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(fù)責(zé)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(shè)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(shù)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(shè)計、參數(shù)設(shè)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(lǐng)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(shù)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(fēng)能捕獲優(yōu)勢，在高風(fēng)速工況和低風(fēng)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(yīng)用技術(shù)，已在多個風(fēng)電場批量應(yīng)用。從運行數(shù)據(jù)來看，經(jīng)雙模技術(shù)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(shù)理論
要知道，遠景設(shè)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(lǐng)域的頂尖人才，當(dāng)空氣動力學(xué)的資深科學(xué)家遇上復(fù)合材料結(jié)構(gòu)學(xué)的頂尖工程師，下一代更輕更具捕風(fēng)效率的葉片就出現(xiàn)在人們的眼前——射陽風(fēng)電場就運行了這樣的葉片。
這款葉片采用了全三維葉片設(shè)計技術(shù)，從借鑒V22 魚鷹機翼設(shè)計理論到下一代風(fēng)機葉片技術(shù)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(dǎo)開發(fā)了LM 近 1/3 的專利，美國全球葉片創(chuàng)新中心負(fù)責(zé)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(shè)計上的獨特建樹也為遠景最新的葉片技術(shù)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(shè)計及載荷、材料及工藝、測試與驗證等多個領(lǐng)域。
這是一個關(guān)乎風(fēng)電整機開發(fā)的本質(zhì)問題。
風(fēng)電整機設(shè)計開發(fā)，本質(zhì)上是一個基于葉片空氣動力學(xué)應(yīng)用的流體和結(jié)構(gòu)反復(fù)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(fēng)機設(shè)計尋優(yōu)的三大變量，也就是設(shè)計工程師所說的LAC 風(fēng)機設(shè)計尋優(yōu)。
關(guān)鍵在于，風(fēng)機設(shè)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(shè)計參數(shù)的黑匣子。也正因此，遠景執(zhí)意要打開葉片設(shè)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(fēng)能轉(zhuǎn)化成機械能的核心部件，成本約占風(fēng)機成本的30%，其氣動載荷主導(dǎo)了風(fēng)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(fēng)況帶來的有害載荷，就會相應(yīng)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(xué)未知的認(rèn)知程度。在遠景全球葉片創(chuàng)新中心負(fù)責(zé)人Kevin 先生看來，“這幾乎就是向葉片的基礎(chǔ)理論發(fā)起挑戰(zhàn)！”
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(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(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)。與固定翼飛機不同，直升機旋翼的流場與風(fēng)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(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(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。
“遠景全球葉片團隊將直升機旋翼設(shè)計中使用的自由渦尾跡方法應(yīng)用到遠景自研葉片的設(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(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不愿意過多透露遠景葉片技術(shù)的設(shè)計細節(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(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系統(tǒng)的協(xié)同開發(fā)、無縫對接，不僅實現(xiàn)了風(fēng)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(fēng)電大部件領(lǐng)域普通且成熟的產(chǎn)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(rèn)知和理解，遠景匯聚了超過20 位全球發(fā)電機領(lǐng)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(lǐng)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(fēng)電首席產(chǎn)品架構(gòu)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(shù)總監(jiān)，主導(dǎo)了ABB 雙饋風(fēng)力發(fā)電機在行業(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)電機控制算法、風(fēng)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(diào)優(yōu)算法，是構(gòu)建西門子直驅(qū)核心技術(shù)的關(guān)鍵貢獻者。
