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超大型海上风电研发试验的困境

作者：张永明来源：风时雨若发布时间：2019-10-30

中国储能网讯：2019年科技部“可再生能源与氢能技术”专项2.1项目指南“面向深远海大功率海上风电机组及关键部件设计研发”中提出研制10兆瓦级海上风电机组样机，从此开启了我国大功率海上风机的研发序幕。可靠性是大功率海上风电机组的一个关键性指标，如果机组一旦停机维修，会造成很大的经济损失。

在风浪流多源激励下，海上风机的传动链的高可靠性设计和制造技术受到了挑战。在今年项目竞标中，尽管各研究团队都提出了基于气弾和水动载荷及多场耦合动态分析方法，研究传动链的机械-电气-电子系统协同建模方法，建立基于多场耦合动态方程的数学模型，进行整机、部件、基础一体化设计，并进行结构疲劳评估。但是，这种建立数学仿真试验基础上的设计方法，有很多弊端，还不能完全替代实物模拟试验。如果目前采用的商用分析软件的关键数据库不齐全（或供方不提供），如果部件系统试验不充分，那么这种设计方法带来的工程风险是很大的。

如何解决这个国际技术难题？欧洲美国的同行告诉我们，答案只有一个，试验，试验，再试验。海上风电技术是一项实验科学，只有依靠试验不断累积数据，不断改进设计才能提高机组的先进性和稳定性。越来越多的专家意识到，通过试验是提高风电机组可靠性的唯一途径。在2012年第68次国际能源机构“风力发电机和部件测试的进展”会议上决定在 IEA Wind Task 35 的框架下编写一份关于风力发电机及其部件的新测试方法的任务提案。这项任务的目的是，为在受控环境中，模拟风力发电机和部件实际机械负载，以及模拟并入电网的试验，制定指导方针和推荐试验方法，以验证风电机组的设计性能和或者部件功能、安全性和耐久性。

为了发展新一代的高可靠性的海上风机，缩短海上风电机组的研发周期，近些年英国、美国、德国、丹麦等国家级实验室研制和装备了风电机舱试验台架（Nacelle Test Bench）。这个试验系统可以模拟在自然条件下无法实现的高速寿命试验，以数个月的高速寿命试验（HALT）来模拟机组运行十年或者更长时间的疲劳损伤情况。利用该设施能加速研发下一代的海上风电机组，提高海上风机的可靠性，可缩短研发时间和降低研发成本，进而降低海上风机的运维成本。采用这项试验技术后，加快了欧美国家海上风电的研发速度和提高了海上风电的技术水平。

2013年11月上海电气风电公司刘总及笔者访问美国NREL和克莱姆森大学。

目前世界上最大的风电机舱试验台是2014年在美国克莱姆森大学建成的15兆瓦试验台。美国国家再生能源实验室国家风电技术中心（NREL/NWTC）、英国国家再生能源研究中心（NAREC）、丹麦可再生能源中心（LORC）、德国风能及能源技术研究所IWES/DyNaLab等国家级研究机构装备了大型风电机舱试验台架。有些还同时还装备的大功率电网模拟器，如德国IWES/DyNaLab的7.5兆瓦试验台配置了40兆瓦的电网模拟器，可以在试验台上直接进行并网试验。克莱姆森大学装备了风电控制器硬件在环实验系统，解决了大规模风电主控系统测试问题。

这些机舱试验台架都具备加载试验、加速寿命试验、模拟并电网试验、风电主控系统实时仿真试验等功能。并已在新机型研发中发挥着重要作用，2013年7月英国NAREC利用15兆瓦机舱试验台对韩国三星6兆瓦的海上风电机组进行了试验，2014年GE公司在克莱姆森大学风电研究中心进行6兆瓦风机的台架试验。2019年6月GE公司把最新研制的Haliade-X 12MW机舱和107米长的叶片运往英国，在海上再生能源实验室（ORE）的机舱试验台上进行测试。

目前各国都在加快海上风电新机型的研发测试，随着欧美各国的大型风电机舱试验台的投入使用，新一轮的海上风电技术竞争将拉开序幕，谁掌握海上风电核心技术，谁家的风电机组更可靠，谁将引领世界海上风电产业的新潮流。据克莱姆森大学风电研究中心消息，由于试验任务增加，该中心人员已经翻倍以应付日益增多的试验任务。

由于我国还没有大型风电机舱试验台和超大功率可控电网互交模拟试验系统（CGI），因此今年竞标参加科技部“可再生能源与氢能技术”专项2.1分项的若干研究者，在海上风机的研发计划中，都遇到了如何进行整机设计验证的难题。一些研究者只能采取部件模拟试验+模型仿真试验来解决试验验证问题。但这种试验方法很难解决实物测试与仿真测试的一致性问题。

根据我国风电试验设施的现状，发展风电机组半实物实时仿真测试是一个可行的方法。半实物仿真，又称为硬件在回路中的仿真(Hard ware in the Loop Simulation)，是指在仿真实验系统的仿真回路中接入部分实物的实时仿真。半实物仿真的必要前提是实时性，即仿真速度和实物物理响应速度一致。

半实物仿真技术自20世纪60年代问世直到目前美国研制航天飞机，始终盛行不衰。半实物仿真实验室的先进性体现在：

（1）有高速高精度的仿真机；

（2）有先进完备的环境模拟设备；

半实物仿真的特点是：

（3）在回路中接入实物，必须实时运行，即仿真模型的时间标尺和自然时间标尺相同；

（4）半实物仿真的实验结果比数学仿真更接近实际。

半实物仿真测试的典型应用是在风电机组主控系统测试方面，如，风电机组的测试需要在符合测试要求的风速条件和电网故障穿越要求的条件下进行，按照目前的试验能力要对10兆瓦的海上风电机组的测试是非常困难的。为此，德国FGW颁布了《发电机组技术准则第4部分（TR4）：《发电机组和发电场电气特性仿真建模和验证要求》，对风电建模和仿真测试作了详细的规定。提出了建立测试模型的具体要求，包括建模方法及模型精确度，规范了风电模型测试。风电机械部分的半实物仿真测试也同样可以实现，因此开展风电机械和电气系统半实物仿真测试，是目前解决海上风电研发测试的一个有效方法。