中國儲能網(wǎng)訊：2019年科技部“可再生能源與氫能技術(shù)”專項(xiàng)2.1項(xiàng)目指南“面向深遠(yuǎn)海大功率海上風(fēng)電機(jī)組及關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)研發(fā)”中提出研制10兆瓦級海上風(fēng)電機(jī)組樣機(jī)，從此開啟了我國大功率海上風(fēng)機(jī)的研發(fā)序幕?？煽啃允谴蠊β屎Ｉ巷L(fēng)電機(jī)組的一個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)，如果機(jī)組一旦停機(jī)維修，會造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。
在風(fēng)浪流多源激勵(lì)下，海上風(fēng)機(jī)的傳動鏈的高可靠性設(shè)計(jì)和制造技術(shù)受到了挑戰(zhàn)。在今年項(xiàng)目競標(biāo)中，盡管各研究團(tuán)隊(duì)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(jī)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(xué)模型，進(jìn)行整機(jī)、部件、基礎(chǔ)一體化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞評估。但是，這種建立數(shù)學(xué)仿真試驗(yàn)基礎(chǔ)上的設(shè)計(jì)方法，有很多弊端，還不能完全替代實(shí)物模擬試驗(yàn)。如果目前采用的商用分析軟件的關(guān)鍵數(shù)據(jù)庫不齊全（或供方不提供），如果部件系統(tǒng)試驗(yàn)不充分，那么這種設(shè)計(jì)方法帶來的工程風(fēng)險(xiǎn)是很大的。
如何解決這個(gè)國際技術(shù)難題？歐洲美國的同行告訴我們，答案只有一個(gè)，試驗(yàn)，試驗(yàn)，再試驗(yàn)。海上風(fēng)電技術(shù)是一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)科學(xué)，只有依靠試驗(yàn)不斷累積數(shù)據(jù)，不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)才能提高機(jī)組的先進(jìn)性和穩(wěn)定性。越來越多的專家意識到，通過試驗(yàn)是提高風(fēng)電機(jī)組可靠性的唯一途徑。在2012年第68次國際能源機(jī)構(gòu)“風(fēng)力發(fā)電機(jī)和部件測試的進(jìn)展”會議上決定在 IEA Wind Task 35 的框架下編寫一份關(guān)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其部件的新測試方法的任務(wù)提案。這項(xiàng)任務(wù)的目的是，為在受控環(huán)境中，模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)和部件實(shí)際機(jī)械負(fù)載，以及模擬并入電網(wǎng)的試驗(yàn)，制定指導(dǎo)方針和推薦試驗(yàn)方法，以驗(yàn)證風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)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(fēng)機(jī)，縮短海上風(fēng)電機(jī)組的研發(fā)周期，近些年英國、美國、德國、丹麥等國家級實(shí)驗(yàn)室研制和裝備了風(fēng)電機(jī)艙試驗(yàn)臺架（Nacelle Test Bench）。這個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)可以模擬在自然條件下無法實(shí)現(xiàn)的高速壽命試驗(yàn)，以數(shù)個(gè)月的高速壽命試驗(yàn)（HALT）來模擬機(jī)組運(yùn)行十年或者更長時(shí)間的疲勞損傷情況。利用該設(shè)施能加速研發(fā)下一代的海上風(fēng)電機(jī)組，提高海上風(fēng)機(jī)的可靠性，可縮短研發(fā)時(shí)間和降低研發(fā)成本，進(jìn)而降低海上風(fēng)機(jī)的運(yùn)維成本。采用這項(xiàng)試驗(yàn)技術(shù)后，加快了歐美國家海上風(fēng)電的研發(fā)速度和提高了海上風(fēng)電的技術(shù)水平。
2013年11月上海電氣風(fēng)電公司劉總及筆者訪問美國NREL和克萊姆森大學(xué)。
目前世界上最大的風(fēng)電機(jī)艙試驗(yàn)臺是2014年在美國克萊姆森大學(xué)建成的15兆瓦試驗(yàn)臺。美國國家再生能源實(shí)驗(yàn)室國家風(fēng)電技術(shù)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(fēng)能及能源技術(shù)研究所IWES/DyNaLab等國家級研究機(jī)構(gòu)裝備了大型風(fēng)電機(jī)艙試驗(yàn)臺架。有些還同時(shí)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(yàn)臺配置了40兆瓦的電網(wǎng)模擬器，可以在試驗(yàn)臺上直接進(jìn)行并網(wǎng)試驗(yàn)。克萊姆森大學(xué)裝備了風(fēng)電控制器硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，解決了大規(guī)模風(fēng)電主控系統(tǒng)測試問題。
這些機(jī)艙試驗(yàn)臺架都具備加載試驗(yàn)、加速壽命試驗(yàn)、模擬并電網(wǎng)試驗(yàn)、風(fēng)電主控系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真試驗(yàn)等功能。并已在新機(jī)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(jī)艙試驗(yàn)臺對韓國三星6兆瓦的海上風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行了試驗(yàn)，2014年GE公司在克萊姆森大學(xué)風(fēng)電研究中心進(jìn)行6兆瓦風(fēng)機(jī)的臺架試驗(yàn)。2019年6月GE公司把最新研制的Haliade-X 12MW機(jī)艙和107米長的葉片運(yùn)往英國，在海上再生能源實(shí)驗(yàn)室（ORE）的機(jī)艙試驗(yàn)臺上進(jìn)行測試。
目前各國都在加快海上風(fēng)電新機(jī)型的研發(fā)測試，隨著歐美各國的大型風(fēng)電機(jī)艙試驗(yàn)臺的投入使用，新一輪的海上風(fēng)電技術(shù)競爭將拉開序幕，誰掌握海上風(fēng)電核心技術(shù)，誰家的風(fēng)電機(jī)組更可靠，誰將引領(lǐng)世界海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的新潮流。據(jù)克萊姆森大學(xué)風(fēng)電研究中心消息，由于試驗(yàn)任務(wù)增加，該中心人員已經(jīng)翻倍以應(yīng)付日益增多的試驗(yàn)任務(wù)。
由于我國還沒有大型風(fēng)電機(jī)艙試驗(yàn)臺和超大功率可控電網(wǎng)互交模擬試驗(yàn)系統(tǒng)（CGI），因此今年競標(biāo)參加科技部“可再生能源與氫能技術(shù)”專項(xiàng)2.1分項(xiàng)的若干研究者，在海上風(fēng)機(jī)的研發(fā)計(jì)劃中，都遇到了如何進(jìn)行整機(jī)設(shè)計(jì)驗(yàn)證的難題。一些研究者只能采取部件模擬試驗(yàn)+模型仿真試驗(yàn)來解決試驗(yàn)驗(yàn)證問題。但這種試驗(yàn)方法很難解決實(shí)物測試與仿真測試的一致性問題。
根據(jù)我國風(fēng)電試驗(yàn)設(shè)施的現(xiàn)狀，發(fā)展風(fēng)電機(jī)組半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真測試是一個(gè)可行的方法。半實(shí)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的仿真回路中接入部分實(shí)物的實(shí)時(shí)仿真。半實(shí)物仿真的必要前提是實(shí)時(shí)性，即仿真速度和實(shí)物物理響應(yīng)速度一致。
半實(shí)物仿真技術(shù)自20世紀(jì)60年代問世直到目前美國研制航天飛機(jī)，始終盛行不衰。半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)性體現(xiàn)在：
（1）有高速高精度的仿真機(jī)；
（2）有先進(jìn)完備的環(huán)境模擬設(shè)備；
半實(shí)物仿真的特點(diǎn)是：
（3）在回路中接入實(shí)物，必須實(shí)時(shí)運(yùn)行，即仿真模型的時(shí)間標(biāo)尺和自然時(shí)間標(biāo)尺相同；
（4）半實(shí)物仿真的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比數(shù)學(xué)仿真更接近實(shí)際。
半實(shí)物仿真測試的典型應(yīng)用是在風(fēng)電機(jī)組主控系統(tǒng)測試方面，如，風(fēng)電機(jī)組的測試需要在符合測試要求的風(fēng)速條件和電網(wǎng)故障穿越要求的條件下進(jìn)行，按照目前的試驗(yàn)?zāi)芰σ獙?0兆瓦的海上風(fēng)電機(jī)組的測試是非常困難的。為此，德國FGW頒布了《發(fā)電機(jī)組技術(shù)準(zhǔn)則第4部分（TR4）：《發(fā)電機(jī)組和發(fā)電場電氣特性仿真建模和驗(yàn)證要求》，對風(fēng)電建模和仿真測試作了詳細(xì)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(fēng)電模型測試。風(fēng)電機(jī)械部分的半實(shí)物仿真測試也同樣可以實(shí)現(xiàn)，因此開展風(fēng)電機(jī)械和電氣系統(tǒng)半實(shí)物仿真測試，是目前解決海上風(fēng)電研發(fā)測試的一個(gè)有效方法。
上海電機(jī)學(xué)院臨港校區(qū)正在建一個(gè)兆瓦級的風(fēng)電機(jī)艙試驗(yàn)臺架，該試驗(yàn)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(jī)電耦合載荷條件下對風(fēng)電傳動鏈進(jìn)行試驗(yàn)。另建控制器群硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，開展半實(shí)物仿真試驗(yàn)研究。
機(jī)艙試驗(yàn)臺示意圖
NREL試驗(yàn)風(fēng)場
15兆瓦風(fēng)電機(jī)艙試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)圖
建設(shè)中的克萊姆森大學(xué)15兆瓦試驗(yàn)臺現(xiàn)場
建成后的15兆瓦試驗(yàn)臺
葉片疲勞試驗(yàn)臺-慣性共振激發(fā)(IREX)系統(tǒng)
多用途軸承試驗(yàn)臺
葉片變槳驅(qū)動/軸承試驗(yàn)臺
風(fēng)塔基礎(chǔ)地震模擬試驗(yàn)臺
