2020年10月14日-16日，2020北京國際風能大會暨展覽會（CWP 2020）在北京新國展隆重召開。作為全球風電行業年度最大的盛會之一，這場由百余名演講嘉賓和數千名國內外參會代表共同參與的風能盛會，再次登陸北京，本屆大會以“引領綠色復蘇，構筑更好未來”為主題，聚焦中國能源革命的未來。能見App全程直播本次大會。
在15日下午召開的風資源精細化評估分論壇上，水電水利規劃設計總院高級工程師劉霄發表《基于粒計算理論的風能資源評估》主題演講。
以下為發言實錄：李華陽：我今天分享的主題是優秀高效電器驅動高效設計與思考，平價時代拉開畜牧，機組容量大型化愈演愈烈的基礎下，我們電氣驅動鏈面積怎么樣的設計挑戰，電氣驅動鏈，第一個維度首先低頭看一下我們腳下在當前相對比較成熟的技術框架下，我們如何能夠實現我們電氣驅動鏈內部發電機和變流器兩個部件更深層次協同優化。
第二個維度我們向前看，我們思考一下下一代，機組開發，海上機組開發的過程中我們如何能夠大膽創新？采用一些更顛覆性的更具有競爭力的這么一個電氣驅動鏈的性能提升。
首先作為一家整機廠商，我們上海電氣一直是最根本的宗旨就是致力于為我們的客戶提供優質的風電機組，然后盡可能高的實現能量轉換，盡可能高的為我們的客戶提供一個收益。為了達到這一目標，我們勢必要全面的覆蓋，我們整個能量傳電鏈上所有傳動節點，特別的關鍵節點實現深度的技術穿透和技術把控，作為機械能，轉化為電能，電氣驅動鏈由發電機和變流器兩個大的部件組，針對發電機或者變流器里面有非常多的拓撲結構和設計理念，我們在一般機組開發過程中我們交給兩個團隊去單獨的負責發電機和變流器的設計，通過簡單的電器機械接口實現一個設計的協同，在當前這個成本壓力日益突顯的時代，我們越發的感覺到，這樣的模式并不是最優的模式，這樣的模式并不能把我們每個部件的潛能充分發揮到極致，所以我們上海電氣做了一些嘗試，我們把發電機和變流器兩個團隊進行融合，我們目的在整個機組開發的前端前期我們要實現這兩個大部件的一個深度的融合，實現1+1大于2的目標。
這張圖反映了我們整個機組容量的變化趨勢，眾所周知，全球國內市場整個機組容量的變化的飆升是非常迅猛也令人感到壓力巨大的，截至到目前機組來到15兆瓦的級別，機組搭配的葉輪包括塔筒也已經超過了200米這個階段我們要思考一下，在這個容量不斷飆升的大背景下，我們電氣驅動鏈究竟面臨什么樣的挑戰，我們還能不能跟上機組容量變化趨勢，發電機重量和體積，或者說成本，它是轉距要求，更進一步的與我們幾個參數有關，一個機組的功率，當然還有我們整個機組的分輪直徑，驅動鏈的速比，葉尖速，我們勢必搭配更大的葉輪，我們整個發電機的重量體積與我們整個機組的容量的二次冪成相關的關系。3兆瓦到7兆瓦的階段算是我們發電機設計的起步階段，隨著我們對發電機認識的不斷加深，我們是實現了一個技術的進步，這里我們可以以一個簡單的指標單位功率的重量來衡量可以看到從3兆瓦到7兆瓦的級別，我們指標是在不斷的優化提升的，但是從7兆瓦到10兆瓦這個級別，由于我們各家廠商，我們整個發電機各自的技術路線斗已經基本定形，我們整個的設計模式也基本比較成熟了，可以看到在從7兆瓦到10兆瓦的級別，我們整個的這個性能指標單位功率的重量，是出現了一個明顯的上升，這也就是和我們之前分析的發電機的重量與我們機組整個的容量這個關系是一致的，所以我們不禁要思考一下，更大功率的15兆瓦的級別發電機的設計，如果我們還繼續沿用當前比較成熟的技術框架，我們整個發電機不可避免要超過400噸，這會給我們整個部件的設計制造裝配運輸甚至吊裝等等都帶來非常難以克服的挑戰，所以總結來說隨著我們機組容量飆升速度的不斷加速，其實我們大容量風電機組對我們高效能電氣驅動鏈非常迫切的。
就是一個產出和產能的平衡，產出反映了我們電氣驅動鏈全生命周期的發電量，既與我們驅動鏈效率和可靠性有關，產能是反映在我們一個初始成本的投資，也就是我們初始的成本也與我們的可靠性相關，運維成本，單位度電成本最優的理念是完全一致的，我們高效率電氣驅動鏈可以用一個高產出和低投入概括，高產出指的高功率密度，高可靠性和高集成度適應性，低投入主要是低成本，當然也有低排放，大家都知道在近幾年我們電動汽車行業是取得了一個非常長足的進步，那么我們來看一下電驅動系統，因為他們電驅動系統各個主流廠商所追求的共同的趨勢，我們可以看到其實針對電動汽車里面的電驅動系統，每一代功率密度成本的提升都超過了40%，所以相比而言我們整個風電機組這一塊做的是遠遠不夠的，我們電氣驅動鏈發電機仍需要大幅加強的。
接下來就我們上海電氣平常產品開發過程中的一些設計實力和大家簡單的進行一個分享。我們首先看到的這就是一個常規的我們發電機和變流器的一個設計，我們發電機眾所周知我們發電機和變流器都是非常關鍵復雜的兩個大的部件，針對每一個部件它里面都涉及到了多學科多領域的一個最合，那我們常常的話，我們這兩個部件只是通過常規的接口，電氣機械接口實現溝通協同，我們就在我們還有沒有更深步的這樣一種協同機制。我們想到的主要有兩點，第一點是在我們的整個系統設計的最頂層我們提前布局提前構思一下這兩個構建的配合，第二個怎么把發電機控制好在控制策略上再下一些文章，通過這兩條路我們是期待能在成本可靠性以及發電量提升電氣驅動鏈取得一個進步。
先看第一個實例，協同容錯做的一些工作，大家都知道在現在機組容量不斷提升的階段，我們往往考慮到一些機組的可靠性，或者是我們一些硬件設備的限制，我們會設置多通道的這么一個電器回路，那么聽起來多通道可靠性肯定是優勢，單個通道發生故障，其他通道正常工作，深層次考慮這個問題，并不是多通道設計都能實現我們所希望的這樣一個功能。這個其實是與我們整個發電機和變流器的配合是緊密相關的，我們拓撲配合的不好，我們每一個回路發生故障，我們其他的回路受到很大的影響。這一塊比如說話我們左邊的這張圖，我們如果沒有考慮容錯設計，沒有考慮容錯拓撲配合，我們可以看到在某一套或者某幾套故障以后，參與的正常工作的電氣回路，電能是非常差的，三項電有非常大的偏差，勢必給我們整個機組，包括效率，包括可靠性，然后甚至包括我們整個機組的振動安全性都帶來非常大的挑戰，如果我們考慮了容錯設計我們可以看到在某幾套，單獨運行我們仍然能實現很高的很好的一個電能質量輸出，有關這個如何實現這個高容錯的拓撲配合我們做了非常大量的研究，我們總結出來這么一個規律，這個規律布局非常多的專利，高效協同容錯設計可以保證我們大容量的機組在我們部分電氣回路發生故障我們實現超過60%甚至70%完全沒有功率損失的這樣一個運行。
第二個實例我再給大家分享一下有關電氣驅動鏈短路協同保護，發電其和變流器中間設置一個開關，一方面處于維護的需求，一方面保護我們電氣回路的需求，針對這個開關，低速直驅電機頻率很低，我們為了能夠正常通斷我們電流往往采用直流斷路氣，通斷性能很好，成本非常昂貴，采用低成本的交流，甚至其他隔離開關加熔斷器，這對我們現在是一個非常大的誘惑因為成本非常有優勢，不禁要猶豫，通斷不了，電氣驅動鏈能不能扛得住，我們做了大量的聯合仿真，理論分析工作，我們發現研究非常多種不同的故障運行條件下，我們電氣驅動鏈的表現，我們發現三項短路這種情況下，包括整個短路后的穩態電流，三項短路發生的情況下，我們的機組的可靠性或者是安全性其實是可以得到一個保障，相比而言在其他的故障情況下，我們可能就會存在各種各樣的問題，比如說有可能穩態后的轉距波動非常大，產生斜振，對我們機組產生不可承受的這么一個安全性的隱患。所以我們就在想如果我們能通過一些控制策略，把我們所有的這個故障都能前位到，匯聚到我們希望故障模式下，我們就能實現低成本器件的選用，我們通過這樣一些大量的仿真，如果我們能在變流器的控制策略里面，我們把這些功能加進去，我們其實就能很大程度的減少一下我們硬件上的一個成本。
然后第三塊我們再來看一下我們下一代發電機的拓撲，剛才前面也提了，現在針對直驅特別海上這一塊，我們發電機成本壓力非常大的，到15兆瓦級別，我們整個電機的體積，包括重量等等可能都已經接近了一個瓶頸，我們就要思考我們如何能進行一個電機效能的提升，從前面這個公式我們也可以看到，首先有兩個外部條件，一個是分輪直徑，一個葉尖速，我們驅動鏈本身有幾條路，一條是磁負荷，選擇高性能磁鋼，電負荷，采用高性能的冷卻，包括混合冷卻，包括直冷等等。還有一條路，我們能不能提供一個驅動鏈的速比，大家很輕易的想到，我們帶機械齒輪，半直驅和直驅性能優劣是一個永恒的爭論，沒辦法保證半直驅的可靠性，我們在電機直驅電機，能不能等效把驅動鏈的速比提升。
簡單介紹一下我們剛才提到的三條路，除了我們常規說的這樣一些提升，首先我們還非常依賴于我們整個基礎產業特別是材料這么一個突破，包括比如提高磁負荷B，利用3D打印，磁性材料研制，包括超級銅線，銅和更高性能的碳納米管進行一個融合，實現一個導線性能的提升，對我們機組性能提升是非常有幫助的。對我們整機廠家非常難以實施，涉及到整個基礎研究包括我們整個供應鏈的這么一個聯合協作，那么對于我們本身來說，我們可能最擅長的也是最能做的就是我們在發電機的拓撲上能不能有新的方法，新的革命。
前面提到我們能不能等效的去提升驅動鏈的速比，有非常好的思路，我們把機械的齒輪用我們某一種，某些形式的電火車雌性齒輪去代替，再與我們電機進行一個集成，右邊就是我們上海電氣做了非常大量的拓撲調研仿真驗證工作，新型的拓撲非常有性能的優勢，我們與傳統電機相比，特別在低功率段，低電流密度段提升，對我們非常有誘惑力。
針對這個新型電機拓撲，整個電氣驅動鏈怎么去考慮的，越是拓撲復雜的電氣脫結構，對我們電氣驅動鏈是越高的，性能很有優勢，可能比一般的電機復雜很多，可能會存在兩套，繞組，不一定是完全相同的功率分配，也可能是不同的電流極性，比我們電流器設計電氣拓撲設計帶來新的套占，新型電氣拓撲采用相對比較復雜的結構，可能整個氣息，整個材料都用的比較多，往往可能會給我們帶來一個弊端，我們整個電機整個系統功率因素會比較低，這樣對我們整個系統有更高的要求，有一個更大的容量要求，所以這兩點匯聚起來，電驅開發一條主要的思路，就是我們要去平衡發電機和變流器，我們怎么樣能把我們發電機的成本，轉加到我們變流器上，我們核心的研究方向。
我們也相信下一代電氣驅動鏈會給我們帶來非常多的這樣一些拓撲匹配的可能，當然也會給我們帶來非常多的全新的設計挑戰。
最后再來一個簡單的總結和展望，我們展望一下未來電器驅動鏈的設計發展，首先還是針對發電機和變流器單個本身我們總結了一下可能有幾個方面，首先是自我驅動，就是說我們要牢牢跟送大容量機組的趨勢，要試第一，當前平價時代我們首要考慮的肯定是成本，我們如何降低成本順應平價，更深層次的，一定要做到這浪者之間的高效協同設計，也有以下幾點，就是首先是一個雙贏思維，還有一個知彼解及，綜合綜效，電氣驅動鏈設計人員從業人員都要對這兩個部件都有非常深入的理解，不能各自為營，形成深度優化。不斷突破，跳出當前的思維定勢，成熟的可靠的經過驗證的一些技術體系，我們往往難以達到我們平價時代新的要求，要求我們不斷突破，我們要大膽前瞻技術布局，轉換思維方式，在內部實現一個成本的合理分配，從而助力于我們整個機組去實現競爭力的提升，今天我的分享就到這里，謝謝。
（根據速記整理，未經本人審核）
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