本文從中國海上風電蹣跚學步到執(zhí)牛耳說起，共探可持續(xù)的海上風電機組開發(fā)之路如何打造。

 

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中國海上風電，從蹣跚學步到執(zhí)牛耳

 

11 年時間，走過歐美 30 余年的路

 

全球風能理事會（GWEC）發(fā)布的《2023 全球海上風電報告》數(shù)據(jù)顯示，中國在 2022 年實現(xiàn)了 5.1GW 的海上風電新增并網(wǎng)，連續(xù)第五年成為全球最大的海上風電市場。在前一年（2021 年），中國累積海上裝機容量就已經(jīng)超過英國，位居世界第一，距離中國第一個海上風電場——東海大橋海上風電場建成（2010 年）僅 11 年。

 

中國海上風電起步比歐美國家晚了 20 多年，但從蹣跚學步到執(zhí)牛耳，僅用了 11 年。

 

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從中國速度到中國質量   

 

要快步向前，更要穩(wěn)扎穩(wěn)打

 

中國海上風電不僅需要裝機速度，更需要高質量發(fā)展。堪比摩天大樓的海上巨無霸、海上風電的嚴苛工況環(huán)境、風機逐步走向環(huán)境更為復雜多變的深遠海，一旦發(fā)生批量化質量問題將帶來高昂的海上風電運維成本，代價極其沉重。

 

中國海上風電發(fā)展一路狂飆的同時，更要牢記 :" 穩(wěn) " 字當頭。

 

電氣風電作為中國海上風電的引領者，在業(yè)內率先引入全球領先的海上風電發(fā)展經(jīng)驗和嚴苛標準、規(guī)范，積累了中國最大的海上風電樣本庫，在中國海上風電發(fā)展史上篆刻有多個重要印記。海上機組從自主研發(fā)的 3.6MW 開始穩(wěn)步迭代，歷經(jīng) 4MW、6MW、7MW 直至 16+MW。這一路，是快步向前，更是穩(wěn)扎穩(wěn)打。

 

 

圖：電氣風電海上產(chǎn)品發(fā)展歷程

 

海上風電場開發(fā)的不確定因素更多，隨著平價時代的到來以及海上風電走向深遠海，愈發(fā)地需要海上產(chǎn)品大型化來降低風電場的單位千瓦造價。

 

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風機越造越大，核心部件越來越大

 

帶來的新挑戰(zhàn)，如何解決？

 

海上產(chǎn)品大型化后，如何應對葉片大型化和傳動鏈大型化后所帶來的挑戰(zhàn)，電氣風電更加深入地進行技術穿透，并保持技術發(fā)展的連續(xù)性，以保證在機組大型化后可以穩(wěn)定、安全地運行。

 

1. 更長葉片的設計、選材及認證

 

風電葉片作為風力發(fā)電機的核心部件之一，也是影響風力發(fā)電技術前進步調的關鍵因素。為了滿足海上復雜的工況環(huán)境以及更大兆瓦數(shù)的需求，葉片也面臨著越來越多的挑戰(zhàn)，如葉片顫振發(fā)散、整機頻率耦合、葉片變形大等。

 

當前，電氣風電 123 米海上葉片，在充分考慮氣動外形、材料性能、葉片載荷、制造工藝等結構設計因素的情況下，同時又優(yōu)化配置葉片選材，使得葉片安全可靠、輕質高效，為海上風電高質量發(fā)展保駕護航。

 

在設計方面，電氣風電研發(fā)團隊采用氣動結構一體化設計，充分考慮葉片氣彈穩(wěn)定性，秉承高效、低載、高穩(wěn)定的設計理念，保證了葉片更優(yōu)的綜合性能以及更低的 LCOE。此外，結構設計上還會采用工程算法和有限元精細化校核技術，采用 24 個多方向載荷對葉片的靜強度、疲勞、屈曲等反復進行了詳細設計校核，以確保設計的安全可靠。

 

在選材方面，海上風電通過碳纖維拉擠板材的應用，充分利用碳纖維的高剛度改善葉片變形大的問題，同時有效減輕葉片質量。

 

在設計認證方面，每一款葉片都會通過嚴格的認證，電氣風電 123 米葉片已經(jīng)按照最新的國際標準 IEC61400-5，獲取國內外權威認證機構中國質量認證中心以及 TUV NORD 的設計認證，通過不同機構的交叉認證來雙重保證設計的合理性。在保證仿真精確方面，通過按照 IEC61400-23 標準，進行葉片全尺寸測試，評估葉片各項理論數(shù)據(jù)與實測的吻合度。

 

2. 更長葉片的測試

 

為保證葉片產(chǎn)品的安全可靠，電氣風電從整體到局部逐步拆分，從材料到碳板，從碳板到整體葉片，從樣片靜載、疲勞、疲勞后靜載到樣機，每一個環(huán)節(jié)都會進行充分的測試驗證，保證環(huán)環(huán)安全可靠。

 

 

圖：葉片靜載測試

 

 

圖：葉片扭轉測試

 

 

圖：葉片疲勞測試

 

3. 更大傳動鏈動力學仿真

 

作為風電機組的重要組成部分，傳動鏈結構中存在大量的旋轉運動，這也導致傳動零部件受外界載荷或者本身零部件變形等因素影響極易出現(xiàn)劇烈的共振現(xiàn)象。

 

隨著機組大型化，傳動鏈各部件間的相互耦合作用將更加復雜，對傳動鏈動力學仿真的動力學特性提出了更高的要求。電氣風電為了更真實的模擬傳動鏈的動態(tài)特性，將傳動鏈動力學仿真模型逐步從多自由度全剛體模型到多自由度剛柔耦合模型轉化。同時，對于不同機組按照實際工況搭建不同的傳動鏈動力學模型，通過有限元分析方法創(chuàng)建柔性體模型用于傳動鏈動力學分析。

 

在動力響應分析中，通過高保真模型模擬實際風輪帶來的旋轉力矩，施加于傳動鏈的輸入端，并且對于傳動鏈的輸出端進行實時的輸出動平衡反饋。通過模態(tài)分析的方法則可以得到傳動鏈模型的模態(tài)能量分布情況，自動輸出動力學坎貝爾圖，排查傳動鏈的潛在共振點。在時域分析中，進行多控制因素耦合分析，如位移、速度、加速度以及齒輪嚙合力等情況，通過對加速度的頻譜分析傳動鏈潛在的共振點，為機組的可靠性和穩(wěn)定性提供保障。

 

 

圖：動力學響應分析

 

 

圖：時域分析

 

中國海上風電的建設已經(jīng)按下了加速鍵，對于項目建設周期提出了更高的要求，通過產(chǎn)品研發(fā)的可靠性保障后，如何保障整個風電場的可靠性，又是我們將面臨的另一個難題，而電氣風電的答案是：可持續(xù)的產(chǎn)品開發(fā)節(jié)奏 + 全面布局的測試能力 + 嚴格的測試要求，將機組的問題閉環(huán)在風電場建設前。

 

 

4

 

以中國最大的海上風電樣本庫為積淀

 

全生命周期覆蓋的測試驗證

 

全國 4 大測試基地布局

 

電氣風電引領了中國海風發(fā)展。從 2010 年至今，電氣風電在中國海上風電發(fā)展史上完成了一次又一次質的突破，基于積淀的中國最大的海上風電樣本庫，不斷迭代開發(fā)。