海裝風電譚術平：機組大型化 走向深遠海

　　2021年10月17日-20日，2021北京國際風能大會暨展覽會（CWP 2021）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“碳中和——風電發展的新機遇”為主題，歷時四天，包括開幕式、主旨發言、高峰對話、創新劇場以及關于“國際成熟風電市場發展動態及投資機會”“國際新興風電市場發展動態及投資機會”“風電設備智能運維論壇”“碳達峰碳中和加速能源轉型”等不同主題的15個分論壇。能見App全程直播本次大會。

　　

　　其中，10月19日海上風電發展論壇隆重召開。中國船舶集團海裝風電股份有限公司研究院機械所副所長譚術平出席論壇，他的演講題目為：機組大型化，走向深遠海。

　　

　　譚術平：大家上午好，我今天匯報的題目是：機組大型化 走向深遠海。

　　

　　海上風電勢頭強勁，全球風能理事會（GWEC）2021年2月25日發布的最新數據顯示，2020年全球海上風電新增裝機容量超過6GW；中國連續三年領跑全球，2020年新增裝機量超過3GW占全球新增一半以上(達50.45%)；海上風電總容量超過德國，僅次于英國，成為全球第二大海上風電市場。

　　

　　據國際著名咨詢公司Wood Mackenzie統計，全球海上風電2020~2029新增容量規劃中，中國達到251GW,位列全球第一；十四五”期間預計新增裝機50GW/年，2025年后不低于60GW/年。到2030年風電累計裝機容量至少達到8億千瓦，到2060年至少達到30億千瓦。

　　

　　一是機組大型化，海上風電機組大型化是海上風電平價基礎，也是浮式風電發展的必然趨勢。我國海上風能資源豐富，潛力巨大，靠近東南部負荷中心，發展海上風電對實現我國能源結構轉型和“3060”目標具有深遠意義。海上風資源開發利用價值更高，但面臨開發成本高、可維護性差等問題。因此，亟需開發高可靠大功率海上風電機組，支持海上風電平價上網。同時需要加快海上風電技術研發，縮短我國與歐美發達國家之間的差距，提升我國海上風電領域自主創新與國際技術引領能力。

　　

　　中國海裝擁有一個國家級、3個省部級科研平臺。牽頭承擔了風電領域國家級項目11項，先后獲得獲重慶市科技進步一等獎等省部級獎勵10余項，申請發明專利近百項。牽頭制定了多個國家標準，以上是中國海裝機組大型化發展歷程，也是中國海裝向更大型發展的堅實基礎。

　　

　　1、匹配國內最長碳纖維葉片，在吸收更多風能的同時，降低葉片載荷，減輕葉片重量，實現機組功率和葉片最優匹配

　　

　　2、有限獨立變槳技術，降低機組載荷

　　

　　3、雙軸承支撐形式，承載能力更強，對齒輪箱更友好

　　

　　4、齒輪箱和發電機易拆卸集成式設計，結構緊湊，可靠性高，平均成本低

　　

　　5、同步雙驅電動變槳技術，優化葉根載荷集中輸出，變槳軸承受力更友好

　　

　　6、直升機平臺配置，降低海洋環境對維護的影響

　　

　　7、變流器、變壓器同時上置，便于質量控制，更易維護，減少碼頭作業時間和成本，便于風場調試，真正實現一鍵啟機。

　　

　　10MW機組采用前沿載荷設計、先進降載控制策略、高效發電系統、穩定智能電控系統、集成化模塊化平臺化設計，設計出綜合性能更優的國內首款風輪直徑最大、功率最大的增速型海上風電機組。

　　

　　1.風電機組載荷仿真是綜合了流體-機械-電氣-控制-土建等多學科的復雜求解過程，對機組進行風輪、傳動鏈、塔筒、地基一體化建模，可以充分計算風浪流的對機組各個部件產生的耦合效應。

　　

　　2.傳統的載荷仿真模型中，葉片模型一般采用整體建模求解，但是在葉片較長的情況下，葉片變形就會累加，導致仿真結果不準確，海裝首次在H210-10MW機組上使用葉片分段建模技術，可以更為準確的模擬葉片變形，求解更準確的載荷。

　　

　　3.在開發H210-10MW機組的過程中，共進行了70多版載荷計算，每版有3000多種工況，計算量巨大，使用一體化仿真平臺使計算效率翻倍，極大的節約了時間成本。

　　

　　獨立變槳。通過引入葉根載荷信號和方位角信號，通過坐標系變換，最終輸出單獨的變槳角度疊加量，實現載荷閉環控制，現有的1P-IPC策略，能夠有效削減葉根載荷1P分量，輪轂不平衡載荷。實現機組極限和疲勞降載。

　　

　　基于轉速控制的快速變槳技術。ECD工況，風速風向在短時間內發生很大變化，單純依靠變槳的PI調節，容易導致超速停機，而由于該工況存在較大的偏航誤差角，開環停機過程中，可能出現輪轂和偏航不平衡極限載荷。為實現對極限載荷的控制，開發基于轉速控制的快速變槳技術，抑制對陣風工況下的超速停機情況。

　　

　　機組軟停機控制技術。常規的停機策略屬于開環停機策略，即變槳角度按照預設速度進行順槳，這種停機模式，在已經存在較大不平衡載荷的條件下，如高風速且大偏航誤差下停機、葉片卡死狀態下停機，開環停機將導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30%。為解決特殊工況下的停機載荷，要求變槳動作盡可能緩慢，考慮單方面降低停機變槳速度，將增大超速風險，結合變槳控制模塊的基本思路，開發完成閉環停機策略。

　　

　　基于Ansoft仿真的中速永磁發電機設計：通過工程算法完成初始模型的設計，然后利用Ansoft軟件進行不同工況不同性能參數的分析，重點針對電機不同運行工況下，電機繞組結構、齒槽配合、級聯方式以及磁極形狀尺寸等進行仿真，經過多次迭代仿真計算，實現定子繞組結構和磁極結構優化配合，實現最優的電磁、結構性能，實現極低的電機轉矩脈動。

　　

　　低壓三電平變流器：在批量成熟三電平拓撲應用的基礎上，開展了變流器有源阻尼技術研究，自適應調整相應的控制策略實現機組諧振抑制，實現機組的傳動鏈友好；采用機側/網側雙矢量控制技術，針對特定頻次的諧波實現“點對點”的諧波消除，對電網更友好。

　　

　　主變壓器上置：在大幅，減少機組動力電纜成本的基礎上，即降低了電纜損耗提升發電量，又使車間的集中裝配更便于質量控制，減少碼頭作業時間和成本，便于風場調試，真正實現一鍵啟機。

　　

　　減小軸承齒輪受力：首先從系統設計架構上，采用雙驅動器，雙電機，雙變速箱的設計架構，可將系統載荷分配大不同的軸承輪齒上，可有效減小單個輪齒的載荷。其次從控制策略上，保證雙驅變槳兩個驅動電機出力的一致性及響應過程及時性和平滑性，可有效的減小系統在在啟動響應及正常變槳過程中對軸承齒面造成了極限沖擊。

　　

　　更強大的驅動推力：提高系統對長葉片風機的適應性，避免了加長葉片導致的載荷增加的影響以及零部件超出能力極限的問題，利用先進的轉矩控制算法及變槳控制算法，提高風機低風速段風能利用率及整機穩定性，有效降低大風切變、大湍流等對風機的沖擊。

　　

　　基于分布式IO的控制系統：設計了一種新的分布式控制系統結構，將集成式控制系統化整為零，IO采集站就近布置，在設備及采集傳感器較為集中的地方放置控制系統子單元，將控制和數據集中總線傳遞，使機組內傳感器信號采集電纜較少，線纜走線容易，中途通過總線傳輸，減少信號干擾，提升了控制系統可靠性。

　　

　　基于一體化的“控制系統開發平臺”：基于Matlab平臺開發功率速度控制器的核心代碼，它可以直接生成載荷評估用的DLL文件，也可以同步直接生成用于主控PLC硬件運行的軟件程序，以此保證“仿真與實物的同源性”。

　　

　　中國海裝10MW海上超大型風力發電機組采用集成式傳動鏈，低速端柔性連接，高速端浮動性好，適應對中偏差能力強，能有效隔絕發電機對齒輪箱的電腐蝕，并解決了扭矩波動問題，這些設計及技術攻關大大改善了齒輪箱及整個傳動鏈運行工況，極大地提高了運行可靠性。該傳動鏈具有超強的傳扭能力，是目前國內乃至世界上傳遞扭矩最大的中速傳動機組，在同等風況條件下能創造更多的綠色能源。整個傳動鏈采用油潤滑，加上獨特的密封設計，給傳動鏈穩定、良好地運行提供了有力保障。

　　

　　10MW機組采用模塊化設計，提供多種分體式吊裝及拆卸方案。艙內起重機能力達2噸，可輕松應對偏航、散熱、變頻器等模塊的維護維修，同時額外設計有發電機軸承塔上維護更換方案，變壓器運維船維護方案。

　　

　　10MW平臺具有超強的擴展性，在適應性修改的基礎上風輪直徑可提升至270米，功率等級兼容6-15MW，基礎型式兼容固定式和漂浮式，實現我國灘涂、近海、深遠海等各類風區海域的全覆蓋。

　　

　　二是走向深遠海，中國海裝在機組大型化上開拓新技術、新機型的同時，在浮式風電上也開展了大量工作，并對未來浮式風電的發展方向進行了一些思考。

　　

　　浮式海上風電—走向深遠海：首個浮式風電示范樣機取得階段性成果，計劃于2021年完成樣機示范應用。此項目于2019年1月獲得工信部批復，項目投資4.6億元。在實現風力發電功能的基礎上，可與海洋牧場、海上風電制氫、海水淡化、能源島、智能微網等前沿技術融合應用，是中國船舶集團應用產業“十四五”期間的戰略產品。

　　

　　環境條件：瓊州海峽東口，徐聞羅斗沙海域，屬于全國流速最高的海域；場址水深50-70m,場址中心距離岸線約15km；夏季臺風高發，海底地形條件復雜。

　　

　　總體方案：采用H152-6.2MW抗臺風力發電機組+帶有下浮體的半潛型浮式風電平臺+懸鏈線式系泊。

　　

　　漂浮海上風電發展趨勢：趨勢一：浮式機組定制化、趨勢二：浮式機組容量大型化、趨勢三：浮式基礎輕量化、趨勢四：新型低成本材料基礎形式、趨勢五：浮式風電+。

　　

　　趨勢一：浮式機組定制化，目前均采用固定式海上風電機組優化而來。技術趨勢：適用于傳統固定式基礎的機組對支撐結構的振動響應具有苛刻的要求，且不同類型的漂浮式基礎在平臺運動特征、固有頻率范圍的差別迥異，需開發適用于特定漂浮式基礎的機組。

　　

　　趨勢二：浮式機組容量大型化，這是度電成本與機組功率關系，這是歐洲海上風電度電成本大幅下降。

　　

　　趨勢三：浮式基礎輕量化，在原有基礎形式上繼續優化結構或者采用全新的形式。

　　

　　趨勢四：新型低成本材料基礎形式，傳統漂浮式機組的結構重心高、穩性差，導致基礎主尺度和用鋼量難以降低。近年來，一些方案采用混凝土等高密度、低單價材料作為漂浮式基礎的主要建造或壓載材料，有效降低機組的重心，減少基礎的主尺度和建造費用。

　　

　　趨勢五：浮式風電+，能源綜合利用，實現風能、太陽能、潮汐能、波浪能、潮流能、溫差能等多能互補開發；深遠海漁業養殖，為油氣平臺、海上固定設施等提供能源，海水淡化、海上制氫、孤島微電網、海底壓縮空氣儲能。謝謝大家！

　　

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