慮：如果不能還原風(fēng)能在流場中的氣流形態(tài)，葉片未被認(rèn)知的氣動效率豈不是永遠(yuǎn)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(dǎo)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(zhì)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(shè)計技術(shù)，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(shù)。與固定翼飛機(jī)不同，直升機(jī)旋翼的流場與風(fēng)機(jī)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(qiáng)度分布，建立了葉片誘導(dǎo)速度徑向分布和尾渦分布的數(shù)學(xué)關(guān)系，具有更高的計算準(zhǔn)確性，尤其是可以通過模擬葉片的渦流運動細(xì)節(jié)得到葉片非定常氣動載荷。遠(yuǎn)景全球葉片團(tuán)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(yù)測失效問題，獲得更準(zhǔn)確的最優(yōu)功率系數(shù)和最優(yōu)葉尖速比。

“遠(yuǎn)景全球葉片團(tuán)隊將直升機(jī)旋翼設(shè)計中使用的自由渦尾跡方法應(yīng)用到遠(yuǎn)景自研葉片的設(shè)計中，當(dāng)然也包括計算流體力學(xué)CFD 技術(shù)和全三維葉片氣動、結(jié)構(gòu)耦合優(yōu)化等技術(shù)。”遠(yuǎn)景美國全球葉片創(chuàng)新中心葉片設(shè)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(yuǎn)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(yuǎn)景葉片改變了傳統(tǒng)葉片設(shè)計中對剛度制約的上限，測試結(jié)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(yuǎn)景葉片技術(shù)的設(shè)計細(xì)節(jié)，但是實際葉片在中國風(fēng)電場的運行還是引起國內(nèi)葉片制造廠商對遠(yuǎn)景葉片技術(shù)的探究。

在射陽風(fēng)電場，一位精于葉片制造的專業(yè)人士看出了遠(yuǎn)景121 葉片氣動外形的不同。“利用自開發(fā)的先進(jìn)數(shù)字仿真平臺，實現(xiàn)了這款葉片的二維及三維氣動設(shè)計，再通過多目標(biāo)尋優(yōu)實現(xiàn)了性能、載荷、重量以及噪音的最優(yōu)設(shè)計。”遠(yuǎn)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(shè)計時說，“全球葉片風(fēng)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(yuǎn)景葉片翼型是針對中國風(fēng)電場特點的定制化設(shè)計，其抗污染、低噪音以及更優(yōu)的氣動性能得益于和整機(jī)系統(tǒng)的協(xié)同開發(fā)、無縫對接，不僅實現(xiàn)了風(fēng)機(jī)的最優(yōu)發(fā)電性能，整機(jī)成本也下降了10%。

為什么用軟件定義自研發(fā)電機(jī)

發(fā)電機(jī)已是風(fēng)電大部件領(lǐng)域普通且成熟的產(chǎn)品，可遠(yuǎn)景仍未停歇對它的不斷探索。基于對發(fā)電機(jī)的使用以及對失效模式的認(rèn)知和理解，遠(yuǎn)景匯聚了超過20 位全球發(fā)電機(jī)領(lǐng)域的高端人才，涉及電磁計算及仿真開發(fā)、機(jī)械有限元分析和驗證、CFD 流體仿真等多個領(lǐng)域。在這個全球化的自研發(fā)電機(jī)團(tuán)隊中，Kurt Andersen 先生曾任Vattenfall CTO 和Siemens 風(fēng)電首席產(chǎn)品架構(gòu)師，他對發(fā)電機(jī)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(shù)總監(jiān)，主導(dǎo)了ABB 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在行業(yè)的領(lǐng)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(dǎo)了西門子直驅(qū)發(fā)電機(jī)控制算法、風(fēng)機(jī)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(jī)調(diào)優(yōu)算法，是構(gòu)建西門子直驅(qū)核心技術(shù)的關(guān)鍵貢獻(xiàn)者。

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

回到已在風(fēng)電場運行的遠(yuǎn)景2.X MW 發(fā)電機(jī)上，專業(yè)人士可從它現(xiàn)有的技術(shù)亮點上感知到它的客戶價值。“這款發(fā)電機(jī)適用于2.1MW至2.5MW 的風(fēng)電機(jī)組，設(shè)計理論壽命超出22年，絕緣設(shè)計理論工作壽命遠(yuǎn)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(nèi)主流電機(jī)產(chǎn)品，且能滿足電網(wǎng)正負(fù)10% 及無功工作需求。” Kurt Andersen 先生透露，發(fā)電機(jī)總體損耗比常規(guī)發(fā)電機(jī)損耗減少約20%，整機(jī)年發(fā)電量預(yù)計可提高1%。在性能對比上，遠(yuǎn)景發(fā)電機(jī)有5 項關(guān)鍵性能指標(biāo)優(yōu)于全球知名品牌的同功率發(fā)電機(jī)。

從風(fēng)電整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化的角度看，發(fā)電機(jī)應(yīng)當(dāng)是一個能與系統(tǒng)互動的大部件，而不是整機(jī)組裝中的一塊積木，“無論是機(jī)械傳動鏈的輕量化，還是電氣傳動鏈的效率提升，發(fā)電機(jī)都可以扮演關(guān)鍵角色。”在Kurt Andersen先生看來，“遠(yuǎn)景認(rèn)知發(fā)電機(jī)的最大價值在于，將發(fā)電機(jī)置于風(fēng)電場的風(fēng)頻分布場景，通過整機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)化挖掘發(fā)電機(jī)的潛力。”

也就是說，遠(yuǎn)景發(fā)電機(jī)是風(fēng)電整機(jī)平臺上一個不斷被優(yōu)化的變量，發(fā)電機(jī)的認(rèn)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(zhuǎn)速，以降低發(fā)電機(jī)的變頻器側(cè)電流，按照這樣的方法，即使在增加發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)的短板部件即可，其更大價值在于，將齒輪箱和發(fā)電機(jī)做到最優(yōu)的選型和設(shè)計，就可以抬高整機(jī)的輸出功率，并能在大功率下使用低一個等級的變頻器機(jī)側(cè)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(yuǎn)景自研發(fā)電機(jī)項目主任設(shè)計工程師、前ABB 發(fā)電機(jī)設(shè)計高級工程師、前Siemens 風(fēng)電電機(jī)亞太區(qū)負(fù)責(zé)人Yang Jian 這樣說道。

發(fā)電機(jī)是把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的大部件，發(fā)電量和成本的平衡是發(fā)電機(jī)設(shè)計優(yōu)化中最重要的考量因素，這在電磁設(shè)計環(huán)節(jié)尤為明顯。在這方面，遠(yuǎn)景不但有全球頂尖的電磁設(shè)計團(tuán)隊，還有自行開發(fā)的基于風(fēng)電場數(shù)據(jù)的發(fā)電機(jī)設(shè)計仿真工具，它可以產(chǎn)生多個電磁設(shè)計方案，“實際上，我們是在幾百個電磁設(shè)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(qiáng)調(diào)了軟件對發(fā)電機(jī)設(shè)計的價值。