联合动力李雪临：大兆瓦海上风力技术有利于智能化和友好性

2019年10月21-24日，2019北京国际风能大会暨展览会（CWP2019）在北京隆重召开，大会主题“风电助力‘十四五’能源高质量发展：绿色、低碳、可持续”。自2008年首次在北京举办以来，已连续举办11届，成为北京金秋十月国内外风电行业争相参与的年度盛会。

CWP2019进一步加强了大会的国际化特色，组织了20余场精彩论坛和各类活动。创新剧场-随"新"而动--风电新产品发布会于10月22日下午召开。联合动力海上平台系统设计总工程师李雪临博士出席论坛并作主旨发言。

李雪林：尊敬的各位专家各位来宾下午好，感谢大家抽出宝贵时间关注联合动力的大兆瓦海上风力技术。

我汇报的主要内容包括三个方面，第一是海上风电的现状与挑战，第二是关于联合动力的大兆瓦海上风电机组，主要包括我们的思路以及我们主要的关键技术的研究，最后一方面是对海上风电未来的一些展望。

海上风电现状部分我主要从以下几个方面作一个简述，首先是政策层面，最近十年中国的海上风电政策有效的推动了我们海上风电的产业发展，2018年我们引入了项目的竞价机制，以市场化的手段促进我们技术的创新和成本的下降，2019年明确了海上风电新核准项目的电价政策，我国的海上风电也从原来的标杆上网电价时代进入了竞价上网时代。在市场层面2018年全球海上风电市场发展稳健，新增的风机装机容量达到4.5GW，中国是占比40%位列全球第一，累计的装机容量达到了23GW，中国占比18%位列英国和德国之后，名列第三，中国海上风电在2018年发展迅猛，新增装机容量达到165万千瓦同比增长了42.7%，累计装机444万千瓦，从2010年到2018年年均的负荷增长率已经达到了45.7%。

在技术层面，海上风电大型化的趋势凸显，2018年在欧洲的新增海上风机装机容量平均已经达到6.8兆瓦，而在去年这一数值还是5.9兆瓦，据彭博社的预测在2025年左右欧洲将采用13兆瓦的机组投产，目前全球已经发布的最大的海上发电机组装机容量是12兆，叶片长度107米，目前国内现在5兆瓦大约有20万左右的装机容量，6兆瓦以上的机组大部分还是样机状态，目前我们2019年新增了7.25兆瓦、8兆瓦以及10兆瓦的大功率机组，现在目前的叶片长度已经是在90米的两级。

这张图我列出了国内外5兆瓦以上海上风电的代表机型，并它们按照高速传动、中速传动以及直驱的类型进行分类，从这张图里可以看基于可靠性和后期运维成本的考虑，目前全球6.5兆瓦以上的机组都是采取的半直驱和直驱的路线。

成本方面，随着大型化的海上风电技术的不断进步，以及安装方式物流策略的创新还有规范化运维目前全球海上LCOE呈逐渐下降的趋势，根据统计10年到18年全球海上风电新建项目平均20%，对于亚洲地区更是下降了40%目前达到的是每度电7毛6分钱，这其中中国发挥着巨大的推动作用。

但是在海上风电蓬勃发展的同时我们也要看到我们面临的挑战，一方面是我国特有的海上风电的开发条件给我们带来的开发的难度，比如我们的海上风资源分布的极度不均匀，我们海上风电南北海底的条件差异比较大，给我们施工带来比较大的难度，还有就是长江口以南台风的影响比较频繁，而在河北和辽宁地区北部海域还要考虑海冰的影响，这些对我们海上风电机组的可靠性还有我们的海上安装运输这些都提出了很多的挑战。

另一方面就是我们全产业链的配套能力与海上风电机组发展的不匹配带来的挑战，据统计2019年上半年已经确认的新增海上风电的订单已经达到26GW，但是由于受供应链产能以及海上风电安装能力的限制，据预计只有大约20%新核准的项目能在2021年底之前完成并网。另外我们的8兆瓦以上的大型的海上风电机组的叶片还有全功率地面测试平台仍需要加紧建设，海上风电的标准规范仍需要进一步的完善。

联合动力根据我们对市场，我国的风资源的深刻认识，我们是根据平台化、模块化的一个开发理念，针对不同风速的市场，提供定制化的解决方案，以高可靠性还有最优度电成本为目标，采用了多层级、一体化的设计方法，打造智能化，具备智能化还有友好性特点的高品质的大兆瓦海上风电技术平台。

下面我想和大家分享的是联合动力大兆瓦机组它的一些研发的思路，关键我们是在关键系统技术路线方面的一些思考。这里需要说明的就是以下这些关于技术路线的遴选结果是根据我们联合动力自身的应用场景以及技术积累来做出的一些判断，这个并不是一成不变的，就是说仅供参考。

首先在机组设计的时候，我们首先要确定的第一个问题就是我们要采用什么样的传动链的形式，目前现有的主要的三种传动链形式，高速传动、中速传动也就是半直驱还有直驱三种方式中，高速传动可靠性是最低的，中速传动与直驱技术相比，在理论上它的可靠性也是偏低，但是它在可维护性还有发电的制造难度以及未来在更大功率扩展方面具有一定优势，结合联合动力自身在研发方面的积累，我们目前是采用中速传动作为我们的传动链的技术路线。接踵而来下一个问题就是关于我们，因半直驱的传动链它有不同的形式，我们到底采取什么样的传动链布局形式呢？这里头我们对单轴承的一点式支撑布局和双轴承的两点式做了一个对比，从尺寸距离上看双轴承传动链长度大，但是直径比较小，而单轴承传动链虽然短但是直径大，相应的它的重量比双轴承的方案要高出大约30%左右，成本上也高出了将近三分之一，而且单都成的这种与基架一定的形式对于可维护性也有一定的影响，所以我们目前采用的是双轴承半直驱的布局方式。

对于变桨系统，这里主要对比液压变桨和电动变桨两种路线，液压变桨在承载力和功率方面有天然的优势，但是相对而言它的经济性偏低，因为我们估算它的成本比电动变桨系统大约要高出20%左右，这主要还有一个问题就是它在国内的供应链的成熟度比较低，设备大部分还需要国外进口，而且它在应用的成功案例相对比较少，在维护性上它的维护难度比较大，所以联合动力目前为止选择的变桨系统技术路线还是采用电动变桨。针对大兆瓦机组电动变桨还有一个问题就是我们采取单驱动的变桨还是双驱动变桨，单驱动变桨它的技术方案相对比较成熟一些，而且它现在应用的案例也比较多，但是它相对而言它的变桨强度要求比较高，而且它整体体积，这个系统的体积比较大，装订的难度相对比较高，双驱动变桨形式它具有比较好的性价比，而且它的可扩展性还是比较强，目前我们还是采用的是双驱动电动变桨的形式。

对于偏移航系统联合动力现在还是采用主动偏航的方式，这里主要对比的是滑动轴承加被动制动和滚动轴承加主动制动方式，滚动轴承加主动制动成本比较高，滑动轴承被动制动成本较低，所以目前我们采用的还滚动轴承加主动动这方面。

最后力电气系统，由于它对可靠性的要求以及对回流率的要求都比较高，现在采用双回路电气系统应该是业界共识，现在问题焦点在于我们是采用什么样的电压等级，我们这里比较1140V和中压3KV两种方案，中压3KV相对而言采用的电缆的数量比较少，但是成本上讲我们估算它的，因为它的变流器的尺寸和重量偏大，总成本比低压的1140V的方案可能要高出30%到40%左右，这里包括了我们发电机还有变速器还有电缆的总的成本，但是这里并不是说我们只是采用1140V或者是3kv里边只选其一，这个是两方案我们都做，根据我们联合动力平台化的产品，我们可以根据不同的电气方案，匹配不同的产品平台机型。

以上是对联合动力大兆瓦机组技术路线做的介绍，下面我想介绍一下我们在关键技术方面的一些研究，首先是设计方法上面，联合动力是采用部件层、子系统、整机层的多层级、多水平交互的综合设计平台，这里边在层级我们开发了叶片的机动，结构材料载荷的集成设计方法，在子系统我们采用了传动链稳健协同时间，在整机层我们采用了整机、部件一体化的设计。

在叶片的优化设计方面，因为现在我们采用了叶片长度不断增加，已经达到了百米级，百米级叶片的柔性还有不同侧风度之间的耦合非常强，而且现在我们的气动数已经达到千万级别，叶片的稳定性对机组安全运行的影响非常大，所以我们是基于了我们现在的智能算法还有我们的系统识别技术，开展了我们的叶片的高精度研究，在此基础上，我们开发了大型柔性叶片的气动结构材料载荷的集成优化设计平台，这个平台的特点是具有一个设计参数的精细化，还有设计过程的自动化，还有就是我们平台的整个面向工业应用的一个电信化。叶片设计另一方面就是我们采用防系统的设计，采用IEC一级防雷等级标准设计。

在传动链系统设计方面，针对大兆瓦海上风电机组在复杂的外部环境激烈作用下，它的特有的运行特性，我们开展了传动链系统的机-电耦合作用机理和机-电参数的双向影响规律研究，在此基础上构建了高功率密度齿轮箱和发电机稳健协同设计技术，这里我们有一个目标就是说在齿轮箱的扭矩力度上，在当前国内外齿轮箱扭矩力度的水平之上再进一步提升10%左右，达到国际的领先水平。此外我们还开展了大兆瓦海上风电技术DFMEA技术研究与应用验证，来保证我们的开发。

在整机层面，我们主要是为了克服现有的竖井式的这种独立设计的导致的一些比如说设计比较保守，设长等等这样的问题，采用了涵盖了我们整机、部件和基础的一体化的设计方案，构建了基于封建机组的度电成本模型以及整机系统模型的一个一体化设计平台，深入的分析了我们整机还有关键部件它的主要技术指标还有我们成本的影响，实现整机、构件、基础它的性能载荷与成本的优化。

下面我再简单介绍一下联合动力在智能控制技术方面做的一些研究，首先为了缓解大风速的扰动对于机组载荷以及机组并网安全性和稳定性的不利影响，我们开展了智能风速估计跟踪控制的研究，这个方法主要是基于深度的极限学习，得到我们风速预测值，然后将其作为我们控制系统的一个重要输入，设计出最优的控制器，目标是尽可能缩小发电机转速的实测值与额定值之间的差距。

针对电网掉电的故障，我们开发了柔性收桨的控制技术，这里主要是针对故障发生时我们采用的这个变速率的变桨控制，并且根据塔筒本身的振动来实时的改变每个变桨速率的持续时间，可以有效降低塔底步Mxy向极限载荷大约10%左右。

此外我们还开发了基于激光雷达的气象预警及超前控制技术，可以提前6秒预警极端风况并且实时的识别对风误差和风剪切实现超前控制，能够有效降低机组极限载荷10%以上并且提升机组发电量超过1%。

在环境适应性技术方面，我们针对高湿高盐雾的恶劣环境建立了机舱环境控制系统，可以实现我们机舱内部部件免于盐雾的侵蚀，并且能够有效的良好的调节机舱内的温湿度，提高机组的环境适应性。

最后是在并网友好型方面，我们对风电并网策略和性能优化技术方面进行研究。

最后是对海上风电未来的一些展望，首先是在市场和成本方面，未来的海上风电将继续保持快速的发展，成本持续下降，根据wood macknewie统计，在十三五末我国海上风电市场累计并网容量将达到9.9GW，超出十三五规划将近一倍，到2028年海上风电的度电成本也将有37%左右的降幅。

另外走向深远海也是海上风电未来发展的一个重要的方向趋势，漂浮式海上风电也成为我们许多整机商还有开发商群雄逐鹿的一个未来的行业新增长点，这里面就包括了我们现有的已经商业化的半潜式的，驳船式的等等，主要是这几种方式在我们未来的海上风电深远海的开发中发挥巨大的作用。

最后是智能化，智能化也是继续在我们的未来海上风电的创新发展中奏响我们的一个主旋律吧，未来的智能风机将具备的是以下几个能力，首先是具备智能感知，具备主动适应的智能并网，自主寻优的智能控制以及智能诊断等功能，能够实现我们风电机组安全可靠高效运行。

除了海上风电机组本身的可靠性的提升，成本的降低之外，对于海上风电厂的周边系统，也是我们技术创新的一个重要领域吧，现在海上风电周边系统大概占初期总投资的40%以上，这里面主要的创新集中在这几个方面，一个是新型的海上基础及施工技术，还有模块化的自动化的基础低成本制造技术，还有就是在我们66KV的集成电路海揽新技术等方面的创新，最后有效的驱动海上风电度电成本的降低。

以上是我汇报的全部内容，还有就是联合动力的展台是在E3B05，欢迎各位专家莅临指导，谢谢。