远景为什么

　　
　　事实上，2016 年年底，远景2.X MW 发电机就已在多个风电场运行了。而且，其更高性能的发电机也正在测试中，有望于2018 年上半年在风电场小批量投入运行。
　　
　　回到已在风电场运行的远景2.X MW 发电机上，专业人士可从它现有的技术亮点上感知到它的客户价值。“这款发电机适用于2.1MW至2.5MW 的风电机组，设计理论寿命超出22年，绝缘设计理论工作寿命远超30 年，短时过载能力1.1 倍，极限工况下超发能力大于国内主流电机产品，且能满足电网正负10% 及无功工作需求。” Kurt Andersen 先生透露，发电机总体损耗比常规发电机损耗减少约20%，整机年发电量预计可提高1%。在性能对比上，远景发电机有5 项关键性能指标优于全球知名品牌的同功率发电机。
　　
　　从风电整机系统设计优化的角度看，发电机应当是一个能与系统互动的大部件，而不是整机组装中的一块积木，“无论是机械传动链的轻量化，还是电气传动链的效率提升，发电机都可以扮演关键角色。”在Kurt Andersen先生看来，“远景认知发电机的最大价值在于，将发电机置于风电场的风频分布场景，通过整机系统的优化挖掘发电机的潜力。”
　　
　　也就是说，远景发电机是风电整机平台上一个不断被优化的变量，发电机的认知与研发始终处于“平台变量”这一纵向的维度中。比如，充分利用齿轮箱的变速比来抬高系统转速，以降低发电机的变频器侧电流，按照这样的方法，即使在增加发电机功率的情况下，也能保证变频器容量不需要发生变化，并可以在电网恶劣的工况下将发电机电流控制在足够的水平。“实现这一点，只需要用较少的成本改变发电机的短板部件即可，其更大价值在于，将齿轮箱和发电机做到最优的选型和设计，就可以抬高整机的输出功率，并能在大功率下使用低一个等级的变频器机侧单元，从而降低整个传动链的成本或提高系统的整体发电输出。”远景自研发电机项目主任设计工程师、前ABB 发电机设计高级工程师、前Siemens 风电电机亚太区负责人Yang Jian 这样说道。
　　
　　发电机是把机械能转换成电能的大部件，发电量和成本的平衡是发电机设计优化中最重要的考量因素，这在电磁设计环节尤为明显。在这方面，远景不但有全球顶尖的电磁设计团队，还有自行开发的基于风电场数据的发电机设计仿真工具，它可以产生多个电磁设计方案，“实际上，我们是在几百个电磁设计方案中选择一个最优的方案，这就是软件仿真的力量。”Deng Heng 博士强调了软件对发电机设计的价值。
　　
　　实际上，用软件来定义自研发电机贯穿了发电机的全寿命周期，除了基于功能的设计思路，更重要的是在推动设计朝着更大范围满足客户风电场风况及特殊环境要求的方向演进，不但整机的核心控制系统要掌控发电机的运行行为，发电机也要知晓自身的边界效率。远景自研发电机项目模块管理负责人Ballack Liu举例说，“在开发这款发电机的过程中，自研团队将动力电缆的损耗、变压器的损耗模型以及变频器的协同模型和低风速风电场的风频模型等，全都放到了整机系统软件平台上一同来进行发电机的设计优化，也就是说，从发电机的角度选择一个最优的发电机设计方案。”
　　
　　很微妙，发电机的设计是通过传动链上的不同部件、不同模型来实现最优发电量功能的，它不再是块冷冰冰的积木，而是变得更有灵性。比如，远景发电机可以根据自己对温度的掌控情况，在某个风速时段决定自己的超发时间，而又不影响自己的寿命，还可以根据绝缘性能算法来预测自己的绝缘寿命。
　　
　　显然，这是整机系统下软件定义发电机设计的结果，这也反映在可靠性设计和寿命测试验证环节中。在这款发电机可靠性设计上，自研团队进行了超过45 项设计及工艺优化，将各个子系统上的精细化做到了极致。“这款发电机经历了地面型式测试、加速老化测试和风电场运行磨损验证，完全印证了它的可靠性，我们坚信它的寿命会超过20 年！”提及发电机寿命测试，YangJian 列举了一组数据：地面型式测试项目超过100 项，加速老化测试时间超过20000 小时，样机在风电场运行3 个月无一例故障。
　　
　　稍微展开点说，通过对发电机、减震器和安装支架系统层面进行的固有频率多阶仿真，以确保这款发电机的工作转速频内没有共振点，模态测试和整机的振动测试结果也表明了该发电机工作转速下的极低振动幅值，这使得发电机具备更高的超速能力和更长的轴承寿命。
　　
　　更需要补充的一点是，远景自研发电机团队通过3 种测试方式分别对3 台发电机的剩余寿命进行了测试验证，三组数据的比对情况足以成为这款发电机20 年使用寿命的例证。
　　
　　为什么要登上齿轮箱设计的制高点
　　
　　远景要登上齿轮箱设计制高点的逻辑在于这家公司的人才优势。
　　
　　远景内部文件显示，全球齿轮箱领域里的15 位顶尖开发设计专家和30 位工艺质量控制专家汇聚远景，就是“为了开发制造行业领先的齿轮箱产品” 。
　　
　　远景自研齿轮箱项目经理 Joey Fu表示，“正是全球化齿轮箱团队的存在，远景才在这一目标的实现上信心十足。”团队中可以透露的成员是Claus Kurt 和Jorget Nielsen，他们都有超过30 年的风电行业经验，都是风电齿轮箱和轴承专家，又都在全球知名公司担任过传动系统和齿轮箱技术负责人，取得过非凡的业绩。比如Claus Kurt，2010 至2013 年间，他在英国LORC-Landoe Offshore Renewables Center 主持设计了当时最大的海上10MW 风电机组测试中心，引起全球关注。
　　
　　Joey Fu曾任GE 风电工程部齿轮箱团队主任工程师，作为远景自研齿轮箱项目开发设计团队和工艺质量控制团队的“衔接者”，一直到2017 年8 月中旬远景2.X MW 齿轮箱小批量交付运行以后，他才感到自研这事儿走到了一个比较明亮的时间节点。
　　
　　值得关注的是，这款齿轮箱的两个性能指标，一个是高出行业产品20% 的变速比，这不但为结构件、叶片和发电机降本提供了可能性，更重要的是扩大了机组发电风速的区间，尤其对低风速风电场电量提升更显著；另一个是高出行业产品10% 至15% 的功率密度，这意味着齿轮箱轻量化上的技术进步。
　　
　　事实上，远景自研齿轮箱是基于风电发展趋势的考虑。
　　
　　齿轮箱是风电机组的关键部件，随着单机容量的逐渐增大，它不但可能会成为传动链中可靠性相对薄弱的一个环节，而且齿轮箱的可靠性与轻量化之间的矛盾也日渐突出，需要更先进的设计理念和技术来解决当下的矛盾，真正设计出又可靠又轻量的齿轮箱。作为低风速风电的开拓者和领导者，远景通过大量低风速风电场案例数据分析发现，齿轮箱在低风速风机传动链上的效率仍有潜力可挖，尤其在与高塔筒、大风轮智能风机系统协同优化上也有较大空间，而现有齿轮箱在性能上有所不及，开发更高效率的齿轮箱是风电趋势所需。
　　
　　一直以来，在齿轮箱的选择上，远景坚持使用全球知名品牌，但遗憾的是，外购难以打开的成本链以及在分享部件微观参数上的受限，不但无法改进供应链的成本管理，也不利于整机系统设计上的优化，正因为如此，远景必须要通过自研来彻底打开齿轮箱的黑盒子，进一步拉低齿轮箱在整机成本上的占比，提升整机系统的性能。
　　
　　那么，选择何种技术路线的齿轮箱以及进行哪些全生命周期的齿轮箱测试验证才能保证远景自研齿轮箱的可靠性，就成了项目团队要解决的重大问题。远景自研齿轮箱项目开发设计团队核心成员、远景整机机械总监、前GE风电工程部中国区总监、前GE 风电全球齿轮箱联合开发项目技术负责人和首席工程师Jim Li 透露，“远景在齿轮箱失效模式数据挖掘、成熟技术路线优化和极严测试验证这三个环节投入了大量的人力和财力，保障自研2.X MW齿轮箱的质量可靠性和技术先进性。”
　　
　　可以说，远景在齿轮箱失效模式数据挖掘上有其独到的优势，除了通过使用全球知名品牌的齿轮箱直接获得失效模式外，远景智慧风场平台上还接入了巨量的风电场资产，通过大数据分析可挖掘出齿轮箱的失效概率，形成最全面的潜在失效模式及后果分析，并在开发设计阶段予以规避。
　　
　　“失效模式的分析结果表明，成熟的技术路线是风电齿轮箱可靠性的支撑。”Jim Li 说，“远景自研齿轮箱采用最经典、最成熟、应用量最大、经验沉淀最丰厚的一级行星二级平行齿轮箱结构，被优化的齿轮参数和大重合度设计，进一步提升了齿轮箱的效率，而且降低了运行噪音，确保了最优的整机运行工况和发电效率。”
　　
　　值得注意的是，这款自研2.X MW 齿轮箱的大速比和高功率密度比，在一定程度上成为了低风速风机系统大部件之间产生化学反应的催化剂，而更宽的发电风速区间、更高的发电性能、更低的运行噪音，实际上是让高塔筒、大风轮风机友好靠近城市和居民区的定制化设计。通常来讲，大速比会造成齿轮箱体积增大，但通过先进的齿轮参数优化设计，不仅可以做到大速比，还可以减少齿轮箱的重量，提升功率密度比。不过，这就需要先进的齿轮箱设计技术了。
　　
　　Jim Li 透露了两点，一点是系统完善的设计，另一点是整机系统场景下的设计优化，前者包括采用全球最先进的齿轮箱设计标准以及软件工具，后者包括整机系统多体动力学分析、传动链整体有限元分析，也就是说，在远景这里，齿轮箱设计不只是齿轮箱自己的事了，还要跟整机系统以及其他部件产生一番化学反应，最终形成优质基因。实际上，远景自研齿轮箱项目团队把齿轮箱设计的边界扩大了，被打开的黑盒子就在整机系统中有了话语权。当制造出具体的齿轮箱产品后，远景的项目团队还对这款齿轮箱进行了极其严格的全生命周期的测试验证，比如在+200% 到-183% 极限工况下的极限载荷测试，还进行了延伸寿命破坏性试验，以此发掘齿轮箱的潜能。
　　
　　在淡定的远景全球齿轮箱研发团队看来，远景自研的齿轮箱就应该如此。