2021年10月17日-20日，2021北京國際風(fēng)能大會暨展覽會（CWP 2021）在北京新國展隆重召開。作為全球風(fēng)電行業(yè)年度最大的盛會之一，這場由百余名演講嘉賓和數(shù)千名國內(nèi)外參會代表共同參與的風(fēng)能盛會，再次登陸北京。

　　

　　本屆大會以“碳中和——風(fēng)電發(fā)展的新機遇”為主題，歷時四天，包括開幕式、主旨發(fā)言、高峰對話、創(chuàng)新劇場以及關(guān)于“國際成熟風(fēng)電市場發(fā)展動態(tài)及投資機會”“國際新興風(fēng)電市場發(fā)展動態(tài)及投資機會”“風(fēng)電設(shè)備智能運維論壇”“碳達峰碳中和加速能源轉(zhuǎn)型”等不同主題的15個分論壇。能見App全程直播本次大會。

　　

　　其中，10月19日海上風(fēng)電發(fā)展論壇隆重召開。中車永濟電機有限公司副總工程師段志強參加了該論壇并演講。

　　以下為發(fā)言全文：

　　

　　

　　各位嘉賓，各位專家，大家下午好！接下來我分享面向深遠海的智能化漂浮式風(fēng)力發(fā)電機技術(shù)研究。近海資源越來越少，包括國內(nèi)主機廠包括海外都在做漂浮式一些整機的研究。我們中車永濟有幸參與中間發(fā)電機的研究，所以今天把我們中間做漂浮式應(yīng)用的發(fā)電機技術(shù)和最近做的一些成果給大家做一個匯報。

　　

　　我今天大概講三個部分：永濟公司風(fēng)電業(yè)務(wù)介紹、面向深遠海的智能化漂浮式風(fēng)力發(fā)電機技術(shù)、漂浮式風(fēng)電發(fā)展趨勢。

　　

　　簡單介紹一下我們公司，中車永濟電機有限公司，1969年成立，隸屬于中國中車股份有限公司，旗下核心子公司，占地面積117.6萬平方米 ，建筑面積73.4萬平方米，可年產(chǎn)交通和能源裝備領(lǐng)域電機共計22000臺。專業(yè)從事風(fēng)力發(fā)電機研發(fā)、生產(chǎn)、制造和服務(wù)，具備全系列風(fēng)力發(fā)電機產(chǎn)品配套能力，風(fēng)電產(chǎn)品年產(chǎn)能5000臺。1998年，公司已經(jīng)開始中國首臺600kW籠型風(fēng)力發(fā)電機的研制；公司產(chǎn)品涵蓋籠型、雙饋、直驅(qū)和半直驅(qū)等四大技術(shù)平臺，功率覆蓋600kW到18MW。

　　

　　截至2020年12月，永濟電機累計為風(fēng)電市場提供各類風(fēng)力發(fā)電機40000余臺（75GW），產(chǎn)品分布國內(nèi)外1600多個風(fēng)場。全面覆蓋國內(nèi)風(fēng)電裝機區(qū)域，占到中國在運行風(fēng)力發(fā)電機總量的30%，市場占有率國內(nèi)第一。

　　

　　這是全國的一個布局，永濟公司作為風(fēng)力發(fā)電機龍頭企業(yè)，已經(jīng)在海上大功率半直驅(qū)永磁、直驅(qū)永磁和籠型發(fā)電機的關(guān)鍵技術(shù)方面作出了諸多突破，為迎接海上風(fēng)電快速發(fā)展做好技術(shù)儲備。自2018年6月至今，永濟公司先后成功研制多款國內(nèi)及全球最大功率等級海上風(fēng)力發(fā)電機，技術(shù)達到國際領(lǐng)先水平，產(chǎn)品實現(xiàn)批量生產(chǎn)，為公司帶來一定的經(jīng)濟效益。我們的成績有：

　　

　　2018年6月，亞洲最大功率7.6MW海上半直驅(qū)永磁發(fā)電機

　　

　　2020年4月，首臺大功率6MW海上直驅(qū)永磁發(fā)電機

　　

　　2020年6月，亞洲最大功率10MW海上半直驅(qū)永磁發(fā)電機

　　

　　2020年11月，國內(nèi)最大功率6.XMW海上籠型發(fā)電機

　　

　　2021年5月，全球最大功率7.XMW雙饋發(fā)電機

　　

　　2021年6月，全球最大13.X MW緊湊型半直驅(qū)永磁發(fā)電機

　　

　　2021年10月，發(fā)布全球最大18MW海上漂浮式風(fēng)力發(fā)電機

　　

　　目前整個客戶也是國內(nèi)整機廠都有在合作，這是簡單的介紹。

　　

　　下面介紹整個面向深遠海漂浮式電機，研究表明，世界上 80% 的海上風(fēng)資源位于水深超過 60米的海域，因此深遠海發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｏ胍浞珠_發(fā)利用海上風(fēng)資源，漂浮式海上風(fēng)電將成為未來重點開發(fā)方向。

　　

　　優(yōu)勢：風(fēng)力更穩(wěn)定、更強勁，可建設(shè)更大規(guī)模的風(fēng)場；施工中無需打樁，克服了影響施工的海床地質(zhì)條件問題；風(fēng)機在港口組裝后，拖動到海上，易于安裝，成本更低；減少對漁業(yè)區(qū)和旅游區(qū)的影響，對環(huán)境更友好。

　　

　　難點：漂浮式基礎(chǔ)的穩(wěn)定性較弱，運行過程中容易發(fā)生傾斜、位移，對發(fā)電機可靠性要求更高；發(fā)電機處于最高處，運動速度及加速度在機組中處于最大狀態(tài)；維護成本高。

　　

　　在這個中間怎么解決漂浮式對整個電機的難點呢？我們主要從七個關(guān)鍵技術(shù)方面來解決整個電機的技術(shù)，下面逐一說一下。

　　

　　（一）抗振動抗疲勞技術(shù)

　　

　　針對漂浮式基礎(chǔ)的穩(wěn)定性較弱，并且發(fā)電機處于最高處，運動速度及加速度在機組中處于最大狀態(tài)。漂浮式發(fā)電機抗振動抗疲勞技術(shù)的關(guān)鍵在于以下4個方面：針對漂浮式機組的特定環(huán)境，采用創(chuàng)新的軸系系統(tǒng)，滿足漂浮式發(fā)電機承受高于固定式風(fēng)機10倍以上的傾斜振動載荷；軸承潤滑系統(tǒng)采用特殊的迷宮結(jié)構(gòu)與壓環(huán)預(yù)緊結(jié)構(gòu)，解決油潤滑軸承的漏油難題及軸承運行可靠性，并通過軸承密封系統(tǒng)1：1實體模型驗證試驗。

　　

　　針對漂浮式基礎(chǔ)的穩(wěn)定性較弱，并且發(fā)電機處于最高處，運動速度及加速度在機組中處于最大狀態(tài)。漂浮式發(fā)電機抗振動抗疲勞技術(shù)的關(guān)鍵在于以下4個方面：2、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件疲勞計算，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件（傳動法蘭、轉(zhuǎn)子支架、磁極螺栓）的疲勞分析計算時，模擬運行工況，實現(xiàn)精準設(shè)計；3、懸臂零部件抗振性能優(yōu)化設(shè)計，懸臂零部件（發(fā)電機冷卻系統(tǒng)、散熱電機）處于最惡劣運行環(huán)境，針對懸臂結(jié)構(gòu)重點優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)、散熱電機選型及整體結(jié)構(gòu)強度校核；4、關(guān)鍵部件材料選取，關(guān)鍵零部件（機座、軸承座、空心軸）采用耐低溫材料和抗振材料，提高了發(fā)電機的抗振性能。

　　

　　（二）高可靠性電磁設(shè)計及仿真分析技術(shù)

　　

　　基于高效率、高抗失磁能力、高功率密度的電機電磁設(shè)計技術(shù)、針對漂浮式電機維護成本高，采用模塊化設(shè)計思想，結(jié)合有限元分析工具，實現(xiàn)產(chǎn)品性能、質(zhì)量、成本、可靠性最優(yōu)化。

　　

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　　電機轉(zhuǎn)矩脈動、電機損耗分布，優(yōu)化電機電磁結(jié)構(gòu)、電流諧波含量。多目標仿真優(yōu)化算法，實現(xiàn)電磁參數(shù)最優(yōu)設(shè)計；多物理場迭代設(shè)計，實現(xiàn)電磁場、結(jié)構(gòu)場、流體場、溫度場、聲場優(yōu)化設(shè)計。

　　

　?。ㄋ模┌l(fā)電機高效冷卻技術(shù)

　　

　　針對深遠海電機特殊的運行壞境，對通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)新設(shè)計，通過流體場、溫度場仿真分析，形成了發(fā)電機高效冷卻技術(shù)，并獲得發(fā)明專利。

　　

　　電機采用定子水冷和轉(zhuǎn)子空水冷的雙路循環(huán)的冷卻方式，提高電機散熱效率；水套內(nèi)部水路采用優(yōu)化的特殊結(jié)構(gòu)，較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)散熱面積增加約10%，溫度分布梯度優(yōu)化40%，有效避免繞組局部過熱；采用獨立的密封冷卻風(fēng)路，通過設(shè)計低風(fēng)阻導(dǎo)風(fēng)部件，轉(zhuǎn)子空水冷卻器冷卻后的涼風(fēng)直接輸入發(fā)電機內(nèi)部最熱部位。

　　

　　（五）絕緣技術(shù)

　　

　　絕緣等級采用H級耐電暈絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計，可適應(yīng)變流器較高的電壓變化率和尖峰電壓；絕緣系統(tǒng)在永濟公司超過40000臺可靠運行的風(fēng)力發(fā)電機絕緣結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，針對深遠海工況進行加強，通過鹽霧、濕熱、霉菌、高低溫等試驗，滿足海上工況運行要求。

　　

　?。┖Ｉ?ldquo;三防”技術(shù)

　　

　　結(jié)構(gòu)件采用C5-M級防腐設(shè)計，經(jīng)過海上工況的運行考核，滿足海上運行環(huán)境的苛刻要求。磁極結(jié)構(gòu)采用全密封結(jié)構(gòu)，永磁體采用特殊防腐結(jié)構(gòu)，通過了濕熱、鹽霧、霉菌、高低溫沖擊試驗，提高惡劣工況的運行可靠性。模塊化磁極結(jié)構(gòu)，提升制造及裝配效率。

　　

　?。ㄆ撸┲悄芑夹g(shù)

　　

　　中車永濟公司提出“風(fēng)電智能故障辨識系統(tǒng)WIND1.0”，以風(fēng)場運營效益最大化為目標，采用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、邊緣計算等新技術(shù)，實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機健康診斷及預(yù)測性維護、提供多平臺電機數(shù)據(jù)可視化及交互式系統(tǒng)。

　　

　　實現(xiàn)電機運行狀態(tài)全息感知，監(jiān)測電機軸承、定轉(zhuǎn)子絕緣等關(guān)鍵部件，部署振動、溫度、電壓電流傳感器，節(jié)約傳感器安裝、維護的時間及成本，部署無線振動傳感器，功耗低、體積小、安裝簡便。

　　

　　基于“深度學(xué)習(xí)+特征分析”技術(shù)對電機運行數(shù)據(jù)實時處理及分析，實現(xiàn)電機軸承、絕緣等關(guān)鍵部件故障預(yù)警，為用戶提供預(yù)防性維護和保養(yǎng)建議，提高設(shè)備可用率，減少突變故障造成停機，提升發(fā)電量。

　　

　　系統(tǒng)實時監(jiān)測軸承振動、聲音、溫度數(shù)據(jù)，在線準確辨識電機故障類型及故障部位，包括軸承內(nèi)圈或外圈剝離、電蝕等故障、軸承過溫故障。

　　

　　人工智能深度學(xué)習(xí)算法：不同轉(zhuǎn)速下原始數(shù)據(jù)，基于人工智能深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，電機軸承故障識別率高達95%以上誤報率低于1%。故障診斷算法優(yōu)勢：魯棒性強、可拓展性強。

　　

　　通過匝間接入不同阻值電阻進行不同絕緣故障程度的模擬試驗，獲取三相電流瞬間和穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)：針對電機電流信號依次進行濾波降噪、直流分量去除、重點提取非量綱時頻域統(tǒng)計特征，實現(xiàn)絕緣故障在線監(jiān)測與系統(tǒng)保護功能；基于機理與數(shù)據(jù)驅(qū)動融合的數(shù)據(jù)分析方式，實現(xiàn)絕緣早期故障預(yù)測與健康管理。

　　

　　邊緣計算：故障診斷時效性強：實時將診斷結(jié)果推送給客戶；可靠性強：減少網(wǎng)絡(luò)信號欠佳導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失；安全性強：數(shù)據(jù)傳輸及訪問安全。

　　

　　針對風(fēng)力發(fā)電機，電機智能監(jiān)控系統(tǒng)提供風(fēng)機專用傳輸系統(tǒng)，支持多種形式數(shù)據(jù)傳輸：4G 無線傳輸、風(fēng)場自有網(wǎng)絡(luò)傳輸、無信號覆蓋風(fēng)場自組網(wǎng)傳輸。自定義報文數(shù)據(jù)傳輸，考慮后續(xù)節(jié)點數(shù)量增加，采用發(fā)布-訂閱消息系統(tǒng)：高并發(fā)、高吞吐量、低延遲；可擴展性、持久性、可靠性；物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議MQTT、安全性。

　　

　　基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，提供直觀、智能、交互式多系統(tǒng)平臺，支持Web、移動終端App訪問；實現(xiàn)電機運行狀態(tài)實時監(jiān)控、故障診斷、故障預(yù)測、運維決策信息實時更新，提供歷史數(shù)據(jù)下載、故障日志生成等功能。遠程軟件功能推送，不定期對風(fēng)力發(fā)電機智能監(jiān)控系統(tǒng)進行系統(tǒng)升級，根據(jù)客戶需求帶來新的功能。運維服務(wù)人員通過后臺系統(tǒng)檢測到電機狀態(tài)進行合理維修，大大簡化服務(wù)流程，提升用戶體驗。

　　

　　提升發(fā)電量：減少故障停機時間、風(fēng)機控制優(yōu)化、風(fēng)場控制優(yōu)化。提高運維效率：部件級PHM系統(tǒng)、優(yōu)化的備件策略、智能運維系統(tǒng)。降低安全風(fēng)險：人身安全、設(shè)備安全、信息安全。減少值守人員：場控?zé)o人值守，區(qū)域集控少人值守。提供高質(zhì)量、差異化維保服務(wù)和持續(xù)優(yōu)化運營服務(wù)，提升風(fēng)場運營效率，為客戶創(chuàng)造價值！

　　

　　第三個方面是漂浮式風(fēng)電發(fā)展趨勢

　　

　?。ㄒ唬?海上風(fēng)電全球現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

　　

　　隨著近岸資源的開發(fā)趨于飽和，海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)逐步走向深遠海，將風(fēng)機安裝在漂浮式平臺的漂浮式機組是最佳選擇。“由陸向海、由淺到深、由固定基礎(chǔ)向漂浮式平臺”成為未來海上風(fēng)電的必然趨勢。深遠海風(fēng)資源，由于沒有障礙，它可以達到更高、更恒定的速度。其在社會經(jīng)濟和環(huán)境層面的巨大潛力和戰(zhàn)略附加值，使其成為在實現(xiàn)碳中和過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用的可再生能源之一。

　　

　　根據(jù)全球風(fēng)能理事會（GWEC）的統(tǒng)計，截止2020年底，全球海上風(fēng)電累計總裝機量為35.3GW，其中中國占比28%，排名第二，全球裝機容量持續(xù)保持增長趨勢。2020年全球海上風(fēng)電新增裝機容量 6.068 GW，中國的海上風(fēng)電新增裝機容量達到創(chuàng)紀錄的逾3 GW，占全球新增容量50.4%，連續(xù)三年成為全球最大的海上風(fēng)電市場。

　　

　　（二）漂浮式風(fēng)力發(fā)電機發(fā)展趨勢

　　

　　在30·60碳達峰和碳中和背景下，海上風(fēng)電必將迎來廣闊的發(fā)展空間。預(yù)計到2025年，全球海上風(fēng)電新增裝機容量將從2020年的6.1GW增長至23.9GW，在全年裝機容量的占比將從2020年的7%增長至21%。

　　

　　趨勢一是大容量，8-10MW機組逐步成熟；10-18MW樣機陸續(xù)誕生；大容量機組在降低風(fēng)場總投資上具有一定優(yōu)勢，可充分利用風(fēng)資源，因此漂浮式海上超大功率風(fēng)電機組將成為發(fā)展趨勢。

　　

　　趨勢二是輕量化， 隨著海上漂浮式風(fēng)電機組容量的持續(xù)增大，關(guān)鍵部件的重量將成為影響機組成本的重要因素，發(fā)電機作為機組重要部件之一，實現(xiàn)輕量化至關(guān)重要。發(fā)電機設(shè)計采用多目標優(yōu)化算法，將電機重量及電性能兩個指標作為優(yōu)化目標，通過蒸發(fā)冷卻、超導(dǎo)電機、集成型電機、碳纖維材料等技術(shù)創(chuàng)新，動態(tài)優(yōu)化迭代電機結(jié)構(gòu)，在保證電機安全性和可靠性的前提下，將發(fā)電機重量降至最輕，從而降低機組載荷。

　　

　　趨勢三是低成本，海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)即將進入平價時代，隨著對漂浮式技術(shù)逐步深入的研究，可有效降低發(fā)電機的設(shè)計冗余，同時通過對新材料、新工藝、新技術(shù)的研究，推出低成本、高可靠性的漂浮式電機。

　　

　　趨勢四是智能化，提出“WIND1.0”風(fēng)電智能守護者系統(tǒng)，以風(fēng)力發(fā)電機為載體，利用人工智能+物聯(lián)網(wǎng)（AI+IOT）的方法，打造國際領(lǐng)先的電機故障辨識系統(tǒng)，實現(xiàn)電機數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸、存儲、分析、決策支持全環(huán)節(jié)應(yīng)用。

　　

　　趨勢五是高效率，進一步探索電磁優(yōu)化設(shè)計技術(shù)，以“高效率、高抗失磁能力、高功率密度”為出發(fā)點，結(jié)合“高效冷卻技術(shù)”全面提升發(fā)電機性能，力爭將發(fā)電機發(fā)電效率提升至98.5%，達到國際領(lǐng)先水平。

　　

　　趨勢六是免維護，基于數(shù)字化、智能化技術(shù)，為產(chǎn)品”免維護“賦能，通過“技術(shù)驅(qū)動產(chǎn)品”，推動智能運維系統(tǒng)、優(yōu)化備件策略、搭建PHM系統(tǒng)，實現(xiàn)發(fā)電機故障“自診斷、自恢復(fù)”。

　　

　　技術(shù)創(chuàng)新 為“碳達峰 碳中和”國家戰(zhàn)略貢獻風(fēng)電智慧和力量，這就是我今天的分享，謝謝大家！

　　

　?。ǜ鶕?jù)演講速記整理，未經(jīng)演講人審核）