遠(yuǎn)景為什么

文 | 張博，夏云峰

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遠(yuǎn)景為什么

文 | 張博，夏云峰

從掌握風(fēng)電機(jī)組核心控制系統(tǒng)開始，這家公司一路向前，依次打開了變頻器、變槳、葉片、發(fā)電機(jī)和齒輪箱的黑匣子。而這，或?qū)⒁l(fā)連鎖反應(yīng)，加快中國風(fēng)電走向世界強(qiáng)國的步伐。

10年前，業(yè)內(nèi)把掌握風(fēng)電整機(jī)的核心控制比作打開制約中國風(fēng)電發(fā)展的黑匣子，那時遠(yuǎn)景已經(jīng)打開了這個黑匣子，但同時也意識到，打開變頻器等關(guān)鍵大部件的黑匣子并掌握其核心技術(shù)，才是持續(xù)推動中國風(fēng)電發(fā)展的根本所在。

到2017年9月，遠(yuǎn)景已經(jīng)打開了風(fēng)電整機(jī)所有關(guān)鍵大部件的黑匣子，且將最先進(jìn)的技術(shù)用于這些部件的設(shè)計和制造中——這無疑會為這家公司在風(fēng)電行業(yè)一路向前增加重量級砝碼，關(guān)鍵大部件技術(shù)在風(fēng)電領(lǐng)域的重要作用或?qū)⒁l(fā)連鎖反應(yīng)，加快中國風(fēng)電走向世界強(qiáng)國的步伐。

為什么要打開變頻器的黑匣子

遠(yuǎn)景早在2009年10月就開始自研風(fēng)電機(jī)組變頻器了，即便已經(jīng)量產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；瘧?yīng)用，也還是刻意在低調(diào)行事。事實(shí)上，這家公司研發(fā)和擴(kuò)產(chǎn)變頻器的腳步從未停歇。

遠(yuǎn)景能源副總經(jīng)理王曉宇博士回憶說，2010年，中國市場上的風(fēng)電機(jī)組采用的變頻器大多來自外資品牌，它們掌握了中國風(fēng)電變頻器市場的話語權(quán)，而中國整機(jī)廠商也為此付出了較高的成本。但即便如此，變頻器故障率仍是整機(jī)廠商揮之不去的痛點(diǎn)。

遠(yuǎn)景自研變頻器項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在對國內(nèi)市場變頻器故障率及故障類型進(jìn)行深度研究后，得出一個重要結(jié)論：變頻器與機(jī)組控制系統(tǒng)的協(xié)同不暢，不僅會誘發(fā)變頻器故障，還會影響機(jī)組的發(fā)電量。正是受此啟發(fā)，站在系統(tǒng)優(yōu)化的層面上，遠(yuǎn)景不僅僅將變頻器定位成一個實(shí)現(xiàn)電能變換的獨(dú)立子部件，而是更多地考慮如何使其幫助提高系統(tǒng)性能和壽命。

2011年3月，遠(yuǎn)景自研的首臺1.5MW標(biāo)準(zhǔn)變頻器樣品在啟東風(fēng)電場成功并網(wǎng)，后經(jīng)安徽魯山等風(fēng)電場的批量化運(yùn)行業(yè)績驗(yàn)證，遠(yuǎn)景自研變頻器正式步入產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

來自遠(yuǎn)景產(chǎn)品質(zhì)量部門的數(shù)據(jù)顯示，2014年，遠(yuǎn)景自研變頻器導(dǎo)致的停機(jī)平均1年2次，到了2017年，自研變頻器導(dǎo)致的停機(jī)平均3年才有1次。遠(yuǎn)景智慧電氣卓越中心負(fù)責(zé)人李磊博士解釋：“對自己的產(chǎn)品做改進(jìn)能快速閉環(huán)，因?yàn)樯钊肜斫怙L(fēng)機(jī)和變頻器產(chǎn)品的機(jī)理，對系統(tǒng)的精準(zhǔn)改善可以實(shí)現(xiàn)事半功倍?！?/p>

正是得益于從風(fēng)機(jī)整機(jī)系統(tǒng)層面對變頻功能組件的深刻理解，遠(yuǎn)景的變頻器還擁有自行開發(fā)的壽命模型，可以對一系列關(guān)鍵子部件的壽命做出預(yù)測和實(shí)時狀態(tài)監(jiān)測，這些模型輸出的動態(tài)邊界能力不僅能夠最大程度地幫助風(fēng)機(jī)在過速過載等危險工況下安全運(yùn)行和停機(jī)，更在機(jī)型設(shè)計之初即成為整機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計不可分割的一部分。

“遠(yuǎn)景在設(shè)計變頻器的同時，也自主開發(fā)了自動化仿真控制軟件平臺，其全息模型可以定義現(xiàn)場所有可能出現(xiàn)的電壓、電流、功率、頻率以及工況場景，仿真精度和現(xiàn)場運(yùn)行實(shí)況完全吻合。先進(jìn)的高精度全息仿真模型，為自研變頻器配置先進(jìn)的控制算法提供了技術(shù)支持。”從仿真模型的角度出發(fā)，遠(yuǎn)景自研變頻器項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)王曉鈺博士解釋了自研變頻器高性能背后的技術(shù)邏輯。

實(shí)際上，遠(yuǎn)景的高精度全息仿真系統(tǒng)為變頻器設(shè)計注入了優(yōu)質(zhì)基因，這就不難理解為什么自研變頻器具有協(xié)同機(jī)組優(yōu)化控制系統(tǒng)的能力——變頻器是距離發(fā)電機(jī)最近的智能單元，作為機(jī)組最底層的控制單元，其性能好壞和智能程度直接決定了機(jī)組能在何種場景及尺度下進(jìn)行整機(jī)運(yùn)行控制。

從設(shè)計層面看，作為控制單元，變頻器在執(zhí)行機(jī)組指令時的協(xié)同配合，不僅能實(shí)現(xiàn)電氣傳動鏈的效率優(yōu)化，也可從整體上保證遠(yuǎn)景智能風(fēng)機(jī)控制策略的執(zhí)行。王曉鈺博士強(qiáng)調(diào)，“自研變頻器與風(fēng)機(jī)的集成設(shè)計，提高了風(fēng)機(jī)的并網(wǎng)友好性，減少了因涉網(wǎng)特性差導(dǎo)致的風(fēng)電場棄風(fēng)損失?！?/p>

不止如此，遠(yuǎn)景自研變頻器中的機(jī)組傳動鏈振蕩抑制算法，還可以更有效地抑制機(jī)組傳動鏈在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的低頻振蕩，防止傳動鏈部件疲勞，從而保證傳動鏈部件的使用壽命。在李磊博士看來，通過變頻器的控制算法保護(hù)傳動鏈部件全生命周期的安全，也是自研變頻器的價值所在。但他也強(qiáng)調(diào)，客戶對服務(wù)響應(yīng)更為敏感，由于自研變頻器不存在技術(shù)壁壘，研發(fā)人員可直接面對現(xiàn)場，并在3小時內(nèi)給出解決方案、24小時內(nèi)給出根因分析，不但能快速閉環(huán)，還可將一些現(xiàn)場問題輸入產(chǎn)品設(shè)計中，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能的優(yōu)化。

須提及的是，由于遠(yuǎn)景自研變頻器與整機(jī)系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化，在遠(yuǎn)景機(jī)組內(nèi)，傳統(tǒng)分立的主控柜和變頻柜已合并成一個柜體，但更為重要的在于，從系統(tǒng)設(shè)計層面，傳統(tǒng)的主控柜和變頻器的邊界已經(jīng)模糊了，在軟件系統(tǒng)設(shè)計上，也已經(jīng)成為不可分割的整體。

那么，遠(yuǎn)景自研變頻器的直接結(jié)果是什么呢？

據(jù)遠(yuǎn)景電氣系統(tǒng)采購負(fù)責(zé)人許智強(qiáng)透露，2015年以后，遠(yuǎn)景陸上全系列機(jī)組已經(jīng)全部配備為遠(yuǎn)景自主知識產(chǎn)權(quán)的變頻器。2018年以后，遠(yuǎn)景海上全系列機(jī)組也將全部配備遠(yuǎn)景變頻器。許智強(qiáng)進(jìn)一步說，“遠(yuǎn)景通過掌握變頻器產(chǎn)品的全部知識產(chǎn)權(quán)，包括所有的軟硬件設(shè)計，然后通過發(fā)包給類似富士康這樣的代工企業(yè)生產(chǎn)，使得變頻器的采購成本得到了大幅的降低?！?/p>

更重要的在于，自研變頻器對整機(jī)的開發(fā)和演進(jìn)產(chǎn)生更多可能的自由度。正是由于對變頻器技術(shù)完全的自主知識產(chǎn)權(quán)，遠(yuǎn)景的機(jī)組整機(jī)開發(fā)團(tuán)隊(duì)才可以根據(jù)新的機(jī)組特性，在程序設(shè)計、參數(shù)設(shè)計等算法開發(fā)的核心環(huán)節(jié)進(jìn)行系統(tǒng)整合，更好更快地推出引領(lǐng)市場的創(chuàng)新機(jī)型。

遠(yuǎn)景智能雙模機(jī)組和中壓機(jī)組都是基于其變頻器技術(shù)的創(chuàng)新。遠(yuǎn)景2012年7月推出的雙模機(jī)組不但兼具直驅(qū)全功率和雙饋機(jī)組的優(yōu)勢，還有最好的風(fēng)能捕獲優(yōu)勢，在高風(fēng)速工況和低風(fēng)速工況下均有較高的發(fā)電效率。它是一款機(jī)型，也是一項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)，已在多個風(fēng)電場批量應(yīng)用。從運(yùn)行數(shù)據(jù)來看，經(jīng)雙模技術(shù)改造后，機(jī)組的年發(fā)電量比未改造的雙饋機(jī)組最高可提升近2%。

為什么要突破葉片技術(shù)理論

要知道，遠(yuǎn)景設(shè)立在美國科羅拉多的全球葉片創(chuàng)新中心匯聚了全球葉片領(lǐng)域的頂尖人才，當(dāng)空氣動力學(xué)的資深科學(xué)家遇上復(fù)合材料結(jié)構(gòu)學(xué)的頂尖工程師，下一代更輕更具捕風(fēng)效率的葉片就出現(xiàn)在人們的眼前——射陽風(fēng)電場就運(yùn)行了這樣的葉片。

“這款葉片采用了全三維葉片設(shè)計技術(shù)，”遠(yuǎn)景美國科羅拉多全球葉片創(chuàng)新中心葉片氣動專家、前波音飛機(jī)高級氣動工程師孫毓平博士說，“從借鑒V22魚鷹機(jī)翼設(shè)計理論到下一代風(fēng)機(jī)葉片技術(shù)突破，遠(yuǎn)景付出了3年的艱苦努力?！?/p>

在遠(yuǎn)景，葉片領(lǐng)域的全球頂尖專家可不只是孫毓平博士，中國葉片工程集成中心研發(fā)總監(jiān)、前LM研發(fā)總監(jiān)Peter Grabau先生曾經(jīng)主導(dǎo)開發(fā)了LM近 1/3的專利，美國全球葉片創(chuàng)新中心負(fù)責(zé)人、前西門子葉片研發(fā)中心首席工程師Kevin Standish先生在葉片設(shè)計上的獨(dú)特建樹也為遠(yuǎn)景最新的葉片技術(shù)注入了全球最新的研發(fā)思想。一份內(nèi)部文件顯示，遠(yuǎn)景自研葉片團(tuán)隊(duì)的全球頂級專家已達(dá)55人，涉及葉片氣動、結(jié)構(gòu)設(shè)計及載荷、材料及工藝、測試與驗(yàn)證等多個領(lǐng)域。

這是一個關(guān)乎風(fēng)電整機(jī)開發(fā)的本質(zhì)問題。

風(fēng)電整機(jī)設(shè)計開發(fā)，本質(zhì)上是一個基于葉片空氣動力學(xué)應(yīng)用的流體和結(jié)構(gòu)反復(fù)迭代尋優(yōu)的過程，其中機(jī)組結(jié)構(gòu)載荷、葉片氣動性能和核心控制手段是風(fēng)機(jī)設(shè)計尋優(yōu)的三大變量，也就是設(shè)計工程師所說的LAC風(fēng)機(jī)設(shè)計尋優(yōu)。

關(guān)鍵在于，風(fēng)機(jī)設(shè)計工程師要真正掌控這些變量，而不是面對僅能輸出或輸入設(shè)計參數(shù)的黑匣子。也正因此，遠(yuǎn)景執(zhí)意要打開葉片設(shè)計的黑匣子，讓葉片氣動成為一個可尋優(yōu)的變量。葉片是把風(fēng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的核心部件，成本約占風(fēng)機(jī)成本的30%，其氣動載荷主導(dǎo)了風(fēng)機(jī)另外70%的主要成本。這意味著，如果葉片通過自身的氣動外形卸掉某些風(fēng)況帶來的有害載荷，就會相應(yīng)降低傳動鏈上其他部件的載荷，那么降低整機(jī)用材成本也就水到渠成。

但這取決于遠(yuǎn)景葉片研發(fā)團(tuán)隊(duì)對葉片空氣動力學(xué)未知的認(rèn)知程度。在遠(yuǎn)景全球葉片創(chuàng)新中心負(fù)責(zé)人Kevin先生看來，“這幾乎就是向葉片的基礎(chǔ)理論發(fā)起挑戰(zhàn)！”

專業(yè)人士知道，直到目前，對葉片的氣動性能分析還是基于格朗特在1935年提出的葉素動量理論（BEM），可很多科技文獻(xiàn)和驗(yàn)證結(jié)果已表明，在模擬葉尖速比較低的短葉片時，格朗特理論模型尚能近似符合風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而當(dāng)葉片越來越長時卻不能真實(shí)地體現(xiàn)風(fēng)輪在流場中的氣流形態(tài)。實(shí)際上，BEM理論基本方法和模型已經(jīng)表明，在較高葉尖速比條件下，由于風(fēng)輪尾渦螺距變小，葉片的誘導(dǎo)速度分布十分復(fù)雜，而BEM理論基于獨(dú)立平衡流管假設(shè)的計算準(zhǔn)確性，會隨著葉尖速比升高而下降，直到不適用。

遠(yuǎn)景注意到的一個變化是，隨著低風(fēng)速風(fēng)電場的開發(fā)，風(fēng)輪直徑不斷加大，最優(yōu)葉尖速比已高達(dá)10甚至12。這表明，建立在較低葉尖速比假設(shè)基礎(chǔ)上的傳統(tǒng)BEM理論已不能準(zhǔn)確模擬大葉片的實(shí)際氣動載荷，也不再適用對較高葉尖速比的大葉片進(jìn)行氣動效率分析。

這樣的發(fā)現(xiàn)令遠(yuǎn)景全球葉片研發(fā)團(tuán)隊(duì)既興奮又焦慮：如果不能還原風(fēng)能在流場中的氣流形態(tài)，葉片未被認(rèn)知的氣動效率豈不是永遠(yuǎn)無法被喚醒？更現(xiàn)實(shí)的問題是，由格朗特修正經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)而來的葉片氣動效率Cp值的利用上限很可能被低估了。那么，葉片實(shí)際可利用效率的極限究竟在哪里？

如此本質(zhì)的問題可從航空航天業(yè)得到深刻的啟迪。

美國V22魚鷹的旋翼采用全三維旋翼氣動外形設(shè)計技術(shù)，這其中就包括了基于自由渦運(yùn)動理論的非定常氣動載荷求解技術(shù)。與固定翼飛機(jī)不同，直升機(jī)旋翼的流場與風(fēng)機(jī)葉輪的流場更接近。與BEM理論相比，自由渦尾跡方法更接近物理實(shí)際，實(shí)際求解了尾渦的空間位置分布和強(qiáng)度分布，建立了葉片誘導(dǎo)速度徑向分布和尾渦分布的數(shù)學(xué)關(guān)系，具有更高的計算準(zhǔn)確性，尤其是可以通過模擬葉片的渦流運(yùn)動細(xì)節(jié)得到葉片非定常氣動載荷。遠(yuǎn)景全球葉片團(tuán)隊(duì)的研究顯示，在葉片處于最優(yōu)葉尖速比時，自由渦方法可以避免傳統(tǒng)的BEM理論預(yù)測失效問題，獲得更準(zhǔn)確的最優(yōu)功率系數(shù)和最優(yōu)葉尖速比。

“遠(yuǎn)景全球葉片團(tuán)隊(duì)將直升機(jī)旋翼設(shè)計中使用的自由渦尾跡方法應(yīng)用到遠(yuǎn)景自研葉片的設(shè)計中，當(dāng)然也包括計算流體力學(xué)CFD技術(shù)和全三維葉片氣動、結(jié)構(gòu)耦合優(yōu)化等技術(shù)?！边h(yuǎn)景美國全球葉片創(chuàng)新中心葉片設(shè)計專家、前GE葉片高級工程師Mohamad Sultan先生表示，有兩個維度的數(shù)據(jù)可以說明遠(yuǎn)景葉片效率的突破：一個維度的數(shù)據(jù)是，葉片最佳捕獲段的氣動效率提升5%以上；另一個維度的數(shù)據(jù)是，遠(yuǎn)景葉片改變了傳統(tǒng)葉片設(shè)計中對剛度制約的上限，測試結(jié)果表明葉片整體剛度提升了10%。

出于商業(yè)上的考慮，Mohamad Sultan不愿意過多透露遠(yuǎn)景葉片技術(shù)的設(shè)計細(xì)節(jié)，但是實(shí)際葉片在中國風(fēng)電場的運(yùn)行還是引起國內(nèi)葉片制造廠商對遠(yuǎn)景葉片技術(shù)的探究。

在射陽風(fēng)電場，一位精于葉片制造的專業(yè)人士看出了遠(yuǎn)景121葉片氣動外形的不同?！袄米蚤_發(fā)的先進(jìn)數(shù)字仿真平臺，實(shí)現(xiàn)了這款葉片的二維及三維氣動設(shè)計，再通過多目標(biāo)尋優(yōu)實(shí)現(xiàn)了性能、載荷、重量以及噪音的最優(yōu)設(shè)計?！边h(yuǎn)景葉片測試與驗(yàn)證專家、前美國新能源實(shí)驗(yàn)室高級工程師Michael Desmond先生在向這位專業(yè)人士提及這款葉片的設(shè)計時說，“全球葉片風(fēng)洞測試資源的整合利用，為這款葉片高效率翼型開發(fā)提供了數(shù)據(jù)支持?！?/p>

值得一提的是，遠(yuǎn)景葉片翼型是針對中國風(fēng)電場特點(diǎn)的定制化設(shè)計，其抗污染、低噪音以及更優(yōu)的氣動性能得益于和整機(jī)系統(tǒng)的協(xié)同開發(fā)、無縫對接，不僅實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)的最優(yōu)發(fā)電性能，整機(jī)成本也下降了10%。

為什么用軟件定義自研發(fā)電機(jī)

發(fā)電機(jī)已是風(fēng)電大部件領(lǐng)域普通且成熟的產(chǎn)品，可遠(yuǎn)景仍未停歇對它的不斷探索?；趯Πl(fā)電機(jī)的使用以及對失效模式的認(rèn)知和理解，遠(yuǎn)景匯聚了超過20位全球發(fā)電機(jī)領(lǐng)域的高端人才，涉及電磁計算及仿真開發(fā)、機(jī)械有限元分析和驗(yàn)證、CFD流體仿真等多個領(lǐng)域。在這個全球化的自研發(fā)電機(jī)團(tuán)隊(duì)中，Kurt Andersen先生曾任Vattenfall CTO和Siemens風(fēng)電首席產(chǎn)品架構(gòu)師，他對發(fā)電機(jī)的研發(fā)有獨(dú)到見解。Jarkko Saramo先生曾任ABB芬蘭研發(fā)中心全球技術(shù)總監(jiān)，主導(dǎo)了ABB雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在行業(yè)的領(lǐng)先地位。Deng Heng博士在維斯塔斯、西門子丹麥研發(fā)中心工作超過10年，作為西門子丹麥研發(fā)中心研發(fā)經(jīng)理以及電力電子與控制專家，他主導(dǎo)了西門子直驅(qū)發(fā)電機(jī)控制算法、風(fēng)機(jī)數(shù)字化仿真平臺、噪聲與振動控制算法以及變頻器與發(fā)電機(jī)調(diào)優(yōu)算法，是構(gòu)建西門子直驅(qū)核心技術(shù)的關(guān)鍵貢獻(xiàn)者。

事實(shí)上，2016年年底，遠(yuǎn)景2.X MW發(fā)電機(jī)就已在多個風(fēng)電場運(yùn)行了。而且，其更高性能的發(fā)電機(jī)也正在測試中，有望于2018年上半年在風(fēng)電場小批量投入運(yùn)行。

回到已在風(fēng)電場運(yùn)行的遠(yuǎn)景2.X MW發(fā)電機(jī)上，專業(yè)人士可從它現(xiàn)有的技術(shù)亮點(diǎn)上感知到它的客戶價值?！斑@款發(fā)電機(jī)適用于2.1MW至2.5MW的風(fēng)電機(jī)組，設(shè)計理論壽命超出22年，絕緣設(shè)計理論工作壽命遠(yuǎn)超30年，短時過載能力1.1倍，極限工況下超發(fā)能力大于國內(nèi)主流電機(jī)產(chǎn)品，且能滿足電網(wǎng)正負(fù)10%及無功工作需求?！?Kurt Andersen先生透露，發(fā)電機(jī)總體損耗比常規(guī)發(fā)電機(jī)損耗減少約20%，整機(jī)年發(fā)電量預(yù)計可提高1%。在性能對比上，遠(yuǎn)景發(fā)電機(jī)有5項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)優(yōu)于全球知名品牌的同功率發(fā)電機(jī)。

從風(fēng)電整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化的角度看，發(fā)電機(jī)應(yīng)當(dāng)是一個能與系統(tǒng)互動的大部件，而不是整機(jī)組裝中的一塊積木，“無論是機(jī)械傳動鏈的輕量化，還是電氣傳動鏈的效率提升，發(fā)電機(jī)都可以扮演關(guān)鍵角色?！痹?Kurt Andersen先生看來，“遠(yuǎn)景認(rèn)知發(fā)電機(jī)的最大價值在于，將發(fā)電機(jī)置于風(fēng)電場的風(fēng)頻分布場景，通過整機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)化挖掘發(fā)電機(jī)的潛力?！?/p>

也就是說，遠(yuǎn)景發(fā)電機(jī)是風(fēng)電整機(jī)平臺上一個不斷被優(yōu)化的變量，發(fā)電機(jī)的認(rèn)知與研發(fā)始終處于“平臺變量”這一縱向的維度中。比如，充分利用齒輪箱的變速比來抬高系統(tǒng)轉(zhuǎn)速，以降低發(fā)電機(jī)的變頻器側(cè)電流，按照這樣的方法，即使在增加發(fā)電機(jī)功率的情況下，也能保證變頻器容量不需要發(fā)生變化，并可以在電網(wǎng)惡劣的工況下將發(fā)電機(jī)電流控制在足夠的水平?！皩?shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，只需要用較少的成本改變發(fā)電機(jī)的短板部件即可，其更大價值在于，將齒輪箱和發(fā)電機(jī)做到最優(yōu)的選型和設(shè)計，就可以抬高整機(jī)的輸出功率，并能在大功率下使用低一個等級的變頻器機(jī)側(cè)單元，從而降低整個傳動鏈的成本或提高系統(tǒng)的整體發(fā)電輸出?！边h(yuǎn)景自研發(fā)電機(jī)項(xiàng)目主任設(shè)計工程師、前ABB發(fā)電機(jī)設(shè)計高級工程師、前Siemens風(fēng)電電機(jī)亞太區(qū)負(fù)責(zé)人Yang Jian這樣說道。

發(fā)電機(jī)是把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的大部件，發(fā)電量和成本的平衡是發(fā)電機(jī)設(shè)計優(yōu)化中最重要的考量因素，這在電磁設(shè)計環(huán)節(jié)尤為明顯。在這方面，遠(yuǎn)景不但有全球頂尖的電磁設(shè)計團(tuán)隊(duì)，還有自行開發(fā)的基于風(fēng)電場數(shù)據(jù)的發(fā)電機(jī)設(shè)計仿真工具，它可以產(chǎn)生多個電磁設(shè)計方案，“實(shí)際上，我們是在幾百個電磁設(shè)計方案中選擇一個最優(yōu)的方案，這就是軟件仿真的力量。”Deng Heng博士強(qiáng)調(diào)了軟件對發(fā)電機(jī)設(shè)計的價值。

實(shí)際上，用軟件來定義自研發(fā)電機(jī)貫穿了發(fā)電機(jī)的全壽命周期，除了基于功能的設(shè)計思路，更重要的是在推動設(shè)計朝著更大范圍滿足客戶風(fēng)電場風(fēng)況及特殊環(huán)境要求的方向演進(jìn)，不但整機(jī)的核心控制系統(tǒng)要掌控發(fā)電機(jī)的運(yùn)行行為，發(fā)電機(jī)也要知曉自身的邊界效率。遠(yuǎn)景自研發(fā)電機(jī)項(xiàng)目模塊管理負(fù)責(zé)人Ballack Liu舉例說，“在開發(fā)這款發(fā)電機(jī)的過程中，自研團(tuán)隊(duì)將動力電纜的損耗、變壓器的損耗模型以及變頻器的協(xié)同模型和低風(fēng)速風(fēng)電場的風(fēng)頻模型等，全都放到了整機(jī)系統(tǒng)軟件平臺上一同來進(jìn)行發(fā)電機(jī)的設(shè)計優(yōu)化，也就是說，從發(fā)電機(jī)的角度選擇一個最優(yōu)的發(fā)電機(jī)設(shè)計方案?！?/p>

很微妙，發(fā)電機(jī)的設(shè)計是通過傳動鏈上的不同部件、不同模型來實(shí)現(xiàn)最優(yōu)發(fā)電量功能的，它不再是塊冷冰冰的積木，而是變得更有靈性。比如，遠(yuǎn)景發(fā)電機(jī)可以根據(jù)自己對溫度的掌控情況，在某個風(fēng)速時段決定自己的超發(fā)時間，而又不影響自己的壽命，還可以根據(jù)絕緣性能算法來預(yù)測自己的絕緣壽命。

顯然，這是整機(jī)系統(tǒng)下軟件定義發(fā)電機(jī)設(shè)計的結(jié)果，這也反映在可靠性設(shè)計和壽命測試驗(yàn)證環(huán)節(jié)中。在這款發(fā)電機(jī)可靠性設(shè)計上，自研團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了超過45項(xiàng)設(shè)計及工藝優(yōu)化，將各個子系統(tǒng)上的精細(xì)化做到了極致?！斑@款發(fā)電機(jī)經(jīng)歷了地面型式測試、加速老化測試和風(fēng)電場運(yùn)行磨損驗(yàn)證，完全印證了它的可靠性，我們堅(jiān)信它的壽命會超過20年！”提及發(fā)電機(jī)壽命測試，Yang Jian列舉了一組數(shù)據(jù)：地面型式測試項(xiàng)目超過100項(xiàng)，加速老化測試時間超過20000小時，樣機(jī)在風(fēng)電場運(yùn)行3個月無一例故障。

稍微展開點(diǎn)說，通過對發(fā)電機(jī)、減震器和安裝支架系統(tǒng)層面進(jìn)行的固有頻率多階仿真，以確保這款發(fā)電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速頻內(nèi)沒有共振點(diǎn)，模態(tài)測試和整機(jī)的振動測試結(jié)果也表明了該發(fā)電機(jī)工作轉(zhuǎn)速下的極低振動幅值，這使得發(fā)電機(jī)具備更高的超速能力和更長的軸承壽命。

更需要補(bǔ)充的一點(diǎn)是，遠(yuǎn)景自研發(fā)電機(jī)團(tuán)隊(duì)通過3種測試方式分別對3臺發(fā)電機(jī)的剩余壽命進(jìn)行了測試驗(yàn)證，三組數(shù)據(jù)的比對情況足以成為這款發(fā)電機(jī)20年使用壽命的例證。

為什么要登上齒輪箱設(shè)計的制高點(diǎn)

遠(yuǎn)景要登上齒輪箱設(shè)計制高點(diǎn)的邏輯在于這家公司的人才優(yōu)勢。

遠(yuǎn)景內(nèi)部文件顯示，全球齒輪箱領(lǐng)域里的15位頂尖開發(fā)設(shè)計專家和30位工藝質(zhì)量控制專家匯聚遠(yuǎn)景，就是“為了開發(fā)制造行業(yè)領(lǐng)先的齒輪箱產(chǎn)品” 。

遠(yuǎn)景自研齒輪箱項(xiàng)目經(jīng)理付強(qiáng)表示，“正是全球化齒輪箱團(tuán)隊(duì)的存在，遠(yuǎn)景才在這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)上信心十足?！眻F(tuán)隊(duì)中可以透露的成員是Claus Kurt和Jorget Nielsen，他們都有超過30年的風(fēng)電行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，都是風(fēng)電齒輪箱和軸承專家，又都在全球知名公司擔(dān)任過傳動系統(tǒng)和齒輪箱技術(shù)負(fù)責(zé)人，取得過非凡的業(yè)績。比如Claus Kurt，2010至2013年間，他在英 國LORC-Landoe Offshore Renewables Center主持設(shè)計了當(dāng)時最大的海上10MW風(fēng)電機(jī)組測試中心，引起全球關(guān)注。

付強(qiáng)曾任GE風(fēng)電工程部齒輪箱團(tuán)隊(duì)主任工程師，作為遠(yuǎn)景自研齒輪箱項(xiàng)目開發(fā)設(shè)計團(tuán)隊(duì)和工藝質(zhì)量控制團(tuán)隊(duì)的“銜接者”，一直到2017年8月中旬遠(yuǎn)景2.X MW齒輪箱小批量交付運(yùn)行以后，他才感到自研這事兒走到了一個比較明亮的時間節(jié)點(diǎn)。

值得關(guān)注的是，這款齒輪箱的兩個性能指標(biāo)，一個是高出行業(yè)產(chǎn)品20%的變速比，這不但為結(jié)構(gòu)件、葉片和發(fā)電機(jī)降本提供了可能性，更重要的是擴(kuò)大了機(jī)組發(fā)電風(fēng)速的區(qū)間，尤其對低風(fēng)速風(fēng)電場電量提升更顯著；另一個是高出行業(yè)產(chǎn)品10%至15%的功率密度，這意味著齒輪箱輕量化上的技術(shù)進(jìn)步。

事實(shí)上，遠(yuǎn)景自研齒輪箱是基于風(fēng)電發(fā)展趨勢的考慮。

齒輪箱是風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵部件，隨著單機(jī)容量的逐漸增大，它不但可能會成為傳動鏈中可靠性相對薄弱的一個環(huán)節(jié)，而且齒輪箱的可靠性與輕量化之間的矛盾也日漸突出，需要更先進(jìn)的設(shè)計理念和技術(shù)來解決當(dāng)下的矛盾，真正設(shè)計出又可靠又輕量的齒輪箱。作為低風(fēng)速風(fēng)電的開拓者和領(lǐng)導(dǎo)者，遠(yuǎn)景通過大量低風(fēng)速風(fēng)電場案例數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，齒輪箱在低風(fēng)速風(fēng)機(jī)傳動鏈上的效率仍有潛力可挖，尤其在與高塔筒、大風(fēng)輪智能風(fēng)機(jī)系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化上也有較大空間，而現(xiàn)有齒輪箱在性能上有所不及，開發(fā)更高效率的齒輪箱是風(fēng)電趨勢所需。

一直以來，在齒輪箱的選擇上，遠(yuǎn)景堅(jiān)持使用全球知名品牌，但遺憾的是，外購難以打開的成本鏈以及在分享部件微觀參數(shù)上的受限，不但無法改進(jìn)供應(yīng)鏈的成本管理，也不利于整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計上的優(yōu)化，正因?yàn)槿绱耍h(yuǎn)景必須要通過自研來徹底打開齒輪箱的黑盒子，進(jìn)一步拉低齒輪箱在整機(jī)成本上的占比，提升整機(jī)系統(tǒng)的性能。

那么，選擇何種技術(shù)路線的齒輪箱以及進(jìn)行哪些全生命周期的齒輪箱測試驗(yàn)證才能保證遠(yuǎn)景自研齒輪箱的可靠性，就成了項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)要解決的重大問題。遠(yuǎn)景自研齒輪箱項(xiàng)目開發(fā)設(shè)計團(tuán)隊(duì)核心成員、遠(yuǎn)景整機(jī)機(jī)械總監(jiān)、前GE風(fēng)電工程部中國區(qū)總監(jiān)、前GE風(fēng)電全球齒輪箱聯(lián)合開發(fā)項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人和首席工程師Jim Li透露，“遠(yuǎn)景在齒輪箱失效模式數(shù)據(jù)挖掘、成熟技術(shù)路線優(yōu)化和極嚴(yán)測試驗(yàn)證這三個環(huán)節(jié)投入了大量的人力和財力，保障自研2.X MW齒輪箱的質(zhì)量可靠性和技術(shù)先進(jìn)性?！?/p>

可以說，遠(yuǎn)景在齒輪箱失效模式數(shù)據(jù)挖掘上有其獨(dú)到的優(yōu)勢，除了通過使用全球知名品牌的齒輪箱直接獲得失效模式外，遠(yuǎn)景智慧風(fēng)場平臺上還接入了巨量的風(fēng)電場資產(chǎn)，通過大數(shù)據(jù)分析可挖掘出齒輪箱的失效概率，形成最全面的潛在失效模式及后果分析，并在開發(fā)設(shè)計階段予以規(guī)避。

“失效模式的分析結(jié)果表明，成熟的技術(shù)路線是風(fēng)電齒輪箱可靠性的支撐?！盝im Li說，“遠(yuǎn)景自研齒輪箱采用最經(jīng)典、最成熟、應(yīng)用量最大、經(jīng)驗(yàn)沉淀最豐厚的一級行星二級平行齒輪箱結(jié)構(gòu)，被優(yōu)化的齒輪參數(shù)和大重合度設(shè)計，進(jìn)一步提升了齒輪箱的效率，而且降低了運(yùn)行噪音，確保了最優(yōu)的整機(jī)運(yùn)行工況和發(fā)電效率。”

值得注意的是，這款自研2.X MW齒輪箱的大速比和高功率密度比，在一定程度上成為了低風(fēng)速風(fēng)機(jī)系統(tǒng)大部件之間產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的催化劑，而更寬的發(fā)電風(fēng)速區(qū)間、更高的發(fā)電性能、更低的運(yùn)行噪音，實(shí)際上是讓高塔筒、大風(fēng)輪風(fēng)機(jī)友好靠近城市和居民區(qū)的定制化設(shè)計。通常來講，大速比會造成齒輪箱體積增大，但通過先進(jìn)的齒輪參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，不僅可以做到大速比，還可以減少齒輪箱的重量，提升功率密度比。不過，這就需要先進(jìn)的齒輪箱設(shè)計技術(shù)了。

Jim Li透露了兩點(diǎn)，一點(diǎn)是系統(tǒng)完善的設(shè)計，另一點(diǎn)是整機(jī)系統(tǒng)場景下的設(shè)計優(yōu)化，前者包括采用全球最先進(jìn)的齒輪箱設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)以及軟件工具，后者包括整機(jī)系統(tǒng)多體動力學(xué)分析、傳動鏈整體有限元分析，也就是說，在遠(yuǎn)景這里，齒輪箱設(shè)計不只是齒輪箱自己的事了，還要跟整機(jī)系統(tǒng)以及其他部件產(chǎn)生一番化學(xué)反應(yīng)，最終形成優(yōu)質(zhì)基因。實(shí)際上，遠(yuǎn)景自研齒輪箱項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)把齒輪箱設(shè)計的邊界擴(kuò)大了，被打開的黑盒子就在整機(jī)系統(tǒng)中有了話語權(quán)。當(dāng)制造出具體的齒輪箱產(chǎn)品后，遠(yuǎn)景的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還對這款齒輪箱進(jìn)行了極其嚴(yán)格的全生命周期的測試驗(yàn)證，比如在+200%到—183%極限工況下的極限載荷測試，還進(jìn)行了延伸壽命破壞性試驗(yàn)，以此發(fā)掘齒輪箱的潛能。

不僅在地面測試，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還把齒輪箱放到了塔頂上進(jìn)行測試。遠(yuǎn)景整機(jī)總工程師洪熠解釋，“天上LDM測試旨在對比驗(yàn)證測試臺和天上運(yùn)行的齒輪與結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力狀況，以及對比彎矩對齒輪箱受力的影響?！?/p>

數(shù)據(jù)表明，遠(yuǎn)景自研2.X MW齒輪箱的天上LDM測試結(jié)果令人驚喜。可在淡定的遠(yuǎn)景全球齒輪箱研發(fā)團(tuán)隊(duì)看來，遠(yuǎn)景自研的齒輪箱就應(yīng)該如此。