單機容量十幾兆瓦，單支葉片百米長，風機大型化趨勢下，一個又一個大型風機的誕生讓人驚嘆，但同時也不禁讓人產(chǎn)生一個疑問——如何讓這些巨無霸更可靠?金風科技風電產(chǎn)業(yè)集團首席技術(shù)官、總工程師劉河帶來了答案。
“每個人都知道，要想了解設(shè)備是否穩(wěn)定可靠，測試是最有效的驗證手段。區(qū)別在于，我們是把機組放在實際環(huán)境下，花費幾年甚至更長時間才能獲得所需的各種性能測試結(jié)果，還是可以通過‘仿真模擬+整機傳動實驗平臺’模擬所有風工況，用2-3個月完成所有驗證。”劉河說，“答案是顯而易見的。”
正是因為這個簡單的答案，在行業(yè)處于較大壓力的2012年，金風科技下決心、開先河，投資建成了當時風電行業(yè)最大的實驗平臺——6~10MW級別整機傳動實驗平臺，那時候國內(nèi)市場主流裝機機型是1.5-2MW機組。6~10MW整機傳動實驗平臺建成意味著公司已經(jīng)做好了下一代產(chǎn)品的實驗驗證準備。該實驗憑平臺至今已累計完成百余臺次整機測試驗證，形成上千條優(yōu)化項，支持了各兆瓦級機組迭代優(yōu)化實驗驗證。同時，依托實驗的極限工況測試，探索突破了眾多原有限制指標，并先后發(fā)布十余項企業(yè)和國家標準。
隨著風電技術(shù)的快速發(fā)展，嘗到了實驗平臺助推產(chǎn)品創(chuàng)新、提升可靠性好處的金風科技又投資3億多元，建成全球容量最大、檢測功能最齊全的實驗平臺——六自由度16MW整機傳動實驗平臺，可驗證直驅(qū)、半直驅(qū)和雙饋機組的傳動系、發(fā)電機、變流器、電控系統(tǒng)和多域在環(huán)實時仿真系統(tǒng)，具備35MN*m扭矩測量和70MN*m彎矩測量、超過1000個通道實時在線測量、模塊化可擴展測試系統(tǒng)和0-1.5kHz寬頻電量測試等實驗能力。
“相比于集人類工業(yè)文明之大成的汽車行業(yè)，風電機組要求的實驗測試更加嚴苛。汽車行業(yè)只對傳動系統(tǒng)扭矩進行全方位的實驗測試。風電整機傳動系統(tǒng)所面臨的不僅僅是扭矩，還包括彎矩、推力和徑向力載荷等六個方向上的力和載荷，想要模擬風機運行的所有風工況，必須要有具備六自由度實驗能力的平臺。”劉河表示。
讓風機置身真實應用場景中，金風科技16MW整機傳動實驗平臺能夠模擬IEC標準風工況、GL標準風工況和實際風況。同時模擬出風機葉輪吸收的風能和作用在葉輪中心的扭矩，驅(qū)動測試機組旋轉(zhuǎn)，并模擬作用在葉輪中心的彎矩、推力和徑向力載荷，測試主軸軸承承載能力、疲勞特性、運行可靠性，發(fā)電機結(jié)構(gòu)承受力、氣隙變化等。
以發(fā)電機氣隙變化為例，在發(fā)電機設(shè)計中，轉(zhuǎn)子和定子之間的氣隙設(shè)計非常關(guān)鍵，氣隙越小，發(fā)電效率越高，同時可以節(jié)省銅和磁鋼的材料成本。氣隙的大小和彎矩有很大關(guān)系，考慮到變形，在仿真設(shè)計時通常會預留氣隙余量，但是預留多少成為一個難題?預留小了，轉(zhuǎn)子和定子可能會因過載變形而接觸，造成發(fā)電機燒損;預留過大會造成大量冗余設(shè)計和浪費。
借助16MW整機傳動實驗平臺，這一問題迎刃而解。通過逐漸增加彎矩，金風科技的工程師們可以實時測量發(fā)電機的氣隙變化，尋找到保障安全運行前提下最合適的氣隙余量邊界，實現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計。
“隨著實驗測試精度的不斷提高，16MW整機傳動實驗平臺能夠更好地將現(xiàn)場工況與仿真測試相結(jié)合，充分模擬機組現(xiàn)場運行狀態(tài)，在大型化風機創(chuàng)新設(shè)計中識別出真正的短板，同時給真正富裕的地方減負，觸達機組性能的真實邊界。”劉河指出。
16MW整機傳動實驗平臺只是金風科技綜合性清潔能源實驗體系的一部分，再比如穿透至材料端為全尺寸葉片提供靜力試驗、疲勞試驗及主要結(jié)構(gòu)部件試驗的葉片實驗平臺也是這一實驗體系的重要組成部分，它們共同構(gòu)成了金風科技貫穿零部件、子系統(tǒng)、整機、場網(wǎng)四級的完整實驗體系，成為支撐創(chuàng)新與未來技術(shù)發(fā)展的核心動力。今天，該實驗體系正在為風電產(chǎn)業(yè)鏈上的各環(huán)節(jié)企業(yè)提供實驗驗證支撐，促進整個行業(yè)健康高質(zhì)量發(fā)展。
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