海装风电谭术平:机组大型化 走向深远海

能见App 2021年10月19日 3569

2021年10月17日-20日,2021北京国际风能大会暨展览会(CWP 2021)在北京新国展隆重召开。作为全球风电行业年度最大的盛会之一,这场由百余名演讲嘉宾和数千名国内外参会代表共同参与的风能盛会,再次登陆北京。

本届大会以“碳中和——风电发展的新机遇”为主题,历时四天,包括开幕式、主旨发言、高峰对话、创新剧场以及关于“国际成熟风电市场发展动态及投资机会”“国际新兴风电市场发展动态及投资机会”“风电设备智能运维论坛”“碳达峰碳中和加速能源转型”等不同主题的15个分论坛。能见App全程直播本次大会。

其中,10月19日海上风电发展论坛隆重召开。中国船舶集团海装风电股份有限公司研究院机械所副所长谭术平出席论坛,他的演讲题目为:机组大型化,走向深远海。

以下为发言全文:

谭术平:大家上午好,我今天汇报的题目是:机组大型化 走向深远海。

海上风电势头强劲,全球风能理事会(GWEC)2021年2月25日发布的最新数据显示,2020年全球海上风电新增装机容量超过6GW;中国连续三年领跑全球,2020年新增装机量超过3GW占全球新增一半以上(达50.45%);海上风电总容量超过德国,仅次于英国,成为全球第二大海上风电市场。

据国际著名咨询公司Wood Mackenzie统计,全球海上风电2020~2029新增容量规划中,中国达到251GW,位列全球第一;十四五”期间预计新增装机50GW/年,2025年后不低于60GW/年。到2030年风电累计装机容量至少达到8亿千瓦,到2060年至少达到30亿千瓦。

一是机组大型化,海上风电机组大型化是海上风电平价基础,也是浮式风电发展的必然趋势。我国海上风能资源丰富,潜力巨大,靠近东南部负荷中心,发展海上风电对实现我国能源结构转型和“3060”目标具有深远意义。海上风资源开发利用价值更高,但面临开发成本高、可维护性差等问题。因此,亟需开发高可靠大功率海上风电机组,支持海上风电平价上网。同时需要加快海上风电技术研发,缩短我国与欧美发达国家之间的差距,提升我国海上风电领域自主创新与国际技术引领能力。

中国海装拥有一个国家级、3个省部级科研平台。牵头承担了风电领域国家级项目11项,先后获得获重庆市科技进步一等奖等省部级奖励10余项,申请发明专利近百项。牵头制定了多个国家标准,以上是中国海装机组大型化发展历程,也是中国海装向更大型发展的坚实基础。

1、匹配国内最长碳纤维叶片,在吸收更多风能的同时,降低叶片载荷,减轻叶片重量,实现机组功率和叶片最优匹配

2、有限独立变桨技术,降低机组载荷

3、双轴承支撑形式,承载能力更强,对齿轮箱更友好

4、齿轮箱和发电机易拆卸集成式设计,结构紧凑,可靠性高,平均成本低

5、同步双驱电动变桨技术,优化叶根载荷集中输出,变桨轴承受力更友好

6、直升机平台配置,降低海洋环境对维护的影响

7、变流器、变压器同时上置,便于质量控制,更易维护,减少码头作业时间和成本,便于风场调试,真正实现一键启机。

10MW机组采用前沿载荷设计、先进降载控制策略、高效发电系统、稳定智能电控系统、集成化模块化平台化设计,设计出综合性能更优的国内首款风轮直径最大、功率最大的增速型海上风电机组。

1.风电机组载荷仿真是综合了流体-机械-电气-控制-土建等多学科的复杂求解过程,对机组进行风轮、传动链、塔筒、地基一体化建模,可以充分计算风浪流的对机组各个部件产生的耦合效应。

2.传统的载荷仿真模型中,叶片模型一般采用整体建模求解,但是在叶片较长的情况下,叶片变形就会累加,导致仿真结果不准确,海装首次在H210-10MW机组上使用叶片分段建模技术,可以更为准确的模拟叶片变形,求解更准确的载荷。

3.在开发H210-10MW机组的过程中,共进行了70多版载荷计算,每版有3000多种工况,计算量巨大,使用一体化仿真平台使计算效率翻倍,极大的节约了时间成本。

独立变桨。通过引入叶根载荷信号和方位角信号,通过坐标系变换,最终输出单独的变桨角度叠加量,实现载荷闭环控制,现有的1P-IPC策略,能够有效削减叶根载荷1P分量,轮毂不平衡载荷。实现机组极限和疲劳降载。

基于转速控制的快速变桨技术。ECD工况,风速风向在短时间内发生很大变化,单纯依靠变桨的PI调节,容易导致超速停机,而由于该工况存在较大的偏航误差角,开环停机过程中,可能出现轮毂和偏航不平衡极限载荷。为实现对极限载荷的控制,开发基于转速控制的快速变桨技术,抑制对阵风工况下的超速停机情况。

机组软停机控制技术。常规的停机策略属于开环停机策略,即变桨角度按照预设速度进行顺桨,这种停机模式,在已经存在较大不平衡载荷的条件下,如高风速且大偏航误差下停机、叶片卡死状态下停机,开环停机将导致较大的轮毂极限载荷和塔顶极限载荷,其与其他工况的载荷相差超过30%。为解决特殊工况下的停机载荷,要求变桨动作尽可能缓慢,考虑单方面降低停机变桨速度,将增大超速风险,结合变桨控制模块的基本思路,开发完成闭环停机策略。

基于Ansoft仿真的中速永磁发电机设计:通过工程算法完成初始模型的设计,然后利用Ansoft软件进行不同工况不同性能参数的分析,重点针对电机不同运行工况下,电机绕组结构、齿槽配合、级联方式以及磁极形状尺寸等进行仿真,经过多次迭代仿真计算,实现定子绕组结构和磁极结构优化配合,实现最优的电磁、结构性能,实现极低的电机转矩脉动。

低压三电平变流器:在批量成熟三电平拓扑应用的基础上,开展了变流器有源阻尼技术研究,自适应调整相应的控制策略实现机组谐振抑制,实现机组的传动链友好;采用机侧/网侧双矢量控制技术,针对特定频次的谐波实现“点对点”的谐波消除,对电网更友好。

主变压器上置:在大幅,减少机组动力电缆成本的基础上,即降低了电缆损耗提升发电量,又使车间的集中装配更便于质量控制,减少码头作业时间和成本,便于风场调试,真正实现一键启机。

减小轴承齿轮受力:首先从系统设计架构上,采用双驱动器,双电机,双变速箱的设计架构,可将系统载荷分配大不同的轴承轮齿上,可有效减小单个轮齿的载荷。其次从控制策略上,保证双驱变桨两个驱动电机出力的一致性及响应过程及时性和平滑性,可有效的减小系统在在启动响应及正常变桨过程中对轴承齿面造成了极限冲击。

更强大的驱动推力:提高系统对长叶片风机的适应性,避免了加长叶片导致的载荷增加的影响以及零部件超出能力极限的问题,利用先进的转矩控制算法及变桨控制算法,提高风机低风速段风能利用率及整机稳定性,有效降低大风切变、大湍流等对风机的冲击。

基于分布式IO的控制系统:设计了一种新的分布式控制系统结构,将集成式控制系统化整为零,IO采集站就近布置,在设备及采集传感器较为集中的地方放置控制系统子单元,将控制和数据集中总线传递,使机组内传感器信号采集电缆较少,线缆走线容易,中途通过总线传输,减少信号干扰,提升了控制系统可靠性。

基于一体化的“控制系统开发平台”:基于Matlab平台开发功率速度控制器的核心代码,它可以直接生成载荷评估用的DLL文件,也可以同步直接生成用于主控PLC硬件运行的软件程序,以此保证“仿真与实物的同源性”。

中国海装10MW海上超大型风力发电机组采用集成式传动链,低速端柔性连接,高速端浮动性好,适应对中偏差能力强,能有效隔绝发电机对齿轮箱的电腐蚀,并解决了扭矩波动问题,这些设计及技术攻关大大改善了齿轮箱及整个传动链运行工况,极大地提高了运行可靠性。该传动链具有超强的传扭能力,是目前国内乃至世界上传递扭矩最大的中速传动机组,在同等风况条件下能创造更多的绿色能源。整个传动链采用油润滑,加上独特的密封设计,给传动链稳定、良好地运行提供了有力保障。

10MW机组采用模块化设计,提供多种分体式吊装及拆卸方案。舱内起重机能力达2吨,可轻松应对偏航、散热、变频器等模块的维护维修,同时额外设计有发电机轴承塔上维护更换方案,变压器运维船维护方案。

10MW平台具有超强的扩展性,在适应性修改的基础上风轮直径可提升至270米,功率等级兼容6-15MW,基础型式兼容固定式和漂浮式,实现我国滩涂、近海、深远海等各类风区海域的全覆盖。

二是走向深远海,中国海装在机组大型化上开拓新技术、新机型的同时,在浮式风电上也开展了大量工作,并对未来浮式风电的发展方向进行了一些思考。

浮式海上风电—走向深远海:首个浮式风电示范样机取得阶段性成果,计划于2021年完成样机示范应用。此项目于2019年1月获得工信部批复,项目投资4.6亿元。在实现风力发电功能的基础上,可与海洋牧场、海上风电制氢、海水淡化、能源岛、智能微网等前沿技术融合应用,是中国船舶集团应用产业“十四五”期间的战略产品。

环境条件:琼州海峡东口,徐闻罗斗沙海域,属于全国流速最高的海域;场址水深50-70m,场址中心距离岸线约15km;夏季台风高发,海底地形条件复杂。

总体方案:采用H152-6.2MW抗台风力发电机组+带有下浮体的半潜型浮式风电平台+悬链线式系泊。

漂浮海上风电发展趋势:趋势一:浮式机组定制化、趋势二:浮式机组容量大型化、趋势三:浮式基础轻量化、趋势四:新型低成本材料基础形式、趋势五:浮式风电+。

趋势一:浮式机组定制化,目前均采用固定式海上风电机组优化而来。技术趋势:适用于传统固定式基础的机组对支撑结构的振动响应具有苛刻的要求,且不同类型的漂浮式基础在平台运动特征、固有频率范围的差别迥异,需开发适用于特定漂浮式基础的机组。

趋势二:浮式机组容量大型化,这是度电成本与机组功率关系,这是欧洲海上风电度电成本大幅下降。

趋势三:浮式基础轻量化,在原有基础形式上继续优化结构或者采用全新的形式。

趋势四:新型低成本材料基础形式,传统漂浮式机组的结构重心高、稳性差,导致基础主尺度和用钢量难以降低。近年来,一些方案采用混凝土等高密度、低单价材料作为漂浮式基础的主要建造或压载材料,有效降低机组的重心,减少基础的主尺度和建造费用。

趋势五:浮式风电+,能源综合利用,实现风能、太阳能、潮汐能、波浪能、潮流能、温差能等多能互补开发;深远海渔业养殖,为油气平台、海上固定设施等提供能源,海水淡化、海上制氢、孤岛微电网、海底压缩空气储能。谢谢大家!

 

(根据演讲速记整理,未经演讲人审核)