电气风电杨忾:大功率海上机组双驱电动变桨技术初探

能见App 2021年10月19日 4557

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。东方电气风电有限公司变桨系统工程师杨忾出席会议并演讲。

以下为发言全文:

杨忾:各位好,首先第一部分介绍一下东方电气自研变桨系统的装置,到现在为止,我们的产品线已经实现从2兆瓦到10兆瓦,一方面实现变桨系统价格的大幅降低,而且还实现变桨系统可靠性稳步提升。当时在这个项目立项的时候,要开发一套能够适用于10兆瓦机组,到底是采用电动变桨还是液压变桨,这个困扰我们很久。

液压变桨:主要由油缸、蓄能器、比例阀、电磁阀、位置传感器等组成,液压泵提供动力、液压油作为传递介质,油缸活塞杆径向运动→桨叶的圆周运动,

功率大、扭矩大、响应快、可靠。

电动变桨:由伺服驱动器、变桨电机、控制器、后备电源及附件组成,以超级电容作为后备电源,变桨电机、减速箱、变桨轴承,能耗低、免维护。当时我们在开发适用于10兆瓦变桨系统的时候,我们结合自己的需求,根据自己的实际情况综合考虑,因为液压变桨系统存在一个漏油的风险,而且目前还是基本依赖于进口。在我们国内,现在还没有比较成熟的一个产业链,而且液压变桨系统对安装、维护的要求都比较高,而电动变桨在国内相对来说应用更加广泛一点,并且有了比较成熟的产业链,这些配套也是比较成熟的,可以做到免维护设计。

另外一个方面,我们一直以来就是自研变桨系统的时候就是走的电动变桨系统,我们积累了很多的经验,相关的技术也比较成熟。所以我们就基于这些原因,就决定在超大型的海上机组继续采用电动变桨这样一个技术路线。变桨系统在10兆瓦等级海上机组的应用遇到了前所未有的挑战,如果我们继续在超大型机组使用传统的单驱变桨系统的话,首先第一个问题就会遇到处理过于集中的问题,第二个问题就是可能需要定制一些核心器件,当时我们在开发这套双驱变桨系统的时候,市场上没有满足这样一些核心器件,所以我们就需要进行电磁化的开发。因为没有经过市场充分验证,就有很多的不确定性。第三个如果采用单驱系统可能维护比较困难,大家设想一下,如果更换重量达到300公斤甚至更大功率的变桨电机是非常困难的,基于这些原因,我们继续在10兆瓦或者以上等级海上机组采用传统单驱变桨系统就一点不合时宜了。针对刚才提到的这些问题,我们就提出了通过两个电机共同处理驱动叶片进行调整的双驱方案。采用双驱方案,第一个好处就是可以分散出力,单点受力可以有效降低断齿的风险,减缓轴承的磨损对轴承比较友好,可以延长变桨轴承的寿命。第二个就是如果采用双驱方案之后,我们对单个变桨驱动器的功率就减少了,就可以应用一些核心器件,从器件级降低系统风险。第三个可维护性相对来说会高一点,因为当我们的变桨系统核心器件功率需求变小之后,相应的这些都会减小,维护起来会更加的方便。第四部分的内容就是在双驱变桨系统开发过程当中,我们遇到了一些关键点给大家做一个简要的分享。首先双驱变桨系统最大的难点就是要实现两个电机同步控制,保证两个电机的同时出力,它有两个驱动电源,变桨系统是工作在需要频繁来回调桨的工作状态,如果两个电机不能出现同步出力,它们就会打架较劲,会导致部分或者整个系统的过载。另外一个方面,其实两个减速箱的小齿的齿缝也是时时变化的,有可能会出现打齿这样的问题。所以我们开发了这套系统,同轴两个驱动器是主轴方式,主机可以工作在速度模式,两个驱动机之间可以实现一毫秒实时通讯,结合完全自主开发的一个同步控制还有消息控制的算法来保证两个电机的同步出力。

第二个要实现安全冗余功能,正常情况下,我们的从机能够响应主机的命令,高速准确实现变桨动作。因为同轴有两个驱动单元,一个驱动单元发生故障的时候,另外一个需要打开两个电机的刹车,必须要保证两个刹车同步动作才能实现这个功能。对于以前传统的单电机驱动的变桨系统,如果驱动器或者是变桨电机发生故障不能动作的时候,叶片就收不回去了,但是对于双驱变桨系统就不存在这个问题。因为有两个驱动单元,它只有当两个驱动单元同时失效的情况下,才会出现叶片不能受桨。第三解决系统复杂度提升的问题,一套系统结构越复杂,器件越多,可靠性是随之降低的。海上机组对变桨系统要求特别高,为了解决这个问题,我们就想了几个办法,优化结构布局,从设计上就让变桨系统不至于变得过于复杂。第二个就是采用一个分布式IO的设计,我们把变桨系统里面的防雷模块、润滑系统这些外围设备和变桨系统本体分开来设计。通过分布式IO方式进行通讯,当外围设备发生故障的时候,可以减少对于本体的影响。第三个就是针对双驱变桨系统,我们设计了一套全新的故障分析方法,我们可以对很多信息、数据进行备份,对于传统的单电机有些故障必须要停机,但是双驱系统可以利用备份的数据和信息。发生特定故障的时候,只发出一个报警信号就可以了,让变桨系统持续不停地运行,提升机组的发电量,提升整个系统的可靠性。

第四要解决环境适应性的问题,海上是一个高热高湿高盐雾的环境,对很多的机组来讲有了密封设计这些,相对于陆上变桨系统来说,海上变桨系统工作环境相对比较恶劣一点。所以针对这个问题,我们的核心器件采用带有防腐涂层的设计,最后一部分是双驱变桨系统样机测试和运行情况,我们这套系统在设计的时候,因为是没有任何参考没有任何标准的情况下,我们想要对这套系统的功能和性能都进行一个严苛的测试。所以我们就设计了这么一套双驱变桨系统的设计平台,对这套系统进行了第三方测试,经过测试可以说性能和功能都完全满足设计需求。

右边这个图是这套双驱变桨系统的样机,我们可以看到,同轴两个电机地距绝对误差可以控制在一流米,相对误差不超过百分之一,可以说同步性是非常好的。我们这套双驱变桨系统的样机是在2020年实现了成功并网,到目前为止也是唯一一套正在运行的系统。从2020年的7月,大概15个月的时间,我们这个系统一直都是保持无故障运行,我们已经实现了批量交付。经过15个月的运行之后,变桨轴承在零度位置附近与两个减速箱小齿接触最为频繁,可能磨损最为严重的地方,我们看到从两个驱动器磨损情况是基本一致的,没有出现哪个地方或者磨损特别严重的情况下。所以整体运行情况是非常良好的,可以说这套双驱变桨系统从设计到最后投运,不管是性能还是可靠性、稳定性,整体都远远超过我们的预期。双驱变桨电动系统,可以说是以后一个全新具有非常广阔市场和应用前景的变桨系统的解决方案。

我今天的分享就到此结束,谢谢大家!

 

(根据演讲速记整理,未经演讲人审核)