中國儲能網(wǎng)訊：2019年科技部“可再生能源與氫能技術”專項2.1項目指南“面向深遠海大功率海上風電機組及關鍵部件設計研發(fā)”中提出研制10兆瓦級海上風電機組樣機，從此開啟了我國大功率海上風機的研發(fā)序幕?？煽啃允谴蠊β屎Ｉ巷L電機組的一個關鍵性指標，如果機組一旦停機維修，會造成很大的經(jīng)濟損失。
在風浪流多源激勵下，海上風機的傳動鏈的高可靠性設計和制造技術受到了挑戰(zhàn)。在今年項目競標中，盡管各研究團隊都提出了基于氣弾和水動載荷及多場耦合動態(tài)分析方法，研究傳動鏈的機械-電氣-電子系統(tǒng)協(xié)同建模方法，建立基于多場耦合動態(tài)方程的數(shù)學模型，進行整機、部件、基礎一體化設計，并進行結構疲勞評估。但是，這種建立數(shù)學仿真試驗基礎上的設計方法，有很多弊端，還不能完全替代實物模擬試驗。如果目前采用的商用分析軟件的關鍵數(shù)據(jù)庫不齊全（或供方不提供），如果部件系統(tǒng)試驗不充分，那么這種設計方法帶來的工程風險是很大的。
如何解決這個國際技術難題？歐洲美國的同行告訴我們，答案只有一個，試驗，試驗，再試驗。海上風電技術是一項實驗科學，只有依靠試驗不斷累積數(shù)據(jù)，不斷改進設計才能提高機組的先進性和穩(wěn)定性。越來越多的專家意識到，通過試驗是提高風電機組可靠性的唯一途徑。在2012年第68次國際能源機構“風力發(fā)電機和部件測試的進展”會議上決定在 IEA Wind Task 35 的框架下編寫一份關于風力發(fā)電機及其部件的新測試方法的任務提案。這項任務的目的是，為在受控環(huán)境中，模擬風力發(fā)電機和部件實際機械負載，以及模擬并入電網(wǎng)的試驗，制定指導方針和推薦試驗方法，以驗證風電機組的設計性能和或者部件功能、安全性和耐久性。
為了發(fā)展新一代的高可靠性的海上風機，縮短海上風電機組的研發(fā)周期，近些年英國、美國、德國、丹麥等國家級實驗室研制和裝備了風電機艙試驗臺架（Nacelle Test Bench）。這個試驗系統(tǒng)可以模擬在自然條件下無法實現(xiàn)的高速壽命試驗，以數(shù)個月的高速壽命試驗（HALT）來模擬機組運行十年或者更長時間的疲勞損傷情況。利用該設施能加速研發(fā)下一代的海上風電機組，提高海上風機的可靠性，可縮短研發(fā)時間和降低研發(fā)成本，進而降低海上風機的運維成本。采用這項試驗技術后，加快了歐美國家海上風電的研發(fā)速度和提高了海上風電的技術水平。
2013年11月上海電氣風電公司劉總及筆者訪問美國NREL和克萊姆森大學。
目前世界上最大的風電機艙試驗臺是2014年在美國克萊姆森大學建成的15兆瓦試驗臺。美國國家再生能源實驗室國家風電技術中心（NREL/NWTC）、英國國家再生能源研究中心（NAREC）、丹麥可再生能源中心（LORC）、德國風能及能源技術研究所IWES/DyNaLab等國家級研究機構裝備了大型風電機艙試驗臺架。有些還同時還裝備的大功率電網(wǎng)模擬器，如德國IWES/DyNaLab的7.5兆瓦試驗臺配置了40兆瓦的電網(wǎng)模擬器，可以在試驗臺上直接進行并網(wǎng)試驗。克萊姆森大學裝備了風電控制器硬件在環(huán)實驗系統(tǒng)，解決了大規(guī)模風電主控系統(tǒng)測試問題。
這些機艙試驗臺架都具備加載試驗、加速壽命試驗、模擬并電網(wǎng)試驗、風電主控系統(tǒng)實時仿真試驗等功能。并已在新機型研發(fā)中發(fā)揮著重要作用，2013年7月英國NAREC利用15兆瓦機艙試驗臺對韓國三星6兆瓦的海上風電機組進行了試驗，2014年GE公司在克萊姆森大學風電研究中心進行6兆瓦風機的臺架試驗。2019年6月GE公司把最新研制的Haliade-X 12MW機艙和107米長的葉片運往英國，在海上再生能源實驗室（ORE）的機艙試驗臺上進行測試。
目前各國都在加快海上風電新機型的研發(fā)測試，隨著歐美各國的大型風電機艙試驗臺的投入使用，新一輪的海上風電技術競爭將拉開序幕，誰掌握海上風電核心技術，誰家的風電機組更可靠，誰將引領世界海上風電產(chǎn)業(yè)的新潮流。據(jù)克萊姆森大學風電研究中心消息，由于試驗任務增加，該中心人員已經(jīng)翻倍以應付日益增多的試驗任務。
由于我國還沒有大型風電機艙試驗臺和超大功率可控電網(wǎng)互交模擬試驗系統(tǒng)（CGI），因此今年競標參加科技部“可再生能源與氫能技術”專項2.1分項的若干研究者，在海上風機的研發(fā)計劃中，都遇到了如何進行整機設計驗證的難題。一些研究者只能采取部件模擬試驗+模型仿真試驗來解決試驗驗證問題。但這種試驗方法很難解決實物測試與仿真測試的一致性問題。
根據(jù)我國風電試驗設施的現(xiàn)狀，發(fā)展風電機組半實物實時仿真測試是一個可行的方法。半實物仿真，又稱為硬件在回路中的仿真(Hard ware in the Loop Simulation)，是指在仿真實驗系統(tǒng)的仿真回路中接入部分實物的實時仿真。半實物仿真的必要前提是實時性，即仿真速度和實物物理響應速度一致。
半實物仿真技術自20世紀60年代問世直到目前美國研制航天飛機，始終盛行不衰。半實物仿真實驗室的先進性體現(xiàn)在：
（1）有高速高精度的仿真機；
（2）有先進完備的環(huán)境模擬設備；
半實物仿真的特點是：
（3）在回路中接入實物，必須實時運行，即仿真模型的時間標尺和自然時間標尺相同；
（4）半實物仿真的實驗結果比數(shù)學仿真更接近實際。
半實物仿真測試的典型應用是在風電機組主控系統(tǒng)測試方面，如，風電機組的測試需要在符合測試要求的風速條件和電網(wǎng)故障穿越要求的條件下進行，按照目前的試驗能力要對10兆瓦的海上風電機組的測試是非常困難的。為此，德國FGW頒布了《發(fā)電機組技術準則第4部分（TR4）：《發(fā)電機組和發(fā)電場電氣特性仿真建模和驗證要求》，對風電建模和仿真測試作了詳細的規(guī)定。提出了建立測試模型的具體要求，包括建模方法及模型精確度，規(guī)范了風電模型測試。風電機械部分的半實物仿真測試也同樣可以實現(xiàn)，因此開展風電機械和電氣系統(tǒng)半實物仿真測試，是目前解決海上風電研發(fā)測試的一個有效方法。
上海電機學院臨港校區(qū)正在建一個兆瓦級的風電機艙試驗臺架，該試驗臺架具有六自由度加載裝置和多電平功率級高仿真電網(wǎng)模擬系統(tǒng)，可以在機電耦合載荷條件下對風電傳動鏈進行試驗。另建控制器群硬件在環(huán)仿真試驗系統(tǒng)，開展半實物仿真試驗研究。
機艙試驗臺示意圖
NREL試驗風場
15兆瓦風電機艙試驗臺設計圖
建設中的克萊姆森大學15兆瓦試驗臺現(xiàn)場
建成后的15兆瓦試驗臺
葉片疲勞試驗臺-慣性共振激發(fā)(IREX)系統(tǒng)
多用途軸承試驗臺
葉片變槳驅(qū)動/軸承試驗臺
風塔基礎地震模擬試驗臺
