海上風電機組國產(chǎn)化研究與實踐

孫財新，張波，唐巍，周昳鳴，付明志，秦猛，郭小江

（中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司，北京市 昌平區(qū) 102218）

0 引言

當前，我國風電機組的核心部件中，海上風電機組的關鍵設備主要依賴進口，在風機大型化發(fā)展趨勢下，國產(chǎn)化率較低成為制約我國海上風電發(fā)展的重要因素[1]。海上風電機組亟須在大容量機組方面實現(xiàn)國產(chǎn)化。葉片、主軸承、主控系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等是海上風電機組嚴重依賴進口的關鍵部件與系統(tǒng)，需要重點突破。

我國已經(jīng)具有中小容量風電機組配套葉片的彎扭耦合現(xiàn)象評估能力和氣動阻尼的理論基礎及設計經(jīng)驗，擁有小尺寸葉片、全尺寸結構試驗的能力和經(jīng)驗，可以進行葉片技術的驗證，但是適用于海上風電機組的超長柔性葉片顫振機理、彎扭耦合現(xiàn)象的研究尚不充分，玻纖、樹脂、膠黏劑和芯材等核心材料和部件依賴進口，設計與工藝耦合迭代不充分。

我國的主軸承技術積累較為薄弱，目前具備陸上3 MW級風電機組主軸承的設計、制造能力，5 MW 及以上容量風電機組的大直徑主軸承很少有應用業(yè)績。海上風電機組主軸承的運行工況更為復雜，對連續(xù)運行的可靠性要求更高，我國在該方面經(jīng)驗較少，產(chǎn)品長期運行數(shù)據(jù)欠缺，可靠性保證與進口產(chǎn)品存在較大差距。

電氣系統(tǒng)方面，我國已實現(xiàn)系統(tǒng)集成和主要一次設備的小批量國產(chǎn)化，但國產(chǎn)電氣系統(tǒng)設備在海上風電工程項目中缺少大規(guī)模應用經(jīng)驗，在一些基礎電子器件和材料方面與國外品牌存在一定差距，尤其是變流器控制系統(tǒng)中的微控制單元(microcontroller unit，MCU)、數(shù)字信號處理(digital signal processing，DSP)、現(xiàn)場可編程門陣列(fieldprogrammable gate array，F(xiàn)PGA)、只讀存儲器(read-only memory，ROM)、 隨機存取存儲器(random access memory，RAM)以及模擬集成電路等全部依賴進口，變流器主電路中的功率半導體器件絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)幾乎被英飛凌、ABB、三菱、富士、西門康等國外廠商壟斷，目前國產(chǎn)IGBT尚無在海上風電工程項目中的實際應用案例。此外，5 MW 及以上功率發(fā)電機軸承、變壓器絕緣高性能環(huán)氧樹脂等也主要依賴進口。

在機組控制方面，我國主要采用傳統(tǒng)的機電控制方式，由檢測與轉換元件對執(zhí)行過程進行測量并反饋給指令元件，指令元件發(fā)送指令給執(zhí)行元件執(zhí)行[2-7]。目前指令元件主要采用可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)，具備邏輯控制、時序控制、模擬控制、多機通信等功能。國內風機廠商已可完成控制策略、算法的編制集成，但是機組采用的PLC 控制器主要依賴進口，對于大功率海上風電機組，國產(chǎn)PLC 仍處于起步階段。

1 國產(chǎn)化5 MW 高速永磁海上風電機組關鍵部件研制

1.1 葉片

葉片國產(chǎn)化從葉片氣動設計、結構設計、原材料3 個角度展開，分別針對國產(chǎn)化存在的關鍵問題進行解決。根據(jù)葉片功率等要求布局翼型，計算核心葉片參數(shù)，計算機組運行推力系數(shù)、扭矩系數(shù)、轉速和功率在不同風速下的分布，核算葉片發(fā)電能力，進行翼型選擇；進行大梁、后緣輔梁、腹板、葉根設計，以及基于給定載荷的有限元校核，實現(xiàn)結構設計；對于制造葉片所需要的玻纖、樹脂、結構膠、圖層、螺栓進行性能分析和選擇，對層合板進行拉伸模量和強度測試，對膠黏劑進行極限剪切和疲勞剪切測試，對Balsa木進行x、y等方向壓縮模量、壓縮強度、剪切強度等的測試。完成設計后，進行葉片的剛度分析、強度分析、穩(wěn)定性分析，然后進行工藝設計。制造完成后開展靜力試驗、疲勞試驗。

本次國產(chǎn)化機組所設計葉片的風輪半徑為83.6 m，沿葉展方向，從葉根到葉尖采用DU改型翼型族，含當?shù)匾硇拖议L的40%、30%、25%、21%、18%五種厚度翼型。葉片本體質量29.1 t，含螺栓及附件總質量為30.2 t，機組輪轂高度設計為105.5 m，額定轉速為10.1 r/min，額定功率為5 MW，切入風速為3.5 m/s，切出風速為24.9 m/s，額定風速為10 m/s。

葉片采用雙腹板+小腹板+殼體結構，其國產(chǎn)化的主要材料包括玻纖、樹脂、膠黏劑和芯材，各材料均按標準進行測試。將測試結果與進口部件進行對比，發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)化葉片的部件與進口部件的差別主要體現(xiàn)在原材料上，如，國產(chǎn)葉片0°方向拉伸模量達到50.5 GPa，高于進口玻纖0°方向的拉伸模量47.5 GPa。樹脂及結構膠、葉片芯材、部分殼體及腹板芯材的性能已不低于進口材料。

葉片按照真空灌注成型工藝生產(chǎn)，為保證葉片結構安全性，本次國產(chǎn)化葉片設計采用GH Bladed 及有限元仿真工具，分別從強度、剛度以及穩(wěn)定性3 個方面進行分析。剛度分析利用GH Bladed 軟件對葉片進行葉尖凈空分析，在極限狀態(tài)下葉片葉尖距離塔壁5.89 m，自然狀態(tài)下葉尖距離塔壁21.8 m，凈空比為27%，滿足GL2010標準要求。強度分析結果表明，材料安全系數(shù)、纖維強度、纖維間失效(inter fiber fracture，IFF)、黏接分析、纖維疲勞、黏接疲勞均滿足標準要求。穩(wěn)定性分析中，依據(jù)給定的載荷，葉片的線性屈曲因子最小為2.18(發(fā)生在MinFlap 工況)，大于GL2010要求的2.041 9，滿足安全性要求。

葉片制造后，依據(jù)IEC 61400-23 完成靜力試驗和疲勞試驗，測試數(shù)據(jù)分別如表1、2所示。葉片在壓力面、吸力面應變水平(<5 500×10-6)和疲勞應變水平總體可控(<2 000×10-6)，試驗過程中葉片未出現(xiàn)損傷。

表1 葉片極限試驗結果Tab. 1 Blade limit test results

表2 葉片不同展向擺振應變測試結果Tab. 2 Test results of different spanwise sway strains of blades

1.2 主軸承

機組整體設計為上風向、三葉片、水平軸、雙點支撐、齒輪箱傳動的高速永磁全功率變頻海上風電機組。傳動鏈為單(大)軸承的緊湊型結構，軸承座與主機架集成，采用兩點支撐結構，軸承承受除扭矩外其他所有力和彎矩。

目前該設計方案機組的主軸承一般采用從德國進口的三排圓柱滾子軸承。在國產(chǎn)化機組中，主軸承仍采用三排滾子結構，軸承外圈為一個整體，內圈為2 片組合式，2 根密封條為壓板式密封，防止漏油。主軸承含有2排推力滾子、1排徑向滾子，能夠承受除扭矩外其他所有力及彎矩。內圈注油，外圈下半部分出油。保持架摩擦表面(內徑、外徑、端面)設計有儲油槽結構，以方便在摩擦表面形成油膜[8]。國內外主軸承基本參數(shù)如表3所示。

表3 國產(chǎn)/國外主軸承基本參數(shù)的區(qū)別Tab. 3 Differences between domestic and foreign main bearing basic parameters

材料方面，主軸承相對于普通軸承必須具有更大的承載能力，因此其套圈選材及結構上要求更好的強度、耐磨性、化學穩(wěn)定性及尺寸穩(wěn)定性。國產(chǎn)化主軸承在普通42CrMo 的基礎上進行適量調整，提高鍛件綜合力學性能。設計后進行工程校核和有限元校核。工程校核主要進行靜態(tài)安全系數(shù)評估、滾道壽命校核和軸承結構強度、疲勞性能分析，結果符合規(guī)范要求[9]。有限元校核時連接螺栓用梁單元建模，滾動體采用非線性彈簧單元建模，每個滾動體用3 個彈簧組成的彈簧組模擬滾柱，每個彈簧的兩端點分別與接觸區(qū)域剛性綁定，每個彈簧的剛度與1/3 滾柱/滾道接觸剛度完全相同。剛度曲線通過Hertz接觸理論求解得到，模型邊界條件是輪轂葉根端面與輪轂中心耦合施加載荷，機架下端面約束全部自由度，軸承約束旋轉自由度，螺栓沿軸線施加預緊力。施加極限工況載荷如表4所示。

表4 極限工況載荷Tab. 4 Ultimate condition loads

通過有限元分析，軸向、徑向保持架極限受力分別約134.9、25.9 MPa，銅保持架材料強度≥540 MPa，保持架有足夠強度。

制造完成后，主軸承進行空載試驗等驗證，通過水平測試、立式測試后，拆開軸承，無異常情況。

1.3 電氣系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)國產(chǎn)化的部件較為龐雜，較為核心的部件是變流器、發(fā)電機、環(huán)網(wǎng)柜、變壓器和電纜終端附件，其中，變流器是需要國產(chǎn)化的最主要電氣系統(tǒng)設備，主要由電氣一次、二次以及輔助系統(tǒng)組成。一次系統(tǒng)主要包括功率半導體部件、主電路開關、交直流濾波設備、銅排、結構件。二次系統(tǒng)主要由核心控制器、驅動控制板、信號采集與處理板、各類傳感器、保護電路等構成。輔助系統(tǒng)主要包括輔助配電設備、溫控設備、電源保障設備等部分。

目前絕大部分部件，如，配電開關、繼電器、熔斷器、電磁元件、銅排、結構件等均已實現(xiàn)國產(chǎn)化。仍使用進口零部件的器件包括：IGBT、網(wǎng)側斷路器、機側隔離開關、防雷器。其中，變流器中的IGBT 是需要國產(chǎn)化的最核心部件[10-11]，經(jīng)測試，國內外IGBT參數(shù)對比如表5所示。

表5 IGBT參數(shù)對比Tab. 5 IGBT parameter comparison

從表5可以看出，國內斯達和中車的IGBT產(chǎn)品除最大功耗略大于國外產(chǎn)品外，其余參數(shù)均能達到國外產(chǎn)品的水平。實際應用時，IGBT的結溫不超過130 ℃，器件功耗差距將進一步縮小，國產(chǎn)IGBT可以滿足實際使用需求。

1.4 PLC主控系統(tǒng)

國產(chǎn)化PLC 主控系統(tǒng)包括PLC 硬件、主控程序2 部分，在硬件方面，PLC 模塊所選用的電子芯片等器件，總體遵循核心器件全國產(chǎn)化、產(chǎn)品整體自主可控的原則，CPU 芯片、存儲芯片等實現(xiàn)100%國產(chǎn)化。核心軟件組件及編程軟件采用國產(chǎn)技術自主研發(fā)且兼容國產(chǎn)麒麟平臺，相關開發(fā)工作參照GJB 9530—2018開展。在安全方面，依據(jù)GB/T 18336—2015《信息技術 安全技術 信息技術安全評估準則》《CCRC-TR-072-2019 可編程邏輯控制器(PLC 設備)安全技術要求》等標準進行國產(chǎn)化PLC 開發(fā)，采用國密算法、可信計算等信息安全防護措施。

在PLC 模塊中，將需要進行國產(chǎn)化的電子元器件按照技術成熟、技術可行、有待驗證3 個等級進行劃分對比，經(jīng)分析，約70%已達到技術成熟等級，其余30%為技術可行等級。在當前技術基礎上，將國產(chǎn)化PLC 集成后，其與國外知名風電品牌倍福的主流PLC 對標，其硬件性能對比如表6所示。

表6 PLC國內外參數(shù)對比Tab. 6 Comparison of domestic and foreign PLC parameters

通過對比，國產(chǎn)化PLC 硬件部分性能指標低于進口PLC，大部分性能指標與進口PLC 的指標相當，部分性能指標，如工作溫度、電磁兼容標準、防護等級等，高于進口PLC。但是，國產(chǎn)化PLC 在長期(3~5年以上的時間跨度)穩(wěn)定、可靠運行等方面的表現(xiàn)，有待時間和實踐的檢驗。參照國外同類產(chǎn)品的發(fā)展歷程，可以預見，國產(chǎn)化PLC 在穩(wěn)定性、可靠性等方面，需要較長時間進行優(yōu)化和迭代更新，同時，國產(chǎn)化PLC 硬件在產(chǎn)品系列、模塊種類等方面，與進口產(chǎn)品存在較大的差距。

軟件方面，控制系統(tǒng)的拓撲采用線性結構，簡單高效。控制系統(tǒng)程序采用IEC61131-3 規(guī)定的ST語言編寫，內容完整，結構清晰。與倍福產(chǎn)品相比，國產(chǎn)化PLC 配套軟件所附帶的功能塊、功能庫與進口PLC 存在較大的差距。同時，國產(chǎn)PLC 還缺乏算法庫，該部分能力體現(xiàn)了控制系統(tǒng)的易用性、成熟性，該部分功能的完備需要多年的實踐積累、深厚的理論基礎。

2 整體集成與施工

2.1 一體化設計

海上風機整體結構受到風-浪-流-土耦合作用，常規(guī)方法中，由于主機廠家對全場采用包絡載荷進行設計，主機廠家與設計院分割孤立分析，風機的整體支撐結構適用頻率區(qū)間偏保守等因素導致最終的支撐結構方案剛度不協(xié)調、整體性差、冗余度與造價偏高，基礎結構的一體化設計可解決該問題。

國外在該方面研究較早，并在實際工程中產(chǎn)生了整體的減重效果[12-13]。我國在該方面也開展了相關研究，文獻[14-17]分別在整體設計方法、仿真方法、整體支撐結構一體化設計等方面進行了研究。

在此次國產(chǎn)化機組項目中，采用了一體化設計方法進行基礎結構設計。設計時，根據(jù)場址狀況建立了綜合隨機風載、浪載、流載與土壤約束下的裝備平臺結構整體非線性時域模型，以此來表征平臺結構在受到風、浪和流復雜極端工況作用下的整體動力特性，并統(tǒng)一支撐結構在極限、疲勞、變形、頻率、構造要求約束下的優(yōu)化設計算法。本次國產(chǎn)化系統(tǒng)設計方法流程如圖1所示。

圖1 整體化設計技術方案Fig. 1 Overall design technical scheme

在此次國產(chǎn)化項目的實施中，通過采用一體化設計方法同時滿足了不耽誤施工順序、無須重新備料、加快認證速度、不犧牲發(fā)電量的要求。節(jié)省了單臺風機支撐結構塔架主體鋼板337 t，單樁鋼板約856 t，以1.4萬元/t計算，共計節(jié)約成本約1 670萬元。

2.2 施工

國產(chǎn)化機組于2021年5月集成下線出運落駁，在2021 年6 月按照時序完成了塔筒吊裝、機艙吊裝、輪轂吊裝和葉片吊裝，如圖2 所示，于6 月10日施工完畢。

圖2 機組施工圖Fig. 2 Wind turbine construction picture

3 結論

5 MW 國產(chǎn)化機組已完成了國產(chǎn)化認證和全景檢測，國產(chǎn)化率超過95%，已在華能江蘇如東H3海上風電場71#機位吊裝完畢，進行示范應用。

通過此次對于海上風電大型機組的國產(chǎn)化研制，在海上大型風電機組的葉片、主軸承、電氣系統(tǒng)和PLC 主控系統(tǒng)方面進行了理論設計、原材料、制造工藝等全方位的國產(chǎn)化。但是，在此次國產(chǎn)化機組研制中，進行葉片設計等工作時采用的工業(yè)軟件仍然是進口的，一些甚至無國產(chǎn)可替代，部分核心元器件國內仍然缺失，需要繼續(xù)加強產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同發(fā)展。