风电场技改与优化专场——埃斯倍风电王家礼：BladeVision桨叶全风域测量系统

　　埃斯倍风电科技（青岛）有限公司项目总监王家礼出席“第五届中国风电后市场专题研讨会”，在风电场技改与优化专题论坛，分享题为“BladeVision桨叶全风域测量系统”的主旨演讲。

　　王家礼： 谢谢大家，很荣幸参加后市场的会，跟大家学习到很多地希望和大家讨论学习新的技术和新的理念，这两天我感受比较深，大家普遍讨论一点现在的系统我们风机变得越来越智能，整个运维市场校正性的运维逐渐向预测性的运维。还有这种事前性的运维在发展，这是一个趋势，大家后面会越来越觉得智能化越来越强，最后到无人值守这样的方向。

　　我今天讲的内容叫BladeVision，浆叶的状态和全风域测量系统，演讲内容三块，一个是叶片的状态检测，我要跟大家分享一些数据一块讨论，还有全风域的功能，跟风场和风机性能提升有关，最后介绍一下我们公司谈后市场运维改造的方案。

　　首先要讲的内容，我们的功能是什么，它是实时在线测量叶片的形变、叶片的强度、叶片的载荷，还有全风域的功能是用光学的方式装在叶片的内部，数据采集的频率是40赫兹，里面有大容量的计算机。

　　BladeVision的特点是叶片多点测量，很多是叶根上放这种压力片，有金属的转嘎其，还有类似于光学的传感器，大部分是一个点不能在叶根上，现在至少是4个点，最长的长度能到叶片一半的长度，可以测叶片的形变、载荷、扭转，Torsion是市场上唯一能够测叶片扭转的产品，还有旋转位置、旋转速度、加速度等等，全风域包括风速、风向、风顺转等等。你及时在风场有比较精准的测风的设备放在那，它也未必能够表示出整个风场的风况，所有的风机很难以偏概全解决掉。这个高级版本里面主要是对风机的功率曲线，风机的性能，以及风机哪些方面导致发电量低的情况给出一些原因。

　　现在这个产品已经有八九年时间了，2012年开始到现在有这么多的样机，德国更多一点，最大是128米叶径，现在经过几年的储备，我们终于在今年向德国的OEM厂商投入商业量产，并作为其未来3年内风机主推功能之一，有一个协议不能在国内上市。

　　BladeVision是德国“智慧桨叶II”项目（2017-2019）主要的测量系统（包括扭转和载荷）这个项目是我们项目对自己的肯定，该项目参与者还有德国两所大学，德国航空太空中心（DLR），众多整机厂商 GE, Enercon, Nordex, Senvion。自2017年10月份正式推向国内以来，已经与两家排名前五的着名OEM整机厂商展开项目样机合作正在洽淡当中。

　　主要功能的延伸，这是一个作用，我们能提供载荷信息和叶片周期性的形变信息，这个作用可能用在独立变浆，机组状态的检测，我们上个月去内蒙的风场他们的叶片有折断的现象，远负责达到报废的年限，为什么会出现这种情况？形变能够帮他解决很多问题，还有载荷信息和叶片的扭转信息，扭转也会造成很大的损害，还有叶片的强度信息，强度信息如果疲劳载荷过大或者是怎么样，会影响到你整个风机的安全。还有决定变浆角度这个是很有意思的问题。现在比较热的智能风场群控的分析，主要是尾流的影响，还有为24小时功率预测提供全风域的数据支持。

　　这是我们的硬件，在浆叶的隔板那装了一台摄像机，摄像机面向叶片的尖部，装了很多反光片，大家看到有一个很亮的地方，有四排照过去，这是装在叶片的上缘，上部。取决于具体叶片的形式，相机是长这个样子的，他会在没有载荷和有载荷的时候会分成不同的图像。空间的分辨率怎么样？24米处能够检测到300微米的便宜，这个精确度非常高，叶片扭转0.006度，测量频率非常高40赫兹。

　　我们看怎么实现，这是系统的脱铺图，每个叶片里面装一个照相机，这个是防雷，这个是以太网，最后传到工业计算机，对属于进行汇总和处理，有一个传感器，摄像机里装了很多传感器，整个系统放在轮毂里，可以通过wifi的形式和主辅系统进行交互。这是我们的相机换成了红色，参数没有什么可讲的，里面有三轴的加速传感器和三轴的陀螺仪。

　　这是工业计算机，内蒙他们也用GE的，里面主要是说数据存储包括长达20年完整的等效疲劳载荷历史数据这个有用，通讯可以跟主控或者是其他系统的交互通过它完成，有CAN和以太网通讯。

　　这个是浆叶，装在叶片里面的东西，有一些设计及差不多有8年的时间。再讲偏移和载荷，也就是它的形变，问题是便宜形变受到约束，或者是它受力不受力的情况下它弯曲使得叶片不能放在尖部，也有一个双向级的方案，在浆叶一般的地方会再放一个相机，个可以达到叶尖、叶根开始75%的位置，已经非常高了，对浆叶的控制来说，扭转是一个新的重要的因数，他们发现7MW的扭转非常严重超出他们原先模拟的数据，所以也有一个合作在里面。

　　主要里面有一个基本常识性的问题讲解，就是假如说这是一个叶片的剖面，中间是副板，如果完成完整的话扭转是非常坚硬的，不容易把它扭动，但是如果这个地方出现缝隙那么这个点可以，这个点是不可以的，它会偏移超出它的设计，你的气动会有很大的不同，风机的安全会受到很大的影响，这是一个在欧洲涉及的数据。大家可以看到在这个地方叶片2和3在整体的分布上来看，是不同颜色代表哪一的点，2和3这个点分布颜色基本相同，叶片1在高风速有一个严重的偏离，就是说叶片2和叶片3表现出叶片1非常大的差异，你整个叶片的形式都会产生非常大的影响。这是很重视的，很有意思的问题。

　　叶片现在越来越大，越来越长，但是越来越轻，就是它的刚性变得越来越小，更多是在追求一种新的材料，一种新的安全系数有一定程度的降低，那么也就意味着其实在它的偏移形变上会越来越大，这种超时也会越来越大，这种弯曲度也会变得越来越大。大家可以看到最远处的反光片表现出来的一个变化，在这种情况下绿色还好一些，倒数第二个反光片表现出来的变化还好一些，最远处的24米，也就是在叶片一半的地方会表现出来一个高频的产振，这种振动，产振是什么概念呢？我发现一个视频，在飞机起飞或者是降落的时候遇到一些气流，那个飞机的翅膀在高频的颤抖，最后机翼折断，所以对于浆叶来说一样，也是一样气动的表现形式。

　　它会有高速过去以后一边是压力测，一边是吸力测，这种情况下飞机的翅膀是一样的，同样表现出来叶片也会出现这种情况，叶片长期如果经过这种工况的情况下我相信它的寿命会受影响，对机组安全也是一个很大的隐患，我们有一个概念就是ATC，我们设计产振的门限，如果监控达到这个门限的时候会让你避开这个危险的区域。

　　这个是一个显示，现在很多系统用的载荷的测量，载荷能告诉你现在发生的这种变化吗？不能。同样一个点上载荷在这个点上没有出现高频的问题，大家还是很正常该怎么走怎么走，但是形变上非常密集地出现大幅度的产振，也就是光学的形变能告诉我们一些信息。

　　跨度内的叶片强度，这个不是数据，是模拟的一个数，5米、10米、18、24，这个越小叶片的温度性气动都会好一些，我们认为5%以内的强度离散差异可以看作好的叶片，这是对叶片的要求。我们提到载荷，载荷我们首先会用相关重力的方式得到载荷的过程，有个校准的过程在样的强度上。也就是说整个叶片在空载的时候会有不同角度下会完成一个重力的检测，从而自动地校准，不需要我们特地做这个事情。主要是当风速<4米/秒，旋转速度小于12度/秒时，可以完成校准。

　　下一个是面向的力矩，这个力矩比其他两个大一些，这个是实际的数据，同样的风素下第二个浆叶比其他浆叶大一点。载荷精度我们系统看得比较直观一点，主要是跟应变仪比较，我们可以同时提供叶片载荷和旋转位置，越来越多人要降载荷，包括卡孔机组有一定的作用，要独立变浆怎么样，我们要提供叶片载荷和旋转位置高精确度的同步，他们现在提供变浆和载荷信息不能提供精度。

　　这个是寿命问题，是系统里面对叶片的等效载荷进行一个统计，一个是雨流的统计，这个等效载荷有什么作用？它每天会把数据采集存储到服务器里。延长风机使用期限的说明，刚才苏工讲到一个问题，欧洲的风场现在都做了延寿的要求，或者说你先达到了那个时间的寿命，业主说我想继续用我的风机，因为我觉得它还能够继续运行下去，我想让它技术运行，部门会问他你怎么证明这台风机还可以继续走下去，你需要给我证据，现在就遇到这种情况，很多人没有证据，我这个风机我怎么知道，没有人知道，或者我怎么知道哪个数据，业主也很困惑，有了这个东西对叶片有非常大的帮助，告诉我们监管部门说我们风机开始运行到第20年的时候整个叶片的疲劳没有发生大的变化，或者说现在整个机组，因为叶片的载荷某种程度上也在反映他机组上其他的变浆、载荷的状况，所以它可以作为非常重要的依据，这个依据会有所帮助。

　　下一个问题变浆不平衡，变浆不平衡有一个问题，现在我们相机里面有三轴的陀螺仪，回跟整个旋转轴有一个角度，旋转轴是这个角度，相机会有一个安装的位置，每个浆叶会自动校准自己的位置，这个位置最远处的也品赏，你现在这个角度和三个浆叶不平衡或者是平衡的。2016年参加风展遇到挪威丹麦的公司做了光学的测算，就把高清的相机放在塔下照这个浆叶，可以校准三个变浆角度不平衡，他可以给我一个数字，我说你们有这个市场吗，有这个必要吗？他说你们中国尤其严重，平均是2-3度的差别，我觉得不会有这么大吧？他说有碰到8度的。三个浆叶角度差到8度是什么概念？很难想象，如果三个浆叶角度不平衡会因为到叶片的载荷，甚至是机组的载荷，主轴的载荷一系列的载荷都会被影响。

　　我们系统对于这个问题可以进行独立的校准，我们就用自己的系统告诉你三个浆叶是不是平衡的，这个是新的叶片怎么装，我们产品在新叶片和存量市场都可以，这个变浆角度一致性的数据。优势直接测量监控叶片变桨角度之间的差异。消除导致能量损失和疲劳载荷增加的不对称。

　　其实我们讲风不仅是风，不仅是风速和风量，有7个衡量，风速、风向、风顺转、垂直风切变、水平风切变、垂直速度，这7个组成了风存在，我们可以测什么呢？不知道，或许大家也不关心。

　　主要一个问题它怎么完成的，我们怎么来测这7个风量，我们有一个激光雷达装在导流罩的前方，它和这个BladeVision装上去以后要进行一个关联，要进行一个基因图谱或者是人工智能识别的关联，这两个东西建立关联以后建立风机模型图谱，一种风机一种机型只需要做一次，其他只需要做简单校准就OK了。

　　这个雷达是我们买的改装的雷达，他们是一个专有的雷达，超过190个点用于单个（瞬时）风域的重构，埃斯倍自主算法，远比2光束或4光束激光雷达准确和完善，在直径的地方先旋转，把这个面扫过来，四分之三的直径扫一次，二分之一扫一次，会不断循环，最终纳入到系统内的算法。这个雷达比较贵。

　　然后是一个算法，我们把雷达测风拿掉我们怎么得到风，这是动态的算法，拿到了这些以后用刚才建立的基因模型的图谱以后得到这七个风量，当然还有校准的过程，每个风机和风机不一样。

　　这个是德国最早2012年的试验是在秋天，德国的地深都没有东西了，当时第一排雷达装在两个叶片中间的导流罩的位置上，当时是吊装。试验的结果就是这些，我们用雷达当时做完校准以后有一个对比，红色是激光雷达当时测出来的，测完以后用激光雷达测红色的线，蓝色是用BladeVision做出来的，每小时的切合度非常棒。这是旋转风向，风向的一个对比，30分钟内一个风向的对比也会非常棒。

　　我们做了一个试验，想验证我们的系统极端情况下会怎么样验证一下，我们当时把我们风机上的风向标认为地扭了14度，然后BladeVision工作一段时间，看看我们BladeVision测得的角度是多少，就会发现蓝色的还是BladeVision，红色的还是Lidar，风向的测试方法比较不错的，垂直的参数量也非常好，这个风向要干吗？

　　也就是精确的功率曲线，主机厂会告诉你我的功率曲线是非常棒的，我们可以有一个非常陡峭的爬坡，谁能证明？IEC有标准你得出一个方法，谁能告诉我，你很难讲到底是哪个，七种标准什么情况下拿出来和我产生的功率进行比对？把它摘出来可以，可是如果没有这七个风量找谁不知道。

　　这里面有一个问题就是说这是实际测得的一个数据，蓝色的是BladeVision的一个数据，然后深蓝色是厂商的数据，这两个拿出来以后会比较契合，还算不错。这是欧洲游一个规定夜间噪音的控制，欧洲到夜晚以后有分贝数，这个风机在乡村附近，要求45分贝以下，BladeVision也能测到这个东西，证明是不错的。

　　然后是整个风场性能的监控，对于单机来说测准了以后风场可以通过群的分析得出来，我们总是说要集群监控、智能，有了这些数据可以做更多的工作，山东日照的工厂非常有意思，比较近，第一个风机满发第二个风机肯定不满发。实际上就是一种尾流的干扰。理论上来说我们在做智慧风场也是做这样的控制，我们如果做集群控制的话，可以预测出来某一个风向尾流会有多大的风向。

　　这是年发电量的统计，这个风场的边上有这样的一台风机，风场的边上还有一部台，是赶紧的风，有尾流的风，风场中心的风机受到尾流的干扰非常大，这台风机影响会非常大，每台风机会有很大的差异在这里。

　　我们昨天讲到要大家都在讨论的问题竞价上网，一个是增加机组的运行时间，无故障3千小时，3500，现在是2800、2200，我们尽量让它工作在好的状态，让它干更多的活，不让它爬坡。

　　还有一点电不是这样产出来的，还有你要提高发电效率，昨天哪个老总讲的是说欧洲部分的风场比我们产量率更好，同样的风速比我们产电量更高，为什么？主要的原因是什么？主要有切变和湍流的校正，还有偏航误差的修整，还有气动不均衡检查，叶片的清洁度检查，也就是说叶片太脏了，你叶尖有很大的缺痕检测不到，也很难控制，最后找到传动系统的检查，一步一步查到有这些因素BladeVision风的信息可以告诉你准确的这些点可能会在什么地方。

　　其他的收益我们要讲改进的24小时功率预测。昨天电网电科院的秦所长提到一个问题，天气预报，从全球来说全球会有一个这样的预测，云图的分析，全球会搞局部化，比如说欧洲或者是亚洲再出一个细化的，全球的下来之后我局部再有细化的过程。这个比如说20千米，再往下则就是地势或者是怎么样风场会有天气预测的情况，到了风场一平方公里或者是4平方公里的阶段以后再往下走没人再给你预测这些了，那么你靠谁？我们靠猜。

　　这边是一个数据，这个是美国国家再生能源实验室做的一个报告，里边风场大概274台风机做的数据，他要做的数据是在同样的风速情况下整个风场产电量是多少，大家可以看到在这个点上是那些风速，这是总体的产电量，如果画一条线的话比如说8米或者是9米的方向可以产生多少电谁能告诉我？要产生这些电还是产生这些电，这个红色的，我不知道谁能知道，只能靠猜是吗？你的准确度非常差，关联性也特别小，我们现在用的系统靠这些东西，靠功率测的绿色的当前的神经网络转换函数预测风预测在这，发电量在这，刚才看到关联性那么弱准确性谈不了。

　　接下来我们要告诉你BladeVision在这个地方，到这以后风机处每一个风机是什么样的，由这个再往下转，所有这些问题就会暴露出来。这个变浆轴承主要来说是载荷影响比较大一些，比如说一些什么问题，主要做的是变浆角度，包括刚才那些功能的延伸。当日这个问题可能对于某些厂商来说越来越重要，尤其是一些大的公司对这些问题比较严重，比较突出一些。

　　都讲到了我们尽量来总结。基本型是什么，主要是要告诉你到底发生了什么。SSB Wind Systems 德国公司，成立于1970年，1972年德国埃斯倍公司成功开发第一个特别用途的驱动器。1992年德国埃斯倍公司涉足风电领域，开发出变桨系统，我公司的老前辈是它的发明人，1998年德国埃斯倍公司开始大批量生产1.5MW变桨系统，2001年开发出第一台3.6MW海上风机变桨系统，2005年埃斯倍青岛有限公司成立，2007年埃斯倍青岛公司为客户提供第一套超级电容解决方案，为德国客户开发了5MW海上风机变桨系统，2010世界范围内超过17,500台风机安装了SSB的变桨控制系统，2013为韩国客户交付首台7MW海上风机变桨控制系统，2016世界范围内超过30,000台风机安装了SSB的变桨控制系统，以变桨系统为主要产品的埃斯倍，目前也在后市场方向上陆续推出了很多产品，都得到了批量的应用，获得客户的好评，得到了市场广泛的认可，还有对后市场解决方案来说我看有系统改造的方案，包括直流改交流，偏右变浆控制器的改造，控制器、电池升级的改造，电池改电容的改造，零部件、控制器这些，电池电容的健康状态监控，还有高穿的改造，这些对于某些其他品牌的高穿的改造都有。

　　我们公司设立有专门的电源分析实验室，专注研究后备电源已经有5年多时间，做了上万节电池的数据采样和分析。这个电池检测系统大概的组成是每个电池箱里装一个这样的模块，通过这样的方式同通到主控上，由它通过主控这边通过wifi的方式传到机舱，由机舱的以太网通过环网传到主控去。基本的形式就是这样，在截面上有一些电池的状态，不同颜色表示电池处在哪些寿命阶段上，我们60%以下会报警，阶梯的形式，会告诉你整个电池的状态是什么样的，处在哪个周期的什么阶段上，不好意思占用大家的时间。

　　谢谢大家！

　　（根据发言整理，未经本人审阅）