2021年电力电子科普征文大赛-鼓励奖作品

上海电气风电集团股份有限公司 朱峻

风力发电作为一种新能源，在全国以及世界范围内的蓬勃发展，对调整能源结构、减少温室气体排放、推进消费革命、建设美好生态家园具有重要意义。

中国已将风电产业列为国家战略性新兴产业之一。在产业政策引导和市场需求驱动的双重作用下，风电产业实现了快速发展，已经参与国际竞争，并取得领先优势的产业。中国已经成为全球风力发电装机容量最大、规模增长最快的市场。

2020年，中国新增风电装机容量71.7GW，累计风电装机容量达到281.5GW。全球的风电累计装机容量702GW。预计2021年中国新增风电装机容量将达65.9GW，累计风电装机容量达347.4GW，预计2021年全球的风电累计装机容量将达766GW。

据统计，全球风力发电机组数量近百万台，中国约占其中的一半，数量庞大。为了降低成本、节约土地资源和海洋资源，风力发电机组的单机容量越来越大，大容量风电机组是行业技术发展的趋势。现阶段的陆上风电场，3MW机型为基本产品，4MW和5MW机组也已经在一些风电场可靠运行。同时，6-8MW容量的风电机组在海上风电场已经成功批量应用。上海电气7MW（SWT-7MW-154）风机在福建的三川海上项目，成为中国首个7MW级批量化、连片化的海上风电场。8MW风电机组已经批量生产。

目前国内多家厂商在研制10MW及以上风力发电机型。东方风电的10 MW海上风机已在福建完成样机，明阳智慧能源发布了MySE11MW-203半直驱海上风机，或是全球最大的半直驱型的海上风电机组。在平原地区，为了更好地利用风力资源，提高经济效益，随着吊装能力的提升，都在使用高塔筒设计。120米高度的塔筒已经普遍使用，140米以上塔筒也市场见诸报道。

国际上，西门子歌美飒（Siemens Gamesa）的14MW海上风机，是已发布的最大海上的风电机型。为其次为GE的12 MW海上风机。三菱维斯塔斯（MHI Vestas）也已拥有10 MW海上风机，挪威一家新能源开发商Zephyr公布了一个GW以上的大型海上风电场项目计划，该项目将同时使用固定式底基和浮动平台，计划采用两种风机配置方案。第一种风机的额定功率高达20MW，风机高度为340米，风轮直径为310米。第二种配置最大功率为15MW，机组高度为260米，转子直径为230米的风电机组。

一般来说，风机容量越大，需要的风轮直径也越大，这就要求塔架高度也越高。高塔架使机组在其安装高程的风速增大，摇摆幅度也增大。导致风机安装维护时，工程难度和操作复杂性明显增加，工作环境的安全风险也成倍增加。

由于风电场大部分位于偏远荒凉地区，环境条件极其恶劣，在遭遇冰雪天气时，人员无法到达现场，不能进行日常维护。一旦发生风机故障，只能停机待修；如果是损坏扩大型的故障，一旦延误时间，甚至会引起叶片断裂，平衡打破后容易引起塔筒的倒塔事故。因此，及时的维修，既可以保障经济效益，也是安全运行的必要手段

海上风电场一般建在海上无障碍区域，人员出海维护，不仅成本高，风险也大。随着高速的风电开发积累，运行风机的总数量越来越多，风机相应的故障数量也日益增加。其中高空火灾、风机倒塌、塔筒变形，该类极端的事故时，后续处理就更加危险了。拆卸和勘查等处理该故障风机的工作危险系数更高，由于故障风机上安全设施会有一定程度的损坏，人员处理时安全基本无法预料。这种情况我们处理特发情况就需要机器人来帮助处理情况了。

针对这些大型的风机，其日常维护和高空维修工作，采用单纯的人员操作，不但作业困难，安全风险巨大。为了改善作业强度，降低安全风险，目前很多维护维修工作已开始试验采用智能机器人（设备）或远程控制来完成操作。

一、变电站巡检机器人

在风电场变电站和中央控制室配置巡检机器人，去完成重复性的，高频率的，或是恶劣环境下的（如夜间、严寒、暑热和风沙等异常天气）运维巡检工作，以保障风电场的正常运行。现在采用的变压器巡检机器人，采用“机器人+固定巡检路线及目标+物联网”的组合应用模式，综合应用红外热成像技术、可见光视频识别技术、复合导航技术以及开放式平台技术等，对电站内各设备进行全方位、全自主检测和智能诊断，实现电站设备隐患的前期预警及后期设备状态评估，保障中控变压站设备安全正常运行。与传统人工巡检方式相比，巡检机器人具有效率高、成本低等优点，真正实现了AI技术与传统运维场景的无缝融合。

图1-2.中控变压站的巡检机器人工作场景

图3.中控变压器巡检用机器人

图4.中央控制室内采用的监测机器人探头

智能巡检机器人的使用，部分实现了运维的自动化，提高风电场的智能化管理水平。将运维人员从繁重的、单调的、可重复的人工巡检中解放出来，促进运维管理基础设施向智能化方向发展，降低工作人员的劳动强度，减少人力成本，并能避免工作环境引起的安全事故。

二、爬壁机器人

使用爬壁机器人，可以完成塔筒的外面清洗、表面修复、标识喷涂、缺陷检测，以及叶片的裂纹检查、缺陷修复等工作。

图5.爬壁机器人工作场景1

图6.爬壁机器人爬行塔筒中

塔筒爬壁机器人，为风机的高空机外作业（如塔筒清洗、高空修补、高空在线探伤等在塔筒高空处的作业）提供了有用的手段，一是降低了劳动强度，二是降低了用工成本，三是提升了安全生产水平，四是提升了数字化管理水平。

图7.爬壁机器人控制拓展图

优点：1）磁吸附，极其适合在风机塔筒上的使用；2）自动行走或遥控移动，可以覆盖塔筒从下到上、360度的外表面；3）在塔筒上提供稳定的作业平台；4）可以搭载需要的作业工具，如水枪、视觉探头、高速气流喷枪、喷漆头、打磨黏补机械手、电焊枪等；5）抗风等级高，全天候作业。

虽然爬壁机器人具有很多的优势，但是还有一些需要改进的地方，比如载重能力。可以通过不同机型爬壁机器人，分段提供载重能力，适合不同应用场景。

总之，现阶段风电投资企业和设备制造企业在研制各种用途的机器人或遥控作业机器，更多的相关企业也在大量研究开发。虽然应用相对较少，但随着风电行业逐步批量进入后开发时代，相信各种应用会层出不穷，新的智能运维机器人和远程遥控机器人会越来越多地代替人工作业。目前除已在初步使用的巡检机器人、爬壁机器人外，叶片检测遥控直升机，水下机器人检测海上风机底座情况等，也已进行了试验。

我们认为，无论是陆上风电场，还是海上风电场，由于这些风电场所特有的偏远、分散的环境条件，以及需要按时维护、及时维修的需求，智能机器人以及可以远程操控的机械装置，都是非常有用的。同时也是现代化、集约化管理风电场的重要手段。