如何打造可持续的海上风电机组开发之路?

文章发布日期:2023-08-29 09:46:57

           2023年5月,电气风电海上风电累计并网容量突破千万千瓦,连续8年中国海上新增装机量第1,实现中国海上风电里程碑突破。

      本期我们将从中国海上风电蹒跚学步到执牛耳说起,共探可持续的海上风电机组开发之路如何打造。

中国海上风电,从蹒跚学步到执牛耳

11年时间,走过欧美30余年的路
 

全球风能理事会(GWEC)发布的《2023全球海上风电报告》数据显示,中国在2022年实现了5.1GW的海上风电新增并网,连续第五年成为全球最大的海上风电市场。在前一年(2021年),中国累积海上装机容量就已经超过英国,位居世界第一,距离中国第一个海上风电场——东海大桥海上风电场建成(2010年)仅11年。

      中国海上风电起步比欧美国家晚了20多年,但从蹒跚学步到执牛耳,仅用了11年。
 

从中国速度到中国质量

要快步向前,更要稳扎稳打
 

中国海上风电不仅需要装机速度,更需要高质量发展。堪比摩天大楼的海上巨无霸、海上风电的严苛工况环境、风机逐步走向环境更为复杂多变的深远海,一旦发生批量化质量问题将带来高昂的海上风电运维成本,代价极其沉重。
 

中国海上风电发展一路狂飙的同时,更要牢记:“稳”字当头。

电气风电作为中国海上风电的引领者,在业内率先引入全球领先的海上风电发展经验和严苛标准、规范,积累了中国最大的海上风电样本库,在中国海上风电发展史上篆刻有多个重要印记。海上机组从自主研发的3.6MW开始稳步迭代,历经4MW、6MW、7MW直至16+MW。这一路,是快步向前,更是稳扎稳打。

海上风电场开发的不确定因素更多,随着平价时代的到来以及海上风电走向深远海,愈发地需要海上产品大型化来降低风电场的单位千瓦造价。
 

风机越造越大,核心部件越来越大

带来的新挑战,如何解决?
 

海上产品大型化后,如何应对叶片大型化和传动链大型化后所带来的挑战,电气风电更加深入地进行技术穿透,并保持技术发展的连续性,以保证在机组大型化后可以稳定、安全地运行。
 

01更长叶片的设计、选材及认证

风电叶片作为风力发电机的核心部件之一,也是影响风力发电技术前进步调的关键因素。为了满足海上复杂的工况环境以及更大兆瓦数的需求,叶片也面临着越来越多的挑战,如叶片颤振发散、整机频率耦合、叶片变形大等。

当前,电气风电123米海上叶片,在充分考虑气动外形、材料性能、叶片载荷、制造工艺等结构设计因素的情况下,同时又优化配置叶片选材,使得叶片安全可靠、轻质高效,为海上风电高质量发展保驾护航。

在设计方面,电气风电研发团队采用气动结构一体化设计,充分考虑叶片气弹稳定性,秉承高效、低载、高稳定的设计理念,保证了叶片更优的综合性能以及更低的LCOE。此外,结构设计上还会采用工程算法和有限元精细化校核技术,采用24个多方向载荷对叶片的静强度、疲劳、屈曲等反复进行了详细设计校核,以确保设计的安全可靠。
 

在选材方面,海上风电通过碳纤维拉挤板材的应用,充分利用碳纤维的高刚度改善叶片变形大的问题,同时有效减轻叶片质量。

在设计认证方面,每一款叶片都会通过严格的认证,电气风电123米叶片已经按照最新的国际标准IEC61400-5,获取国内外权威认证机构中国质量认证中心以及TUV NORD的设计认证,通过不同机构的交叉认证来双重保证设计的合理性。在保证仿真精确方面,通过按照IEC61400-23标准,进行叶片全尺寸测试,评估叶片各项理论数据与实测的吻合度。
 

02更长叶片的测试

为保证叶片产品的安全可靠,电气风电从整体到局部逐步拆分,从材料到碳板,从碳板到整体叶片,从样片静载、疲劳、疲劳后静载到样机,每一个环节都会进行充分的测试验证,保证环环安全可靠。
 

03更大传动链动力学仿真

作为风电机组的重要组成部分,传动链结构中存在大量的旋转运动,这也导致传动零部件受外界载荷或者本身零部件变形等因素影响极易出现剧烈的共振现象。

随着机组大型化,传动链各部件间的相互耦合作用将更加复杂,对传动链动力学仿真的动力学特性提出了更高的要求。电气风电为了更真实的模拟传动链的动态特性,将传动链动力学仿真模型逐步从多自由度全刚体模型到多自由度刚柔耦合模型转化。同时,对于不同机组按照实际工况搭建不同的传动链动力学模型,通过有限元分析方法创建柔性体模型用于传动链动力学分析。
 

在动力响应分析中,通过高保真模型模拟实际风轮带来的旋转力矩,施加于传动链的输入端,并且对于传动链的输出端进行实时的输出动平衡反馈。通过模态分析的方法则可以得到传动链模型的模态能量分布情况,自动输出动力学坎贝尔图,排查传动链的潜在共振点。在时域分析中,进行多控制因素耦合分析,如位移、速度、加速度以及齿轮啮合力等情况,通过对加速度的频谱分析传动链潜在的共振点,为机组的可靠性和稳定性提供保障。

中国海上风电的建设已经按下了加速键,对于项目建设周期提出了更高的要求,通过产品研发的可靠性保障后,如何保障整个风电场的可靠性,又是我们将面临的另一个难题,而电气风电的答案是:可持续的产品开发节奏+全面布局的测试能力+严格的测试要求,将机组的问题闭环在风电场建设前。
 

以中国最大的海上风电样本库为积淀

全生命周期覆盖的测试验证

全国4大测试基地布局

电气风电引领了中国海风发展。从2010年至今,电气风电在中国海上风电发展史上完成了一次又一次质的突破,基于积淀的中国最大的海上风电样本库,不断迭代开发。

在机组大型化到来之前,电气风电提前布局了“大”机组的系统测试验证能力,从原材料到部件测试,从部件到系统测试,从系统到样机测试,电气风电一步一个脚印完成了机组开发过程中各个重要环节的测试,碳纤维的材料性能测试、叶片极限与疲劳测试、轴系、齿轮箱、发电机的集成对拖测试、变流器、变桨系统、主控系统的电气系统测试、整机的旋转加载测试。

 

电气风电通过和业主及第三方机构的合作,在上海临港、江苏东台、福建莆田、广东汕头布局有4大测试验证基地。为了充分验证样机的性能和可靠性,电气风电还在汕头实验基地、临港实验基地布局了多个可供大型化海上样机试验的风场,将测试验证的理念和先进的测试验证技术融入风电全生命周期,在海上风机批量运行之前,通过样机的测试验证,闭环风机的所有设计,以此确保海上风电场风机运行的可靠性。
 

行于此,不止于此

道阻且长,我们行则将至

在电气风电的发展历程中,多次实现突破,在中国风电发展里程碑上书写一次次辉煌,是电气风电秉持行稳致远、质敬未来态度的必然反馈。

道阻且长,高质量发展之路上会面临很多困难,但坚持做难而正确的事,我们行则将至:坚持稳扎稳打、可持续的产品开发节奏,坚持技术领先下的解决方案领先,坚持核心技术穿透并保持技术发展的连续性,坚持全面布局的测试能力和严格的测试要求,保障机组的可靠性和稳定性,在曲折中探索,开拓中前进,为打造可持续的海上风电机组开发之路贡献电气风电智慧与力量。