上海电气李华阳：乘风破浪、协同创新-优质高效能电气驱动链的设计与思考

2020年10月14日-16日，2020北京国际风能大会暨展览会（CWP 2020）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“引领绿色复苏，构筑更好未来”为主题，聚焦中国能源革命的未来。能见App全程直播本次大会。

在15日下午召开的关键部件技术创新分论坛上，上海电气风电集团股份有限公司技术部电驱动卓越能力中心发电机领域总工李华阳发表《乘风破浪、协同创新-优质高效能电气驱动链的设计与思考》主题演讲。

以下为发言实录：

李华阳：我今天分享的主题是优秀高效电器驱动高效设计与思考，平价时代拉开畜牧，机组容量大型化愈演愈烈的基础下，我们电气驱动链面积怎么样的设计挑战，电气驱动链，第一个维度首先低头看一下我们脚下在当前相对比较成熟的技术框架下，我们如何能够实现我们电气驱动链内部发电机和变流器两个部件更深层次协同优化。

第二个维度我们向前看，我们思考一下下一代，机组开发，海上机组开发的过程中我们如何能够大胆创新？采用一些更颠覆性的更具有竞争力的这么一个电气驱动链的性能提升。

首先作为一家整机厂商，我们上海电气一直是最根本的宗旨就是致力于为我们的客户提供优质的风电机组，然后尽可能高的实现能量转换，尽可能高的为我们的客户提供一个收益。为了达到这一目标，我们势必要全面的覆盖，我们整个能量传电链上所有传动节点，特别的关键节点实现深度的技术穿透和技术把控，作为机械能，转化为电能，电气驱动链由发电机和变流器两个大的部件组，针对发电机或者变流器里面有非常多的拓扑结构和设计理念，我们在一般机组开发过程中我们交给两个团队去单独的负责发电机和变流器的设计，通过简单的电器机械接口实现一个设计的协同，在当前这个成本压力日益突显的时代，我们越发的感觉到，这样的模式并不是最优的模式，这样的模式并不能把我们每个部件的潜能充分发挥到极致，所以我们上海电气做了一些尝试，我们把发电机和变流器两个团队进行融合，我们目的在整个机组开发的前端前期我们要实现这两个大部件的一个深度的融合，实现1+1大于2的目标。

这张图反映了我们整个机组容量的变化趋势，众所周知，全球国内市场整个机组容量的变化的飙升是非常迅猛也令人感到压力巨大的，截至到目前机组来到15兆瓦的级别，机组搭配的叶轮包括塔筒也已经超过了200米这个阶段我们要思考一下，在这个容量不断飙升的大背景下，我们电气驱动链究竟面临什么样的挑战，我们还能不能跟上机组容量变化趋势，发电机重量和体积，或者说成本，它是转距要求，更进一步的与我们几个参数有关，一个机组的功率，当然还有我们整个机组的分轮直径，驱动链的速比，叶尖速，我们势必搭配更大的叶轮，我们整个发电机的重量体积与我们整个机组的容量的二次幂成相关的关系。3兆瓦到7兆瓦的阶段算是我们发电机设计的起步阶段，随着我们对发电机认识的不断加深，我们是实现了一个技术的进步，这里我们可以以一个简单的指标单位功率的重量来衡量可以看到从3兆瓦到7兆瓦的级别，我们指标是在不断的优化提升的，但是从7兆瓦到10兆瓦这个级别，由于我们各家厂商，我们整个发电机各自的技术路线斗已经基本定形，我们整个的设计模式也基本比较成熟了，可以看到在从7兆瓦到10兆瓦的级别，我们整个的这个性能指标单位功率的重量，是出现了一个明显的上升，这也就是和我们之前分析的发电机的重量与我们机组整个的容量这个关系是一致的，所以我们不禁要思考一下，更大功率的15兆瓦的级别发电机的设计，如果我们还继续沿用当前比较成熟的技术框架，我们整个发电机不可避免要超过400吨，这会给我们整个部件的设计制造装配运输甚至吊装等等都带来非常难以克服的挑战，所以总结来说随着我们机组容量飙升速度的不断加速，其实我们大容量风电机组对我们高效能电气驱动链非常迫切的。

就是一个产出和产能的平衡，产出反映了我们电气驱动链全生命周期的发电量，既与我们驱动链效率和可靠性有关，产能是反映在我们一个初始成本的投资，也就是我们初始的成本也与我们的可靠性相关，运维成本，单位度电成本最优的理念是完全一致的，我们高效率电气驱动链可以用一个高产出和低投入概括，高产出指的高功率密度，高可靠性和高集成度适应性，低投入主要是低成本，当然也有低排放，大家都知道在近几年我们电动汽车行业是取得了一个非常长足的进步，那么我们来看一下电驱动系统，因为他们电驱动系统各个主流厂商所追求的共同的趋势，我们可以看到其实针对电动汽车里面的电驱动系统，每一代功率密度成本的提升都超过了40%，所以相比而言我们整个风电机组这一块做的是远远不够的，我们电气驱动链发电机仍需要大幅加强的。

接下来就我们上海电气平常产品开发过程中的一些设计实力和大家简单的进行一个分享。我们首先看到的这就是一个常规的我们发电机和变流器的一个设计，我们发电机众所周知我们发电机和变流器都是非常关键复杂的两个大的部件，针对每一个部件它里面都涉及到了多学科多领域的一个最合，那我们常常的话，我们这两个部件只是通过常规的接口，电气机械接口实现沟通协同，我们就在我们还有没有更深步的这样一种协同机制。我们想到的主要有两点，第一点是在我们的整个系统设计的最顶层我们提前布局提前构思一下这两个构建的配合，第二个怎么把发电机控制好在控制策略上再下一些文章，通过这两条路我们是期待能在成本可靠性以及发电量提升电气驱动链取得一个进步。

先看第一个实例，协同容错做的一些工作，大家都知道在现在机组容量不断提升的阶段，我们往往考虑到一些机组的可靠性，或者是我们一些硬件设备的限制，我们会设置多通道的这么一个电器回路，那么听起来多通道可靠性肯定是优势，单个通道发生故障，其他通道正常工作，深层次考虑这个问题，并不是多通道设计都能实现我们所希望的这样一个功能。这个其实是与我们整个发电机和变流器的配合是紧密相关的，我们拓扑配合的不好，我们每一个回路发生故障，我们其他的回路受到很大的影响。这一块比如说话我们左边的这张图，我们如果没有考虑容错设计，没有考虑容错拓扑配合，我们可以看到在某一套或者某几套故障以后，参与的正常工作的电气回路，电能是非常差的，三项电有非常大的偏差，势必给我们整个机组，包括效率，包括可靠性，然后甚至包括我们整个机组的振动安全性都带来非常大的挑战，如果我们考虑了容错设计我们可以看到在某几套，单独运行我们仍然能实现很高的很好的一个电能质量输出，有关这个如何实现这个高容错的拓扑配合我们做了非常大量的研究，我们总结出来这么一个规律，这个规律布局非常多的专利，高效协同容错设计可以保证我们大容量的机组在我们部分电气回路发生故障我们实现超过60%甚至70%完全没有功率损失的这样一个运行。

第二个实例我再给大家分享一下有关电气驱动链短路协同保护，发电其和变流器中间设置一个开关，一方面处于维护的需求，一方面保护我们电气回路的需求，针对这个开关，低速直驱电机频率很低，我们为了能够正常通断我们电流往往采用直流断路气，通断性能很好，成本非常昂贵，采用低成本的交流，甚至其他隔离开关加熔断器，这对我们现在是一个非常大的诱惑因为成本非常有优势，不禁要犹豫，通断不了，电气驱动链能不能扛得住，我们做了大量的联合仿真，理论分析工作，我们发现研究非常多种不同的故障运行条件下，我们电气驱动链的表现，我们发现三项短路这种情况下，包括整个短路后的稳态电流，三项短路发生的情况下，我们的机组的可靠性或者是安全性其实是可以得到一个保障，相比而言在其他的故障情况下，我们可能就会存在各种各样的问题，比如说有可能稳态后的转距波动非常大，产生斜振，对我们机组产生不可承受的这么一个安全性的隐患。所以我们就在想如果我们能通过一些控制策略，把我们所有的这个故障都能前位到，汇聚到我们希望故障模式下，我们就能实现低成本器件的选用，我们通过这样一些大量的仿真，如果我们能在变流器的控制策略里面，我们把这些功能加进去，我们其实就能很大程度的减少一下我们硬件上的一个成本。

然后第三块我们再来看一下我们下一代发电机的拓扑，刚才前面也提了，现在针对直驱特别海上这一块，我们发电机成本压力非常大的，到15兆瓦级别，我们整个电机的体积，包括重量等等可能都已经接近了一个瓶颈，我们就要思考我们如何能进行一个电机效能的提升，从前面这个公式我们也可以看到，首先有两个外部条件，一个是分轮直径，一个叶尖速，我们驱动链本身有几条路，一条是磁负荷，选择高性能磁钢，电负荷，采用高性能的冷却，包括混合冷却，包括直冷等等。还有一条路，我们能不能提供一个驱动链的速比，大家很轻易的想到，我们带机械齿轮，半直驱和直驱性能优劣是一个永恒的争论，没办法保证半直驱的可靠性，我们在电机直驱电机，能不能等效把驱动链的速比提升。

简单介绍一下我们刚才提到的三条路，除了我们常规说的这样一些提升，首先我们还非常依赖于我们整个基础产业特别是材料这么一个突破，包括比如提高磁负荷B，利用3D打印，磁性材料研制，包括超级铜线，铜和更高性能的碳纳米管进行一个融合，实现一个导线性能的提升，对我们机组性能提升是非常有帮助的。对我们整机厂家非常难以实施，涉及到整个基础研究包括我们整个供应链的这么一个联合协作，那么对于我们本身来说，我们可能最擅长的也是最能做的就是我们在发电机的拓扑上能不能有新的方法，新的革命。

前面提到我们能不能等效的去提升驱动链的速比，有非常好的思路，我们把机械的齿轮用我们某一种，某些形式的电火车雌性齿轮去代替，再与我们电机进行一个集成，右边就是我们上海电气做了非常大量的拓扑调研仿真验证工作，新型的拓扑非常有性能的优势，我们与传统电机相比，特别在低功率段，低电流密度段提升，对我们非常有诱惑力。

针对这个新型电机拓扑，整个电气驱动链怎么去考虑的，越是拓扑复杂的电气脱结构，对我们电气驱动链是越高的，性能很有优势，可能比一般的电机复杂很多，可能会存在两套，绕组，不一定是完全相同的功率分配，也可能是不同的电流极性，比我们电流器设计电气拓扑设计带来新的套占，新型电气拓扑采用相对比较复杂的结构，可能整个气息，整个材料都用的比较多，往往可能会给我们带来一个弊端，我们整个电机整个系统功率因素会比较低，这样对我们整个系统有更高的要求，有一个更大的容量要求，所以这两点汇聚起来，电驱开发一条主要的思路，就是我们要去平衡发电机和变流器，我们怎么样能把我们发电机的成本，转加到我们变流器上，我们核心的研究方向。

我们也相信下一代电气驱动链会给我们带来非常多的这样一些拓扑匹配的可能，当然也会给我们带来非常多的全新的设计挑战。

最后再来一个简单的总结和展望，我们展望一下未来电器驱动链的设计发展，首先还是针对发电机和变流器单个本身我们总结了一下可能有几个方面，首先是自我驱动，就是说我们要牢牢跟送大容量机组的趋势，要试第一，当前平价时代我们首要考虑的肯定是成本，我们如何降低成本顺应平价，更深层次的，一定要做到这浪者之间的高效协同设计，也有以下几点，就是首先是一个双赢思维，还有一个知彼解及，综合综效，电气驱动链设计人员从业人员都要对这两个部件都有非常深入的理解，不能各自为营，形成深度优化。不断突破，跳出当前的思维定势，成熟的可靠的经过验证的一些技术体系，我们往往难以达到我们平价时代新的要求，要求我们不断突破，我们要大胆前瞻技术布局，转换思维方式，在内部实现一个成本的合理分配，从而助力于我们整个机组去实现竞争力的提升，今天我的分享就到这里，谢谢。

（根据速记整理，未经本人审核）