2021年10月17日-20日，2021北京國(guó)際風(fēng)能大會(huì)暨展覽會(huì)（CWP 2021）在北京新國(guó)展隆重召開(kāi)。作為全球風(fēng)電行業(yè)年度最大的盛會(huì)之一，這場(chǎng)由百余名演講嘉賓和數(shù)千名國(guó)內(nèi)外參會(huì)代表共同參與的風(fēng)能盛會(huì)，再次登陸北京。
本屆大會(huì)以“碳中和——風(fēng)電發(fā)展的新機(jī)遇”為主題，歷時(shí)四天，包括開(kāi)幕式、主旨發(fā)言、高峰對(duì)話、創(chuàng)新劇場(chǎng)以及關(guān)于“國(guó)際成熟風(fēng)電市場(chǎng)發(fā)展動(dòng)態(tài)及投資機(jī)會(huì)”“國(guó)際新興風(fēng)電市場(chǎng)發(fā)展動(dòng)態(tài)及投資機(jī)會(huì)”“風(fēng)電設(shè)備智能運(yùn)維論壇”“碳達(dá)峰碳中和加速能源轉(zhuǎn)型”等不同主題的15個(gè)分論壇。能見(jiàn)App全程直播本次大會(huì)。
其中，10月19日海上風(fēng)電發(fā)展論壇隆重召開(kāi)。中國(guó)船舶集團(tuán)海裝風(fēng)電股份有限公司研究院機(jī)械所副所長(zhǎng)譚術(shù)平出席論壇，他的演講題目為：機(jī)組大型化，走向深遠(yuǎn)海。
以下為發(fā)言全文：
譚術(shù)平：大家上午好，我今天匯報(bào)的題目是：機(jī)組大型化 走向深遠(yuǎn)海。
海上風(fēng)電勢(shì)頭強(qiáng)勁，全球風(fēng)能理事會(huì)（GWEC）2021年2月25日發(fā)布的最新數(shù)據(jù)顯示，2020年全球海上風(fēng)電新增裝機(jī)容量超過(guò)6GW；中國(guó)連續(xù)三年領(lǐng)跑全球，2020年新增裝機(jī)量超過(guò)3GW占全球新增一半以上(達(dá)50.45%)；海上風(fēng)電總?cè)萘砍^(guò)德國(guó)，僅次于英國(guó)，成為全球第二大海上風(fēng)電市場(chǎng)。
據(jù)國(guó)際著名咨詢公司W(wǎng)ood Mackenzie統(tǒng)計(jì)，全球海上風(fēng)電2020~2029新增容量規(guī)劃中，中國(guó)達(dá)到251GW,位列全球第一；十四五”期間預(yù)計(jì)新增裝機(jī)50GW/年，2025年后不低于60GW/年。到2030年風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量至少達(dá)到8億千瓦，到2060年至少達(dá)到30億千瓦。
一是機(jī)組大型化，海上風(fēng)電機(jī)組大型化是海上風(fēng)電平價(jià)基礎(chǔ)，也是浮式風(fēng)電發(fā)展的必然趨勢(shì)。我國(guó)海上風(fēng)能資源豐富，潛力巨大，靠近東南部負(fù)荷中心，發(fā)展海上風(fēng)電對(duì)實(shí)現(xiàn)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和“3060”目標(biāo)具有深遠(yuǎn)意義。海上風(fēng)資源開(kāi)發(fā)利用價(jià)值更高，但面臨開(kāi)發(fā)成本高、可維護(hù)性差等問(wèn)題。因此，亟需開(kāi)發(fā)高可靠大功率海上風(fēng)電機(jī)組，支持海上風(fēng)電平價(jià)上網(wǎng)。同時(shí)需要加快海上風(fēng)電技術(shù)研發(fā)，縮短我國(guó)與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家之間的差距，提升我國(guó)海上風(fēng)電領(lǐng)域自主創(chuàng)新與國(guó)際技術(shù)引領(lǐng)能力。
中國(guó)海裝擁有一個(gè)國(guó)家級(jí)、3個(gè)省部級(jí)科研平臺(tái)。牽頭承擔(dān)了風(fēng)電領(lǐng)域國(guó)家級(jí)項(xiàng)目11項(xiàng)，先后獲得獲重慶市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)等省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)10余項(xiàng)，申請(qǐng)發(fā)明專利近百項(xiàng)。牽頭制定了多個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，以上是中國(guó)海裝機(jī)組大型化發(fā)展歷程，也是中國(guó)海裝向更大型發(fā)展的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
1、匹配國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)碳纖維葉片，在吸收更多風(fēng)能的同時(shí)，降低葉片載荷，減輕葉片重量，實(shí)現(xiàn)機(jī)組功率和葉片最優(yōu)匹配
2、有限獨(dú)立變槳技術(shù)，降低機(jī)組載荷
3、雙軸承支撐形式，承載能力更強(qiáng)，對(duì)齒輪箱更友好
4、齒輪箱和發(fā)電機(jī)易拆卸集成式設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高，平均成本低
5、同步雙驅(qū)電動(dòng)變槳技術(shù)，優(yōu)化葉根載荷集中輸出，變槳軸承受力更友好
6、直升機(jī)平臺(tái)配置，降低海洋環(huán)境對(duì)維護(hù)的影響
7、變流器、變壓器同時(shí)上置，便于質(zhì)量控制，更易維護(hù)，減少碼頭作業(yè)時(shí)間和成本，便于風(fēng)場(chǎng)調(diào)試，真正實(shí)現(xiàn)一鍵啟機(jī)。
10MW機(jī)組采用前沿載荷設(shè)計(jì)、先進(jìn)降載控制策略、高效發(fā)電系統(tǒng)、穩(wěn)定智能電控系統(tǒng)、集成化模塊化平臺(tái)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出綜合性能更優(yōu)的國(guó)內(nèi)首款風(fēng)輪直徑最大、功率最大的增速型海上風(fēng)電機(jī)組。
1.風(fēng)電機(jī)組載荷仿真是綜合了流體-機(jī)械-電氣-控制-土建等多學(xué)科的復(fù)雜求解過(guò)程，對(duì)機(jī)組進(jìn)行風(fēng)輪、傳動(dòng)鏈、塔筒、地基一體化建模，可以充分計(jì)算風(fēng)浪流的對(duì)機(jī)組各個(gè)部件產(chǎn)生的耦合效應(yīng)。
2.傳統(tǒng)的載荷仿真模型中，葉片模型一般采用整體建模求解，但是在葉片較長(zhǎng)的情況下，葉片變形就會(huì)累加，導(dǎo)致仿真結(jié)果不準(zhǔn)確，海裝首次在H210-10MW機(jī)組上使用葉片分段建模技術(shù)，可以更為準(zhǔn)確的模擬葉片變形，求解更準(zhǔn)確的載荷。
3.在開(kāi)發(fā)H210-10MW機(jī)組的過(guò)程中，共進(jìn)行了70多版載荷計(jì)算，每版有3000多種工況，計(jì)算量巨大，使用一體化仿真平臺(tái)使計(jì)算效率翻倍，極大的節(jié)約了時(shí)間成本。
獨(dú)立變槳。通過(guò)引入葉根載荷信號(hào)和方位角信號(hào)，通過(guò)坐標(biāo)系變換，最終輸出單獨(dú)的變槳角度疊加量，實(shí)現(xiàn)載荷閉環(huán)控制，現(xiàn)有的1P-IPC策略，能夠有效削減葉根載荷1P分量，輪轂不平衡載荷。實(shí)現(xiàn)機(jī)組極限和疲勞降載。
基于轉(zhuǎn)速控制的快速變槳技術(shù)。ECD工況，風(fēng)速風(fēng)向在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生很大變化，單純依靠變槳的PI調(diào)節(jié)，容易導(dǎo)致超速停機(jī)，而由于該工況存在較大的偏航誤差角，開(kāi)環(huán)停機(jī)過(guò)程中，可能出現(xiàn)輪轂和偏航不平衡極限載荷。為實(shí)現(xiàn)對(duì)極限載荷的控制，開(kāi)發(fā)基于轉(zhuǎn)速控制的快速變槳技術(shù)，抑制對(duì)陣風(fēng)工況下的超速停機(jī)情況。
機(jī)組軟停機(jī)控制技術(shù)。常規(guī)的停機(jī)策略屬于開(kāi)環(huán)停機(jī)策略，即變槳角度按照預(yù)設(shè)速度進(jìn)行順槳，這種停機(jī)模式，在已經(jīng)存在較大不平衡載荷的條件下，如高風(fēng)速且大偏航誤差下停機(jī)、葉片卡死狀態(tài)下停機(jī)，開(kāi)環(huán)停機(jī)將導(dǎo)致較大的輪轂極限載荷和塔頂極限載荷，其與其他工況的載荷相差超過(guò)30%。為解決特殊工況下的停機(jī)載荷，要求變槳?jiǎng)幼鞅M可能緩慢，考慮單方面降低停機(jī)變槳速度，將增大超速風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合變槳控制模塊的基本思路，開(kāi)發(fā)完成閉環(huán)停機(jī)策略。
基于Ansoft仿真的中速永磁發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)：通過(guò)工程算法完成初始模型的設(shè)計(jì)，然后利用Ansoft軟件進(jìn)行不同工況不同性能參數(shù)的分析，重點(diǎn)針對(duì)電機(jī)不同運(yùn)行工況下，電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)、齒槽配合、級(jí)聯(lián)方式以及磁極形狀尺寸等進(jìn)行仿真，經(jīng)過(guò)多次迭代仿真計(jì)算，實(shí)現(xiàn)定子繞組結(jié)構(gòu)和磁極結(jié)構(gòu)優(yōu)化配合，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的電磁、結(jié)構(gòu)性能，實(shí)現(xiàn)極低的電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
低壓三電平變流器：在批量成熟三電平拓?fù)鋺?yīng)用的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了變流器有源阻尼技術(shù)研究，自適應(yīng)調(diào)整相應(yīng)的控制策略實(shí)現(xiàn)機(jī)組諧振抑制，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的傳動(dòng)鏈友好；采用機(jī)側(cè)/網(wǎng)側(cè)雙矢量控制技術(shù)，針對(duì)特定頻次的諧波實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的諧波消除，對(duì)電網(wǎng)更友好。
主變壓器上置：在大幅，減少機(jī)組動(dòng)力電纜成本的基礎(chǔ)上，即降低了電纜損耗提升發(fā)電量，又使車間的集中裝配更便于質(zhì)量控制，減少碼頭作業(yè)時(shí)間和成本，便于風(fēng)場(chǎng)調(diào)試，真正實(shí)現(xiàn)一鍵啟機(jī)。
減小軸承齒輪受力：首先從系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)上，采用雙驅(qū)動(dòng)器，雙電機(jī)，雙變速箱的設(shè)計(jì)架構(gòu)，可將系統(tǒng)載荷分配大不同的軸承輪齒上，可有效減小單個(gè)輪齒的載荷。其次從控制策略上，保證雙驅(qū)變槳兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)出力的一致性及響應(yīng)過(guò)程及時(shí)性和平滑性，可有效的減小系統(tǒng)在在啟動(dòng)響應(yīng)及正常變槳過(guò)程中對(duì)軸承齒面造成了極限沖擊。
更強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)推力：提高系統(tǒng)對(duì)長(zhǎng)葉片風(fēng)機(jī)的適應(yīng)性，避免了加長(zhǎng)葉片導(dǎo)致的載荷增加的影響以及零部件超出能力極限的問(wèn)題，利用先進(jìn)的轉(zhuǎn)矩控制算法及變槳控制算法，提高風(fēng)機(jī)低風(fēng)速段風(fēng)能利用率及整機(jī)穩(wěn)定性，有效降低大風(fēng)切變、大湍流等對(duì)風(fēng)機(jī)的沖擊。
基于分布式IO的控制系統(tǒng)：設(shè)計(jì)了一種新的分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將集成式控制系統(tǒng)化整為零，IO采集站就近布置，在設(shè)備及采集傳感器較為集中的地方放置控制系統(tǒng)子單元，將控制和數(shù)據(jù)集中總線傳遞，使機(jī)組內(nèi)傳感器信號(hào)采集電纜較少，線纜走線容易，中途通過(guò)總線傳輸，減少信號(hào)干擾，提升了控制系統(tǒng)可靠性。
基于一體化的“控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)”：基于Matlab平臺(tái)開(kāi)發(fā)功率速度控制器的核心代碼，它可以直接生成載荷評(píng)估用的DLL文件，也可以同步直接生成用于主控PLC硬件運(yùn)行的軟件程序，以此保證“仿真與實(shí)物的同源性”。
中國(guó)海裝10MW海上超大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用集成式傳動(dòng)鏈，低速端柔性連接，高速端浮動(dòng)性好，適應(yīng)對(duì)中偏差能力強(qiáng)，能有效隔絕發(fā)電機(jī)對(duì)齒輪箱的電腐蝕，并解決了扭矩波動(dòng)問(wèn)題，這些設(shè)計(jì)及技術(shù)攻關(guān)大大改善了齒輪箱及整個(gè)傳動(dòng)鏈運(yùn)行工況，極大地提高了運(yùn)行可靠性。該傳動(dòng)鏈具有超強(qiáng)的傳扭能力，是目前國(guó)內(nèi)乃至世界上傳遞扭矩最大的中速傳動(dòng)機(jī)組，在同等風(fēng)況條件下能創(chuàng)造更多的綠色能源。整個(gè)傳動(dòng)鏈采用油潤(rùn)滑，加上獨(dú)特的密封設(shè)計(jì)，給傳動(dòng)鏈穩(wěn)定、良好地運(yùn)行提供了有力保障。
10MW機(jī)組采用模塊化設(shè)計(jì)，提供多種分體式吊裝及拆卸方案。艙內(nèi)起重機(jī)能力達(dá)2噸，可輕松應(yīng)對(duì)偏航、散熱、變頻器等模塊的維護(hù)維修，同時(shí)額外設(shè)計(jì)有發(fā)電機(jī)軸承塔上維護(hù)更換方案，變壓器運(yùn)維船維護(hù)方案。
10MW平臺(tái)具有超強(qiáng)的擴(kuò)展性，在適應(yīng)性修改的基礎(chǔ)上風(fēng)輪直徑可提升至270米，功率等級(jí)兼容6-15MW，基礎(chǔ)型式兼容固定式和漂浮式，實(shí)現(xiàn)我國(guó)灘涂、近海、深遠(yuǎn)海等各類風(fēng)區(qū)海域的全覆蓋。
二是走向深遠(yuǎn)海，中國(guó)海裝在機(jī)組大型化上開(kāi)拓新技術(shù)、新機(jī)型的同時(shí)，在浮式風(fēng)電上也開(kāi)展了大量工作，并對(duì)未來(lái)浮式風(fēng)電的發(fā)展方向進(jìn)行了一些思考。
浮式海上風(fēng)電—走向深遠(yuǎn)海：首個(gè)浮式風(fēng)電示范樣機(jī)取得階段性成果，計(jì)劃于2021年完成樣機(jī)示范應(yīng)用。此項(xiàng)目于2019年1月獲得工信部批復(fù)，項(xiàng)目投資4.6億元。在實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電功能的基礎(chǔ)上，可與海洋牧場(chǎng)、海上風(fēng)電制氫、海水淡化、能源島、智能微網(wǎng)等前沿技術(shù)融合應(yīng)用，是中國(guó)船舶集團(tuán)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)“十四五”期間的戰(zhàn)略產(chǎn)品。
環(huán)境條件：瓊州海峽東口，徐聞羅斗沙海域，屬于全國(guó)流速最高的海域；場(chǎng)址水深50-70m,場(chǎng)址中心距離岸線約15km；夏季臺(tái)風(fēng)高發(fā)，海底地形條件復(fù)雜。
總體方案：采用H152-6.2MW抗臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組+帶有下浮體的半潛型浮式風(fēng)電平臺(tái)+懸鏈線式系泊。
漂浮海上風(fēng)電發(fā)展趨勢(shì)：趨勢(shì)一：浮式機(jī)組定制化、趨勢(shì)二：浮式機(jī)組容量大型化、趨勢(shì)三：浮式基礎(chǔ)輕量化、趨勢(shì)四：新型低成本材料基礎(chǔ)形式、趨勢(shì)五：浮式風(fēng)電+。
趨勢(shì)一：浮式機(jī)組定制化，目前均采用固定式海上風(fēng)電機(jī)組優(yōu)化而來(lái)。技術(shù)趨勢(shì)：適用于傳統(tǒng)固定式基礎(chǔ)的機(jī)組對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)具有苛刻的要求，且不同類型的漂浮式基礎(chǔ)在平臺(tái)運(yùn)動(dòng)特征、固有頻率范圍的差別迥異，需開(kāi)發(fā)適用于特定漂浮式基礎(chǔ)的機(jī)組。
趨勢(shì)二：浮式機(jī)組容量大型化，這是度電成本與機(jī)組功率關(guān)系，這是歐洲海上風(fēng)電度電成本大幅下降。
趨勢(shì)三：浮式基礎(chǔ)輕量化，在原有基礎(chǔ)形式上繼續(xù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)或者采用全新的形式。
趨勢(shì)四：新型低成本材料基礎(chǔ)形式，傳統(tǒng)漂浮式機(jī)組的結(jié)構(gòu)重心高、穩(wěn)性差，導(dǎo)致基礎(chǔ)主尺度和用鋼量難以降低。近年來(lái)，一些方案采用混凝土等高密度、低單價(jià)材料作為漂浮式基礎(chǔ)的主要建造或壓載材料，有效降低機(jī)組的重心，減少基礎(chǔ)的主尺度和建造費(fèi)用。
趨勢(shì)五：浮式風(fēng)電+，能源綜合利用，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能、太陽(yáng)能、潮汐能、波浪能、潮流能、溫差能等多能互補(bǔ)開(kāi)發(fā)；深遠(yuǎn)海漁業(yè)養(yǎng)殖，為油氣平臺(tái)、海上固定設(shè)施等提供能源，海水淡化、海上制氫、孤島微電網(wǎng)、海底壓縮空氣儲(chǔ)能。謝謝大家！
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