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1、1 GOLDWIND SCIENCE&TECHNOLOGY CO.,LTD.六自由度风力发电机组整机传动试验台为风电发展护航2023.03.02金风科技 COPYRIGHT 2020 GOLDWIND GOLDWIND SCIENCE&TECHNOLOGY CO.,LTD.本文件应视为机密文件。本文件仅供公司内部使用,未经详细分析和口头陈述,不应作为完整文件。未经公司相关部门事先书面同意,不得向第三方传递和提供。*资料来源:行业协会分析 COPYRIGHT 2020 GOLDWIND可持续 更美好1.风电行业的形势与挑战2.风电行业的实验与验证3.六自由度试验护航风电4.金风科技全域实验体系
2、GOLDWIND SCIENCE&TECHNOLOGY CO.,LTD.3/631-风电行业形势与挑战洞察-1.1行业形势(政策域)政治/法律环境经济环境社会/文化环境技术环境PEST【-】国际政局动荡、单边主义,中美关系长期不向好,能源政策波动,行业竞争力更加白热化;【+】双碳目标的提出将使风电行业形成规模化发展,预计“十四五”新增装机将从“十三五”期间的1.5亿kW上升到2亿kW;【+】国家将启动“千乡万村驭风计划”,后续将发布专项文件,利好十四五期间分散式风电发展。【-】环保监管、生态红线、土地调规等监管日趋严格风电项目开发区域受到制约;【+】对新能源发电企业加大金融支持力度,有助于企业
3、从补贴时代过度到平价+竞价时代;【-】全球大宗商品价格上涨,使得上游原材料成本快速提升,难以转移至下游需求端,对企业利润利空影响;【-】2021年受益于国内疫情控制,1季度GDP增速同比大增18.3%,全年预计在8%左右;但十四五期间经济增速受体量影响将呈现逐步放缓趋势,预计维持在5%-5.5%水平。【+】全球气候变暖,节能减排,清洁能源占比保持持续增长趋势;【+】风电应用模式逐步走向成熟:风电供暖、制氢、海上淡化、多能互补等风电应用取得了良好的社会认可;【-】全社会用电量未来随经济下行增长放缓。2020年全社会用电量同比增长3.1%,2021年受经济恢复影响,1-4月份全社会用电量同比增长1
4、9.1%;【-】目前各地区、企业实现碳中和路径仍处于探索阶段,将影响短期的市场需求。【+】持续技术创新,陆上风电、光伏可再生能源成本快速下降,竞争中已逐步具备成本优势;【+】十四五期间风电发展从中东南低风速区域重回三北中高风速区域,适应大容量机组应用;【-】风电上网电价从平价过渡到“指导价+市场化定价”时代,上网价格进一步下探,导致项目收益率下行,同时促使业主更加倾向一次性投入较低的产品;【-】“源网荷储一体化”和“风光水火储一体化”提供了新的应用场景,将释放更多新能源项目的需求,开发形式将从“单一能源”转向“多能互补”发展,促使企业向综合能源方向发展,并衍生出新技术需求。“拐点”已至,中国风
5、电发展进入新常态(2022年全国水电、风电、光伏发电等可再生能源装机总量首次超过煤电装机,出现历史性拐点):碳中和碳达峰:国家“3060双碳”战略目标的提出倒逼我国能源系统深刻变革,2023-2025年中国风电年均新增装机容量将达到6000万7000万千瓦,市场潜力巨大;新风电新常态:低成本、大容量倒逼风电行业由制造专项创造,即需在科技创新(自主仿真软件、国产控制器、自研主轴承)、应用场景和跨界融合(超长碳纤叶片、三排柱滚子轴承)等维度上不断深入演进,测试时间进一步压缩,测试效率提升、专项技术验证、模型验证、生态资源协同等正在进入一个新的常态化阶段。GOLDWIND SCIENCE&TECHN
6、OLOGY CO.,LTD.4/631-风电行业形势与挑战洞察-1.2行业挑战(技术域)针对低成本、大容量、短周期、新技术的开发背景,对传统的实验测试提出全新的要求和挑战:大容量低成本:风电市场从15年前的叶轮直径70-90m功率1.5MW到10年前的叶轮直径100-130m功率2.0MW到5年前叶轮直径130-160m功率3.0-6.0MW,至今已发展为叶轮直径200+m,功率等级10-16MW的超大风机,同时单位千瓦投标价格已由10年前的4000元+/千瓦到5年前的3000元+/千万至今低于1500元/千万1。新技术新挑战:风电市场已由政策驱动转变为市场驱动,持续的降本给全产业链可持续发展
7、提出更多要求,为应对当前行业降本的大趋势,自主化仿真软件、新型材料叶片、国产控制器、国产化主轴承、自主设计三排柱变桨轴承系等技术创新势在必行,新技术应用对风电行业的挑战异常大。深远海高可靠:随着海上风电技术的发展,风机已由沿海滩涂到近海浅滩至今的远海深水区甚至漂浮式风机,风机运行中风浪流冲击、盐雾腐蚀等恶劣环境及不可达性要求风机对可靠性的要求进一步提升,对验证的需求进一步提升。50m7090m100130m140170m170260m1996600kW750kW200520.5MW2.XMW3.X6.XMW10MW及以上图4 某国外机组塔架失效图3 机组主轴承失效图2 风
8、电迈入平价时代2图1 风电机组大型化已是大势所趋1-2:数据来源与网络,仅做为方向性参考 GOLDWIND SCIENCE&TECHNOLOGY CO.,LTD.5/631-风电行业形势与挑战洞察-1.3行业挑战(验证域即多系统耦合下的闭环设计)设计验证+仿真验证+实验验证下的多系统耦合下的闭环设计:风机是集机、电、液、控、环于一体的复杂机构,相关实验项目有系统效率、结构安全、并网性能、控制策略、环境适应性等几大类近千项测试科目,其中以传动链(含机械传动链和电气传动链)设计和实验验证最为复杂,如何精确模拟并实现六自由度载荷下的整机及传动特性,如何精确测得整机及传动链及各子系统的参数,国内风电行
9、业还有一定的路要走。实验目标:风建立从市场-产品-设计-验证端到端的需求传递和验证过程;构建系统的三级仿真和验证体系;技术难点:通过测试数据和仿真数据打通和验证,明确设计基线和设计模型;采用集成的多学科优化环境,对复杂的风机模型进行多目标全局系统优化和鲁棒性优化设计,支撑健壮的优化设计;实验价值:构建完善的从需求、架构、设计、仿真、试验等核心模型的管理运行环境平台和MDO优化平台。PLM多专业协同设计仿真工具物理样机试验台架试验报告试验大纲仿真报告ALM模型AIAI需求设 计仿 真实 验 GOLDWIND SCIENCE&TECHNOLOGY CO.,LTD.6/632-风电行业试验与验证风电
10、传动实验台建设必要性分析(现有实验条件不能匹配业务需求):要想了解设备是否稳定可靠测试是最有效的验证手段,区别在于我们是把机组放在实际环境下花费几年甚至更长时间才能获得所需的各种性能测试结果,还是可以通过仿真模拟+整机传动实验平台模拟所有风工况用2-3个月完成所有验证。国际试验现状1:德国弗劳恩霍夫研究所IWES六自由度实验台(20MNm)、丹麦可再生能源LORC六自由度实验台(35MNm)3、美国克莱姆森大学SENL六自由度实验台(50MNm);国内试验现状2:国内的实验系统相对功能单一,多数不具备六自由度加载能力(华东区域某实验台具备(简易)六自由度加载能力),如华南区域某实验台、华东区域
11、某实验台等;金风试验现状:金风科技于2012年首次建设6MW单自由度拖动实验台,后2018年建设8MW单自由度拖动实验台(于2022年扩建为20MW),于2022完成六自由度实验台建设。序号名称功率系统参数1德国弗劳恩霍夫风能源及能源系统技术研究所(IWES)10MW扭矩8.6MNm,弯矩20MNm,径向力1.9MN,轴向力1.9MN,加载频率2Hz2丹麦可再生能源中心(LORC)10MW扭矩10MNm,弯矩35MNm,径向力3MN,轴向力2MN,加载频率2Hz3英国国家可再生能源中心(NAREC)15MW扭矩14.3MNm,弯矩56MNm,径向力8MN,轴向力4MN,加载频率2.5Hz4美国
12、克莱姆森大学修复研究所(SRNL)15MW扭矩16MNm,弯矩50MNm,径向力8MN,轴向力4MN,加载频率1Hz图4 华南某公司5MW但自由度实验台图2 英国国家可再生能源中心NAREC 15MW六自由度图3 华东某公司2.3MM单自由度实验台图1 德国弗朗霍夫研究所IWES 10MW六自由度整机商拖动能力自由度实验对象现状分析华南某公司YJ5MW单自由度整机国内多家风电整机企业建设了地面试验系统,包括1.5MW、3MW 及 6MW 等不同功率等级;国内的试验系统测试功能相对简单,普遍不具备6自由度加载能力;国内还没有类似欧美国家建立的大型风电机组全尺寸传动链公共试验系统西南某公司FQ10
13、MW单自由度整机华东某公司DT2.2MW单自由度整机1-2:数据来源与网络,仅做为方向性参考3:网络数据知丹麦可再生能源正在建造25MW(85MNm)六自由度实验台,官方信息暂无 GOLDWIND SCIENCE&TECHNOLOGY CO.,LTD.7/632-风电行业试验与验证风电传动实验台建设必要性分析(现有实验条件不能匹配业务需求):要想了解设备是否稳定可靠测试是最有效的验证手段,区别在于我们是把机组放在实际环境下花费几年甚至更长时间才能获得所需的各种性能测试结果,还是可以通过仿真模拟+整机传动实验平台模拟所有风工况用2-3个月完成所有验证。国际试验现状:德国弗劳恩霍夫研究所IWES六
14、自由度实验台(20Nm)、丹麦可再生能源LORC六自由度实验台(35Nm)、美国克莱姆森大学SENL六自由度实验台(50Nm);国内试验现状:国内的实验系统相对功能单一,多数不具备6自由度加载能力,如华南区域某实验台、华东区域某实验台等;金风试验现状:金风科技于2012年首次建设6MW单自由度拖动实验台,后2018年建设8MW单自由度拖动实验台(于2022年扩建为20MW),于2022完成六自由度实验台建设。图1 金风科技6MW单自由度拖动实验台图2 金风科技20MW单自由度拖动实验台图3 金风科技16MW六自由度实验台整机商/机构名称地址拖动能力自由度实验对象JHST35MW+六自由度整机/
15、系统/部件DKYFQ25MW六自由度整机/系统/部件YJJY18MW六自由度整机/系统/部件DQDY30MW+单自由度,预留六自由度接口整机HZDY20MW+单自由度,预留六自由度接口整机ZF比利时Lommel30MW(2台,如图)六自由度整机/系统/部件表1 未来3年全球范围六自由度整机实验台建设规划11:数据来源与网络,仅做为方向性参考 GOLDWIND SCIENCE&TECHNOLOGY CO.,LTD.8/633-六自由度试验护航风电-3.1金风科技六自由度试验台图1 16MW传动实验台效果图图2 双拖动电机设计实物图图3 六自由度加载系统设计实物图拖动系统:两台8MW拖动电机同轴运
16、行,主机采用转速控制模式,从机为转矩控制模式,实现Mx的加载;双电机拖动技术可以实现小功率下的单电机运行,大功率下的双电机运行,实现精益化设计和运行;六自由度加载系统通过多组油缸、两组滑动轴承以及补偿联轴器实现Fx、Fy、Fz、My、Mz 5个自由度的加载;可进行单独加载,也可进行组合加载,包括进行正弦波、锯齿波等各个类型的载荷加载,结合拖动系统给定扭矩,实现6自由度加载。环境模拟系统通过温度范围-5085、精度0.2、湿度20%R.H95%R.H、水平方向振动加速度1g的耦合设计实现3+1环境模拟试验能力。金风科技16MW风电整机传动试验平台是集机械、电气、液压、控制、环境、网荷为一体的机电
17、传动综合测试平台,致力于大型风电领域的技术创新、设计验证、可靠性评估、故障模拟复现、标准突破等研究1:国际领先:该平台由金风科技自主设计建造,占地60亩,总投资5.2亿元,是国际领先的六自由度风电整机传动实验平台,填补了国内空白;主要参数:叶轮转速范围:020r/min、被试机组容量:1MW16MW、电压等级:690V、900V、1140V、3300V、弯矩:70MNm、扭矩:20MNm;主要特性:风工况模拟:模拟叶轮吸收的风能和作用在叶轮中心的扭矩、弯矩、力(轴向力、径向力)等;环境适应性模拟:模拟变流器周围温度、湿度变化以及冷却系统温度、流量变化。注:风机是立体旋转的、承受20年复杂工况的
18、机械系统集成产品,结构耦合复杂;单一部件测试无法实现系统的最优,样机测试无法短期模拟极端工况。因此,全域验证体系一定要包含最为重要的系统级别实验台,保障高保真数据加载有的放矢1:数据截止2022年12月31日 GOLDWIND SCIENCE&TECHNOLOGY CO.,LTD.9/633-六自由度试验护航风电-3.1金风科技六自由度试验台双电机1:数据截止2022年12月31日可拖可发水冷系统测量系统控制系统环境系统16MW传动实验台效果图金风科技16MW风电整机传动试验平台是集机械、电气、液压、控制、环境、网荷为一体的机电传动综合测试平台,致力于大型风电领域的技术创新、设计验证、可靠性评
19、估、故障模拟复现、标准突破等研究1:国际领先:该平台由金风科技自主设计建造,占地60亩,总投资5.2亿元,是国际领先的六自由度风电整机传动实验平台,填补了国内空白;主要参数:叶轮转速范围:020r/min、被试机组容量:1MW16MW、电压等级:690V、900V、1140V、3300V、弯矩:70MNm、扭矩:20MNm;主要特性:风工况模拟:模拟叶轮吸收的风能和作用在叶轮中心的扭矩、弯矩、力(轴向力、径向力)等;环境适应性模拟:模拟变流器周围温度、湿度变化以及冷却系统温度、流量变化。GOLDWIND SCIENCE&TECHNOLOGY CO.,LTD.10/633-六自由度试验护航风电-
20、3.2护航风电图2 传动系多体动力学分析示意图图3 加载系统示意图传动链是风机设计的核心,其可靠性直接影响整机运行可靠性,全尺寸地面试验系统是检验传动链设计合理性和可靠性的重要手段,也是实现其技术快速迭代和产品快速升级的有效途径:传动链动态特性验证:模拟由风机叶轮吸收风能后作用与传动链上的扭矩、弯矩、推力和径向力载荷,并对系统耦合特性进行验证;主轴承性能验证:对启停机、idling工况、负剪切、极限载荷、疲劳载荷等工况进行模拟,验证主轴承在滚子设计、滚道设计、保持架设计、热处理选择等方面的合理性;齿轮箱性能验证:对扭矩下的不同工况及扭矩+弯矩下的不同工况进行模拟,验证齿均载、齿疲劳、润滑、噪声
21、、温升等方面的合理性;底座性能验证:对不同扭矩、弯矩、推力、径向力载荷下的多体动力学特性进行模拟,验证不同支撑结构(即底座)对系统耦合的影响。图3 轴承轴瓦示意图图1 某风机运行过程中传动系振动视频(放大)GOLDWIND SCIENCE&TECHNOLOGY CO.,LTD.11/633-六自由度试验护航风电-3.3护航风电-验证案例-全滑传动链测试-反复启停验证滑动主轴承因其单位直径承载能力大、可维护等优点,是未来大兆瓦海上机组轴系的最佳选择:油膜压力验证:如图1所示轴瓦处油膜压力在启停机过程中变化明显,其运行稳定后的压力分别为60bar(8#轴瓦)和30bar(9#轴瓦);随启停过程呈规
22、律变化,与动压滑动轴承理论设计体系相一致;扭矩驱动变化:如图2所示第一次启动时的扭矩最大值为200kNm,后面每个周期的启动扭矩最大值在150kNm10%范围内波动,分析认为这是因为在第一次启停试验时轴瓦表面形成了油膜,而在后续启停试验开始时油膜仍然存在,降低了机组启动所需扭矩的阈值,所以启动扭矩最大值减小。00500600700011扭矩/kN m周期数图1 前径向轴瓦油膜压力曲线图2 驱动扭矩变化曲线 GOLDWIND SCIENCE&TECHNOLOGY CO.,LTD.12/633-六自由度试验护航风电-3.2护航风电-验证案例-全滑传动链测
23、试-Idling工况验证图1 正常润滑与无润滑下的前径向轴瓦油膜压力曲线正常润滑无油润滑正常润滑无油润滑图2 正常润滑与无润滑下主推力轴瓦油膜温度曲线滑动主轴承因其单位直径承载能力大、可维护等优点,是未来大兆瓦海上机组轴系的最佳选择:油膜压力验证:如图1所示正常润滑阶段当进入无油润滑阶段后,前轴承9#轴瓦油膜压力无变化,但前轴承8#轴瓦油膜压力变化幅值增大;无油润滑进行三十分钟后,前轴承9#轴瓦油膜压力先减小,约十分钟后突增到70bar,后保持稳定,而前轴承8#轴瓦油膜压力先缓慢减小,三十分钟后突降为0bar;油膜温度验证:如图2所示正常润滑阶段温度无明显变化,无油润滑阶段油膜温度略有上升,增
24、加约3,说明短时小转速对(PEEK涂层的)滑动轴承温度影响很小,主要是因为PEEK材料短时无油下的耐磨性优于金属材料所致。GOLDWIND SCIENCE&TECHNOLOGY CO.,LTD.13/633-六自由度试验护航风电-3.2护航风电-验证案例-全滑传动链测试-负载下的轴系稳定性验证图1 轴系位移变化曲线图2 弹性支撑位移变化曲线滑动主轴承因其单位直径承载能力大、可维护等优点,是未来大兆瓦海上机组轴系的最佳选择:轴系位移验证:如图1所示加载后主轴输入端和输出端径向位移均增大,输入端轴向位移减小,输出端轴向位移增大;弹性支撑验证:如图2所示加载时三个方向上的位移均增大,最大位移为竖直方
25、向,最大为126个微应变,满足设计要求。序号测试位置加载前传感器数值加载后传感器数值加载后真实位移值启动后位移幅值1主轴输入端径向位移24.518.56.040.32主轴输入端轴向位移-218.5-213-4.53主轴输出端径向位移92.590.81736.44主轴输出端轴向位移-14.9-19.34413.6序号测试位置加载前传感器数值加载后传感器数值加载后真实位移值启动后位移幅值备注1弹性支撑水平位移1248044294叶轮看向机舱,右侧弹性支撑2弹性支撑上下位移3弹性支撑轴向位移78688397328 GOLDWIND SCIENCE&TECHNOLOGY CO.,
26、LTD.14/634-金风科技全域试验体系及试验生态系统级实验部件级实验材料级实验材料实验室绝缘实验室环境实验室电气实验室无损实验室理化实验室偏航变桨实验台全尺寸叶片实验台金风16MW实验台金风8MW实验台场网级实验天翼实验风电场外部实验风电场5级软实力/孪生仿真突破标准用料最优突破边界性能优化突破约束系统最优突破耦合场网最优14级-硬实力/实验物理层级每个人都知道,要想了解设备是否稳定可靠,测试是最有效的验证手段。区别在于我们是把机组放在实际环境下,花费几年甚至更长时间才能获得所需的各种性能测试结果,还是可以通过仿真模拟+整机传动实验平台模拟所有风工况,用2-3个月完成所有验证:全域试验:1
27、4级物理层级突破标准、边界、约束,解构风、机、场、网、环的耦合关系;5级孪生仿真层级固化认知、沉淀经验、实现整机最优设计、运行;试验生态:通过与供应商、第三方建立合作机制,推动实验资源共享数据共享,达到提升全行业效能的验证目的,对测试生态圈进行规划(内部生态、外部生态);15 GOLDWIND SCIENCE&TECHNOLOGY CO.,LTD.新疆金风科技股份有限公司XINJIANG GOLDWIND SCIENCE&TECHNOLOGY CO.,LTD北京金风科创风电设备有限公司BEIJING GOLDWIND SCIENCE&CREATION WINDPOWER EQUIPMENT CO.,LTD