2020年10月14日-16日，2020北京國際風(fēng)能大會暨展覽會（CWP 2020）在北京新國展隆重召開。作為全球風(fēng)電行業(yè)年度最大的盛會之一，這場由百余名演講嘉賓和數(shù)千名國內(nèi)外參會代表共同參與的風(fēng)能盛會，再次登陸北京，本屆大會以“引領(lǐng)綠色復(fù)蘇，構(gòu)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(fēng)資源精細(xì)化評估分論壇上，水電水利規(guī)劃設(shè)計總院高級工程師劉霄發(fā)表《基于粒計算理論的風(fēng)能資源評估》主題演講。
以下為發(fā)言實錄：李華陽：我今天分享的主題是優(yōu)秀高效電器驅(qū)動高效設(shè)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(chǔ)下，我們電氣驅(qū)動鏈面積怎么樣的設(shè)計挑戰(zhàn)，電氣驅(qū)動鏈，第一個維度首先低頭看一下我們腳下在當(dāng)前相對比較成熟的技術(shù)框架下，我們?nèi)绾文軌驅(qū)崿F(xiàn)我們電氣驅(qū)動鏈內(nèi)部發(fā)電機和變流器兩個部件更深層次協(xié)同優(yōu)化。
第二個維度我們向前看，我們思考一下下一代，機組開發(fā)，海上機組開發(fā)的過程中我們?nèi)绾文軌虼竽憚?chuàng)新？采用一些更顛覆性的更具有競爭力的這么一個電氣驅(qū)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(yōu)質(zhì)的風(fēng)電機組，然后盡可能高的實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，盡可能高的為我們的客戶提供一個收益。為了達(dá)到這一目標(biāo)，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(jié)點，特別的關(guān)鍵節(jié)點實現(xiàn)深度的技術(shù)穿透和技術(shù)把控，作為機械能，轉(zhuǎn)化為電能，電氣驅(qū)動鏈由發(fā)電機和變流器兩個大的部件組，針對發(fā)電機或者變流器里面有非常多的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)計理念，我們在一般機組開發(fā)過程中我們交給兩個團(tuán)隊去單獨的負(fù)責(zé)發(fā)電機和變流器的設(shè)計，通過簡單的電器機械接口實現(xiàn)一個設(shè)計的協(xié)同，在當(dāng)前這個成本壓力日益突顯的時代，我們越發(fā)的感覺到，這樣的模式并不是最優(yōu)的模式，這樣的模式并不能把我們每個部件的潛能充分發(fā)揮到極致，所以我們上海電氣做了一些嘗試，我們把發(fā)電機和變流器兩個團(tuán)隊進(jìn)行融合，我們目的在整個機組開發(fā)的前端前期我們要實現(xiàn)這兩個大部件的一個深度的融合，實現(xiàn)1+1大于2的目標(biāo)。
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(nèi)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(jīng)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(qū)動鏈究竟面臨什么樣的挑戰(zhàn)，我們還能不能跟上機組容量變化趨勢，發(fā)電機重量和體積，或者說成本，它是轉(zhuǎn)距要求，更進(jìn)一步的與我們幾個參數(shù)有關(guān)，一個機組的功率，當(dāng)然還有我們整個機組的分輪直徑，驅(qū)動鏈的速比，葉尖速，我們勢必搭配更大的葉輪，我們整個發(fā)電機的重量體積與我們整個機組的容量的二次冪成相關(guān)的關(guān)系。3兆瓦到7兆瓦的階段算是我們發(fā)電機設(shè)計的起步階段，隨著我們對發(fā)電機認(rèn)識的不斷加深，我們是實現(xiàn)了一個技術(shù)的進(jìn)步，這里我們可以以一個簡單的指標(biāo)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(biāo)是在不斷的優(yōu)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(fā)電機各自的技術(shù)路線斗已經(jīng)基本定形，我們整個的設(shè)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(biāo)單位功率的重量，是出現(xiàn)了一個明顯的上升，這也就是和我們之前分析的發(fā)電機的重量與我們機組整個的容量這個關(guān)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(fā)電機的設(shè)計，如果我們還繼續(xù)沿用當(dāng)前比較成熟的技術(shù)框架，我們整個發(fā)電機不可避免要超過400噸，這會給我們整個部件的設(shè)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(zhàn)，所以總結(jié)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(fēng)電機組對我們高效能電氣驅(qū)動鏈非常迫切的。
就是一個產(chǎn)出和產(chǎn)能的平衡，產(chǎn)出反映了我們電氣驅(qū)動鏈全生命周期的發(fā)電量，既與我們驅(qū)動鏈效率和可靠性有關(guān)，產(chǎn)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(guān)，運維成本，單位度電成本最優(yōu)的理念是完全一致的，我們高效率電氣驅(qū)動鏈可以用一個高產(chǎn)出和低投入概括，高產(chǎn)出指的高功率密度，高可靠性和高集成度適應(yīng)性，低投入主要是低成本，當(dāng)然也有低排放，大家都知道在近幾年我們電動汽車行業(yè)是取得了一個非常長足的進(jìn)步，那么我們來看一下電驅(qū)動系統(tǒng)，因為他們電驅(qū)動系統(tǒng)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?yán)锩娴碾婒?qū)動系統(tǒng)，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(fēng)電機組這一塊做的是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，我們電氣驅(qū)動鏈發(fā)電機仍需要大幅加強的。
接下來就我們上海電氣平常產(chǎn)品開發(fā)過程中的一些設(shè)計實力和大家簡單的進(jìn)行一個分享。我們首先看到的這就是一個常規(guī)的我們發(fā)電機和變流器的一個設(shè)計，我們發(fā)電機眾所周知我們發(fā)電機和變流器都是非常關(guān)鍵復(fù)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(xué)科多領(lǐng)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(guī)的接口，電氣機械接口實現(xiàn)溝通協(xié)同，我們就在我們還有沒有更深步的這樣一種協(xié)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(tǒng)設(shè)計的最頂層我們提前布局提前構(gòu)思一下這兩個構(gòu)建的配合，第二個怎么把發(fā)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(fā)電量提升電氣驅(qū)動鏈取得一個進(jìn)步。
先看第一個實例，協(xié)同容錯做的一些工作，大家都知道在現(xiàn)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(shè)備的限制，我們會設(shè)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(yōu)勢，單個通道發(fā)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(shè)計都能實現(xiàn)我們所希望的這樣一個功能。這個其實是與我們整個發(fā)電機和變流器的配合是緊密相關(guān)的，我們拓?fù)渑浜系牟缓茫覀兠恳粋€回路發(fā)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?nèi)绻麤]有考慮容錯設(shè)計，沒有考慮容錯拓?fù)渑浜希覀兛梢钥吹皆谀骋惶谆蛘吣硯滋坠收弦院螅瑓⑴c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(zhàn)，如果我們考慮了容錯設(shè)計我們可以看到在某幾套，單獨運行我們?nèi)匀荒軐崿F(xiàn)很高的很好的一個電能質(zhì)量輸出，有關(guān)這個如何實現(xiàn)這個高容錯的拓?fù)渑浜衔覀冏隽朔浅４罅康难芯浚覀兛偨Y(jié)出來這么一個規(guī)律，這個規(guī)律布局非常多的專利，高效協(xié)同容錯設(shè)計可以保證我們大容量的機組在我們部分電氣回路發(fā)生故障我們實現(xiàn)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(guān)電氣驅(qū)動鏈短路協(xié)同保護(hù)，發(fā)電其和變流器中間設(shè)置一個開關(guān)，一方面處于維護(hù)的需求，一方面保護(hù)我們電氣回路的需求，針對這個開關(guān)，低速直驅(qū)電機頻率很低，我們?yōu)榱四軌蛘Ｍ〝辔覀冸娏魍捎弥绷鲾嗦窔猓〝嘈阅芎芎茫杀痉浅０嘿F，采用低成本的交流，甚至其他隔離開關(guān)加熔斷器，這對我們現(xiàn)在是一個非常大的誘惑因為成本非常有優(yōu)勢，不禁要猶豫，通斷不了，電氣驅(qū)動鏈能不能扛得住，我們做了大量的聯(lián)合仿真，理論分析工作，我們發(fā)現(xiàn)研究非常多種不同的故障運行條件下，我們電氣驅(qū)動鏈的表現(xiàn)，我們發(fā)現(xiàn)三項短路這種情況下，包括整個短路后的穩(wěn)態(tài)電流，三項短路發(fā)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(wěn)態(tài)后的轉(zhuǎn)距波動非常大，產(chǎn)生斜振，對我們機組產(chǎn)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(xiàn)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(jìn)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(fā)電機的拓?fù)洌瑒偛徘懊嬉蔡崃耍F(xiàn)在針對直驅(qū)特別海上這一塊，我們發(fā)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(jīng)接近了一個瓶頸，我們就要思考我們?nèi)绾文苓M(jìn)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(qū)動鏈本身有幾條路，一條是磁負(fù)荷，選擇高性能磁鋼，電負(fù)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(qū)動鏈的速比，大家很輕易的想到，我們帶機械齒輪，半直驅(qū)和直驅(qū)性能優(yōu)劣是一個永恒的爭論，沒辦法保證半直驅(qū)的可靠性，我們在電機直驅(qū)電機，能不能等效把驅(qū)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(guī)說的這樣一些提升，首先我們還非常依賴于我們整個基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)特別是材料這么一個突破，包括比如提高磁負(fù)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(jìn)行一個融合，實現(xiàn)一個導(dǎo)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(chǔ)研究包括我們整個供應(yīng)鏈的這么一個聯(lián)合協(xié)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(fā)電機的拓?fù)渖夏懿荒苡行碌姆椒ǎ碌母锩?/div>
前面提到我們能不能等效的去提升驅(qū)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(jìn)行一個集成，右邊就是我們上海電氣做了非常大量的拓?fù)湔{(diào)研仿真驗證工作，新型的拓?fù)浞浅Ｓ行阅艿膬?yōu)勢，我們與傳統(tǒng)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?fù)洌麄€電氣驅(qū)動鏈怎么去考慮的，越是拓?fù)鋸?fù)雜的電氣脫結(jié)構(gòu)，對我們電氣驅(qū)動鏈?zhǔn)窃礁叩模阅芎苡袃?yōu)勢，可能比一般的電機復(fù)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(shè)計電氣拓?fù)湓O(shè)計帶來新的套占，新型電氣拓?fù)洳捎孟鄬Ρ容^復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，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(tǒng)功率因素會比較低，這樣對我們整個系統(tǒng)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(qū)開發(fā)一條主要的思路，就是我們要去平衡發(fā)電機和變流器，我們怎么樣能把我們發(fā)電機的成本，轉(zhuǎn)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(qū)動鏈會給我們帶來非常多的這樣一些拓?fù)淦ヅ涞目赡埽?dāng)然也會給我們帶來非常多的全新的設(shè)計挑戰(zhàn)。
最后再來一個簡單的總結(jié)和展望，我們展望一下未來電器驅(qū)動鏈的設(shè)計發(fā)展，首先還是針對發(fā)電機和變流器單個本身我們總結(jié)了一下可能有幾個方面，首先是自我驅(qū)動，就是說我們要牢牢跟送大容量機組的趨勢，要試第一，當(dāng)前平價時代我們首要考慮的肯定是成本，我們?nèi)绾谓档统杀卷槕?yīng)平價，更深層次的，一定要做到這浪者之間的高效協(xié)同設(shè)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(qū)動鏈設(shè)計人員從業(yè)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(yōu)化。不斷突破，跳出當(dāng)前的思維定勢，成熟的可靠的經(jīng)過驗證的一些技術(shù)體系，我們往往難以達(dá)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(shù)布局，轉(zhuǎn)換思維方式，在內(nèi)部實現(xiàn)一個成本的合理分配，從而助力于我們整個機組去實現(xiàn)競爭力的提升，今天我的分享就到這里，謝謝。
（根據(jù)速記整理，未經(jīng)本人審核）
