金风科技设备副总工:海上风电单机大功率是必然趋势

能见App 2016年10月19日 244

能见APP讯:10月19日,2016年北京国际风能大会暨展览会在中国国际展览中心召开。北京金风科技设备有限公司副总工程师赵祥在主论坛上发言,他表示海上风电单机大功率是必然的趋势,欧洲已经到了5到6GW成熟的时期,未来的7到8GW已经开始进行示范。中国10万千瓦15平方公里的范围,也会导致受到单机大功率的发展趋势。

以下为发言全文:

今天下午的会是作为研讨,大家对我的观点有什么不同的想法,欢迎下来进行详细的沟通。

背景1053兆瓦的规划,福建到辽宁,中国的风资源有别于欧洲的风资源,中国主要是福建一类,再往长江以北三类为主,我们的机组怎么设计,未来的市场怎样呢?根据一些行业信息,由于陆上风电三北地区限电和风电电价的调整,海上风电未来五年会迎来一个发展期,通过水规院的总体规划,2020年装机容量10GW,2015年基本形成海上风电产业链和服务体系,2020年形成更大规模的发展,结合欧洲风力发电的历程,中国市场逐步进入成长期,未来三年将以稳步增长为主导,2017到2018年进入规模化发展。

风电界通过过去十二五和去年的开发,基本上的认同是,海上风电前景是广阔的,但是从实践还是技术研发要务实要稳扎稳打一步一步推进。

结合整个海上风电全生命周期的成本的分析,我们认为海上风电单机大功率是必然的趋势,欧洲已经到了5到6GW成熟的时期,未来的7到8GW已经开始进行示范。中国十万千瓦15平方公里的范围,也会导致受到单机大功率的发展趋势。

因此国内未来两年后逐步会进入5到6GW的时代,福建地区风力比较好,地质情况复杂,6GW及以上已经成为了福建地区招投标单机功率的限制。

运维的成本也会导致机组朝大功率方向发展,如图,第一列整个海上风电运维的成本分析,10%是风电场的部分,40%是机组,50%是物流,物流的成本占据了海上风电50%以上,金风科技风电场统计,交通费用也是达到了50%以上在运维上。对运维成本按照物流来分,50%再细分,10%是陆上物流,90%是海上物流,因此海上机组可靠性,和机组大功率降低海上物流的成本,导致机组全生命周期价格的下降。

由于海上风电情况复杂、极端气候比较多,受到低可利用率、高可靠性、低可进入性等问题,海上的运维成为已经占全生命周期成本的25%到30%。海上风电机组研发过程中牵扯面比较宽,但是技术路线上,叶片等等是通用的,我汇报结合不同的传动系统对可靠性进行分析。

现在主流的风机的传动系统,持续永磁,还有齿轮箱加永磁,还有西门子做了很多年的传动系统齿轮箱,主要是西门子上海在采用,双馈的技术路线也是采用这样的技术路线。大家是朝一个方向去发展,尽可能的用全功率变流技术,第二个趋势尽可能省去和简化齿轮箱,这是从西门子、阿尔斯通欧洲和全球领先的风机厂家这么多演变过来的趋势。最后证明一个观点,直驱永磁代表代表了海上大功率发电机组的主要发展趋势,背后的原因是可靠性。由于它很简单的设计,导致了比较高的可靠性和简单的维护性。

在欧洲比较知名过去对传动做调研比较多的文章的结果,研究不同的电机、发动机、齿轮箱进行建模,得出故障率,如图,不同传动系统故障率,异步发电机传动系统是最低的,直驱是第二名,是1.404,1.404主要是因为由于全功率变流器(FRC)和发电机故障率两者的和,全功率变流器是双馈变流器的2.2倍,变流器的故障是0.183,发电机的故障是1.2157,整个工业发电机的平均故障率是0.035到0.707,发电机的故障率远远高于工业的平均水平,对样本和统计时间,可能在这段时间内某个产品或者某个批次的产品发生了设计普遍的故障导致故障率比较高,即使通过这样的故障率得到右下角的图,可利用用,直驱机组具有最高的可利用率,可以达到92.35%,这是欧洲上千台数据统计出来的结果。

齿轮箱是最核心的部件,齿轮箱故障引起的停机故障的时间也比较长,发电机的故障率相对比较低,引起的故障时间也比较短。全功率变流器前两年故障率双馈变流器的两到三倍,经过两到三年以后,全功率变流器的故障率和双馈部分功率变流器的故障率基本接近,也就是说,统计的时候全功率变流器技术相对并不是很成熟。

进一步分析,双馈发电机整个故障的比例,下面是高速永磁发电机,这里面如果是把直驱电机,通过高速的永磁电器来换算的话,直驱电机总轴承和机组总轴承并用,所以不再统计总流程,经过一些折算以后得到一个结论,直驱发电机是双馈发电机故障率的三分之一,大量把所有全球做过的调研都做了统计分析,相对来说统计分析非常有权威性,全功率变流器提高相应冗余和容错,是提高可利用率降低运维成本的关键。

故障率的统计,如图,变流是影响机组故障重要的原因,变流故障是影响影停机事件重要的原因,电子控制部件往往故障率比较高,一旦发生故障就要上机组进行维修,进行纠错性的维护,但是海上存在可达性比较差的客观条件,这种条件下怎么去做好机组呢?这是很重要的问题。

变流器可靠性是影响整机可靠性重要的指标,变流器的配比,额定功率6.0,采用四到变流器的容错设计是最合理的。

金风科技6.XMW平台上的创新,金风科技6.XMW电机是采用四套模组,中间只是磁的耦合,变流器都是四套完全独立运行,变流器的冷却、水泵、风机全部是并联冗余进行控制的,实现传动系统尤其是水冷系统和电子器件的高可靠性。四套独立的绕组,这种排列组合机组运行的稳定程度是怎样的,我们做了仿真和基于2.53兆瓦级别的测试。

我们建立了整个电机的电磁场,提取不同工况下机械结构上的考量,电机的控制是联合模拟仿真,第一个问题磁路的平衡被打破,电机是不是有环流的问题,第二个问题是受理问题,第三个问题如何建立发电机和变流器联合仿真,去推演这样持续运行的模式,最后基于成熟2.35做的现场测试。

各种各样排列组合,对电机不同的组合,对它的环流情况、振动噪音情况做了仿真,之后发现有问题,磁路打破以后电机会出现环流问题,这是因为电机内部并流关系导致的,绕组三组,我们空间谐波是抵消的,一旦对称关系被打破以后电机的噪音又出来了,不远的将来环保是风电很重要的问题。

通过大量的仿真实验,在同样的绕组的连接方式和电子拓扑是一样情况下电机做的测试,对这些进行测试,这里面没有原始的状态,如果还按照原来的控制方式,电机的噪音会非常大、振动也非常大,因为谐波导致持续电机振动的问题,我们提出通过反向的注入,对电机的空间谐波进行抵消,让电机用起来更加的平稳,谐波整个控制矢量发生了变化,通过注入谐波抑制电机的振动和噪音产生了非常好的效果,这是物理的结构上,软件上也有一系列的框架,包括鼓掌的实时监控、检测,发生故障顶层的控制和变流的控制如何协同,如何自己切除故障的模块,包括四分之三的模块可以正常运行。

可靠性的分析,采用这样的方式NPF可以提升到原来的2.1倍,也对发电量做了测算,证明通过四套设计可以降低发电量,现在开发的智能风电场,如果只有四分之一变流器发生故障,让其他的风机多承担2%到3%的发电量,我可以保证工程的发电量不会牺牲。

海上风电的恶劣性和交替运维的可达性,对设备提出更高的要求,全功率变流器和双馈变流器的2.2倍,通过变流系统整个电气传动系统荣誉设计可靠性提高2.1倍,可以大大降低风机的运维成本。