金风科技张新刚：浮动式风机几大关键技术亟待突破

2019年10月21-24日，2019北京国际风能大会暨展览会（CWP2019）在北京隆重召开，大会主题“风电助力‘十四五’能源高质量发展：绿色、低碳、可持续”。自2008年首次在北京举办以来，已连续举办11届，成为北京金秋十月国内外风电行业争相参与的年度盛会。

CWP2019进一步加强了大会的国际化特色，组织了20余场精彩论坛和各类活动。海上风电技术论坛（I）于10月23日下午召开。金风科技出席张新刚出席论坛并作主旨发言。

以下为发言内容：

张新刚：各位领导同事大家下午好，今天我给大家带来一个报告是关于金风科技浮式风机的系统设计和它的实验验证。

昨天包括今天应该都会有各种场合同事都会介绍关于浮式风机，我之后也会有单位介绍关于浮式风电涉及到的一些技术问题，所以我今天主要想讲什么呢，就是从金风科技的角度来说，我们应该要做哪些事情或者说我们已经做了哪些事情，进展这块我就快速讲一下，主要还是想强调现在咱们的机组开发，风电场的开发不论从国内还是从国外都已经进入到了一个离岸最远已经达到了可以说是超过120公里，超过一百公里这么一个量级，在这样一种前提下，我们可以看到不管是国内还是国外，现在已经有大大小小我做了一个不完全统计已经超过了30种的浮式风机的概念，主要还是体现在支撑结构的不同上面。

从这些概念或者说从他们各自的进展来说，我们如果按照一个典型的设备来进行研发的这么一个基本的流程来看，从最早期的，我们说概念设计，到我们有了设计完成之后来做缩尺比的实验还是全尺寸的样机以及到最后的商运，我们看到各家的基本的完备程度，黑色的是国外的，红色的基本上是统计了一下有咱们国内的，包括咱们海装、明阳，金风，另外还有昨天看了友商的，我相信有不同的厂家都在考虑这个事情。

对于一个浮式风机来说，我们说它首先肯定是一个系统设计，实际上对于浮式风电来说机头只是一个发电设备，更多的是要强调一个整体性，一个系统性，对于从技术角度来说，我们说可以看出来有三大技术挑战，首先就是关于机头的适应性，从设计经验角度来说我们是不是具备这样的经验，我们有没有考虑到浮式风机所处的海洋环境，它所带来的机头的一些设计挑战，这一块实际上是考虑的并不是特别全面。第二块就是关于在制造，在运输，在安装，这些过程当中存在各种各样的风险，毕竟实际上是船舶与海洋工程的领域，这一块我们在座的各位，我们这个行业有没有做好充足的准备。三就是当机组投入运行了以后，我们说从它运行的角度，从运营的这个角度，从运行维护的这个角度，我们有没有做好这个准备，这对于我们风机作为完整系统性实际上是提出了要求。

除了这个技术的挑战以外，我们还要实现功能，首先我们机头的适应性，我们从总体的设计来说，我们要有从稳性及运动性的一个考虑，再一个我们毕竟是一个发电的设备，这种发电设备的电力如何去外送，有哪些因素要考虑，同时我们在安装过程当中我们怎么样提出从工层量，从效率来说，以后到后续的运维以及退役我们也要考虑，而这块如果单纯从退役角度来说，浮式风电相对于固定式的是有一定的便利性。

综合起来我们从金风科技角度来说，我们认为至少应该是有这样的六个关键技术亟待突破。

首先最重要的就是主尺度设计，包括我们选型，这是第一步。再一个当我们主尺度完成设计以后，我们整机从控制角度，从机头适应性角度怎么来匹配，包括整体化载荷分析，包括系泊电缆设置，和建造、安装、运维过程当中所涉及到的技术。风机选型我这里列出来的是三种也是目前主流的选型，这个实际上从它的适应水深，从建造的安装的要求来说，大家可以看到各有特点，在这里我不说谁是更主要的或者谁更优，其实不存在这样一个考量，关键是你要想把这个设备投放到什么地方去这才是最重要的，所以对于金风来说我们目前选型是一个半潜式的，大家也都可以理解，在咱们国内海洋环境下，水深从离岸距离到波浪条件实际上半潜式会在近期来说更适合。从最主要的基础选型完成之后，我们对于主尺度设计来说，我们考虑哪几个因素呢？其实是三个指标或者叫三个方面，第一个就是结构稳性，就是我们作为一个浮式海洋结构物，稳性好不好，第二个要考虑它的运动响应，第三个是在结合了这两个指标，以后我们的整机造价或工程量是不是最优，因为从稳性和运动性来说，有的时候两者是相互矛盾的，那么我们怎么样来实现最终体现出来的工程量，一个6兆瓦风机究竟支撑结构是多重，这一点是要体现出咱们设计者的设计功力的，作为金风来说，首先我们认为如果对于半潜式，我们说从调整立柱的面积，它可以有效降低波浪载荷，包括调整我的立柱的间距提升我的整体结构的钢度，包括排水量比直，进行逐步的优化，寻求最优，都是在我们基础的主尺度设计当中要重点考虑的一个因素。

第二个就是控制器，控制大家也都知道，浮式和固定式的一个最明显的区别，咱们在欧洲咱们可以做一个对标，有的厂家可能倾角能够达到10度、12度，对于我机组来说是否OK，能不能响应得了，能不能控制得住，甚至在这样一个情况下我们的机头适应性，机组主电缆是放在机舱里会更好还是说放在塔底更好，这样的一些适应性实际上也是需要来考虑。

关于一体化的耦合分析，实际上就更加是说除了固定式风机以外，对于浮式风机只能这么做，不仅是一体化建模，一体化分析还包括一体化运动响应分析，都要使用这样的方法才能够完成我们整机的分析。

刚才我说有六个，关于基础的结构设计，包括锚系的设计，包括建造、安装、运行维护都有各自的关键点，这些实际上对于海洋工程来说是一个并没有特别的，我们只要把海洋工程结合进来就可以。

在这样的基础之下对于金风科技来说，右图是我们目前设计的一个结果，大家可以看到是采用了典型的三立柱，有垂荡板，避免采用航架式的形式，风机放在中间，一方面我们结构比较简洁，另外一方面我们垂荡板的存在可以优化整机运动性能，同时我们由于把机组放在正中间三个立柱我们不需要主动的调载能力，可以后期减少我们的运维成本，另外包括我们的安装，包括我们的运行维护，都进行了相应的考量。

实际上我在完成这个设计之后大家可以关注到，就是下一步我要做什么，实验，不是说完成设计以后直接拿一个6兆瓦机组到海洋去直接安装运行那实际上风险很大也不科学，从验证角度来说我们要完成三个目的，第一个就是我们要验证基础设计，主尺度是否是可以的，你的两个立柱之间间距70米是不是合适的，整个半径40米是不是合适的，2400吨的基础重量是不是合适的，实际上是要进行验证的。再一个基于这样的验证，我们是不是还有下一步优化的空间。最后一个第三个目的其实也是更重要的，我们做一次实验三百万以上，这种费用我不可能说每一个项目都去做，每一个机型都做，实验的价值是在于我们可以优化和验证我们的设计仿真平台，来为后续的项目做实验。实验水池方面，这个水池不是那么容易挑选，因为它不光是一个传统的海工水池，我们还要融合我们风的条件，特别是要把风、浪、流以及我们想要的风谱、风速、方向等能够生成出来，这块实际上条件非常苛刻。在完成了水池的选择之后，我们要设定一个满足相似的模型，这个模型不是简单的大家经常看到科技文献，叶轮大的一个圆盘就来代表我的叶片，我们在这里实际上对叶片进行了精心设计，而对整个模型来说它是带有一个主动的变桨和扭矩控制功能，同时我们在模型制造这块保持基于频率一致的前提，在实验过程当中我们要做的包括。

首先第一个要标定，标定我的实验输入，实验室说它能生成10米的风，什么样风谱的风，是不是真是这样我们要进行一个标定，在标定基础下我们要对整机频率进行辨识，阻尼是什么样的，频率是什么样子，在这个基础之上我们来进行风浪流的联合实验，包括故障工况下的实验这个也是非常重要的，这是实验当时的一个视频，大家可以看出来我们包括了风，包括了浪，包括了水下面有流，而且是在我们设定的流向，设定的风谱设计的风速情况之下，五十年一遇，再一年一遇，纯有风纯有浪以及风浪联合运行的时候是什么样的测试情况。

在这样一个实验完成之后，我们更要做实验的验证，实验的结果是否满足我们当初做实验规划时候的预期，我们的系统参数，阻尼、周期、系泊刚度，再一个我刚刚提到做实验最终的目的就是要验证我们的设计工具，能不能指导通过这样一个实验，未来8兆瓦，10兆瓦要采用这个浮式基础能不能来指导设计，而不用大量反复的做实验，这块实际上是非常重要的一个环节。

这一页主要是展示从不论是阻尼还是从RAO还是从系统响应还是从载荷来说，我们给出来的一个实验仿真的对比，目前来看实际上符合度还是非常高。

最后也是想说一下，就是作为金风科技，目前在国内我们走得是比较靠前，完成了缩比的水池实验，但实际上只有风机还不够，这里面也列出来了，包括我们的厂商，包括我们的业主单位，施工，供应和设计院，包括最重要的认证，昨天也有友商也提到，我是非常认可的，希望能够大家联起手来把浮式风电这个概念向前推进，谢谢大家。

（根据演讲速记整理，未经演讲人审核）