上海电气产品发布：高品质的大容量海上永磁直驱风力发电机

2017年10月16日-19日，2017北京国际风能大会（CWP2017）在北京隆重召开。在中国国际展览中心（新馆）E2馆创新剧场，上海电气风电集团有限公司杭州研发中心主任吴立建以及上海电气风电集团有限公司总体室室主任许移庆先生就“高品质的大容量海上永磁直驱风力发电机”作主题演讲，分享了上海电气在大型永磁直驱发电机的一些创新理念和做法。徐易庆分享了上海电气在漂浮式风电方面的一些技术进展。

吴立建：各位专家，各位领导、各位同仁大家好，我今天做这个报告题目是御风晋海，一直在路上，报告分为两个部分，我作的这部分是高品质的大容量海上永直驱风力发电机，我的身份首先是上海电气的副总工程师，是一个研发中心的主任，同时我也是浙江大学的一名教授，所以我本身是从技术的角度，我们如何做好海上的永直驱风风力发电机，我的报告分为四个部分，首先我们先探讨一下什么是风力发电机的高品质，我会介绍一下净现值全局优化，再提出基于风险决策风力发电机的优化技术，最后再展望一下未来，我们的模块化设计技术。

什么是风力发电机的高品质，什么样的发电机才能成为高品质的发电机，对此对于电机，我们的马伟民院士曾经提出了四高一低一多这样的要求，所谓的一低就是提出来低排放，四高高功率密度、高可靠性、高适应性以及高兼度，一多就是多功能复合，四高一低一多也是非常适合我们风力发电机的特点，因为处在竞争比较激烈的行业，所以我在这个基础上加了一条低成本的要求。所以我们可以看出来，我们的风力发电机的要求，实际上是很多的，这样就会很复杂，实际上是一个很复杂多目标的优化问题。我们在这个研发风力发电机的时候其实是非常困难，这样目标很多，所以对于这样一个多目标的问题，我们如果做好它的话，大家都很希望能够把所有的指标简化到一个指标上来，这样还是这样的问题，究竟什么样的风机是最好的，在我看来对企业来讲，有一个简单的标准，就是最赚钱的风机是最好的，这样一来其实我们就可以基于净现值之优化我们的风机，找到一个盈利最佳的风机方案。净现值NPV大家都知道这个概念，简单来讲就是结合当前的盈利，所以它反映了成本与收入的差异。以净现值为目标的全局优化，实际上就是把我们对于多个目标，比如需要满足高功率密度、高可靠性以及低成本多个目标转化成以MPV为单一目标的优化技术。

我这里讲两个例子，首先第一个比如永磁体，大家都知道永磁体是很高的，同时也是永磁发电高于其他的原因，我们可以持续改善发电机的效率，从而增高发电量，提高我们的产出，但是我们会发现在增加永磁的时候，永磁体因为价格很贵，所以发电机的成本会持续的增加，非常显著的增加，如果综合两方面的因素可以看到，实际上有一个最佳值，我们这个方案当中可以看到，永磁替载19毫米左右，同样的如果增加发电轴向长度的时候，发电机的效力也可以得到持续的提高，但是也会显著增加发电机的成本，如果我们综合两方面的因素，也可以找到一个MPV净现值最佳的轴向长度。这些其实都是以MPV净现值为目标的单目标的优化，相对来说比较简单，但是在风力发电机的开发过程当中，实际上是很复杂，有多个目标，如果我们做这个事情，技术路线首先是这样子的，首先要从设计到制造，到运输，以及安装，再到后面的运维，整个全生命周期各个环节当中，我们首先要去捕获这个需求，把需求都捕获到，这点很重要，如果说在某一个环节的需求没有捕获到，假如说我们发现运输有很大困难，运输需要成本的，成本在开发阶段都要考虑到。捕获到这些需求的时候，我们就形成了需求数据库，然后我们在需求数据库的基础上，进行需求的分析，这样就可以提炼出优化科学问题的描述，这个优化科学问题的描述首先有什么样的目标，约束变量，再有优化变量的集合，哪些东西可以优化它，最后需要一个风机系统多维的耦合的模型，即使基于今天非常发达的计算平台，要做这样的事情也是很困难的，首先困难之处就是这个计算量是非常的巨大，我们要做这个事情，第一个要解决的问题就是我们需要准确而快速的模型，我们上海电气从零开始打造了很多的平台，做了很多细致深入的研究，所以在电池损耗、冷却，包括硬力等等多个专业、多个模块打造了很多准确的计算平台，光有准确的计算平台还是不够的，因为它的计算量确实是很大，所以我们还需要计算平台的快速性。所以我们在这块也建立了比较快速的，也是很准确的，可以说在全球也是处于领先水准的计算平台，只有基于快速的计算平台，我们的以MPV为目标的全局优化才具有现实的可行性，难度还是很大的。

难点之二就是风力发电机的研发牵涉到多个专业、多个部门甚至多个单位、多个企业的合力系统，所以它实际上包含了很多模块，比如说发电机、变频器、叶片以及主控，这些必然会需要这些模块形成循环地带，在很大程度上增加我们研发优化的难度，如何做好这些事情，需要打破这些专业模块之间的隔阂，需要整合一个系统的、准确的快速的模型平台。同时为了准确的计算分析风力发电机的成本，因为在计算净现值的时候，还需要计算成本，实际上我们还需要建立更加开放的供应链系统，以上是介绍了净现值的风力发电机的研发。

下面我要介绍一下基于风险决策发电机的优化，前面说我们可以通过效率、计算发电量，再分析到成本，最后可以得到每个方案的净现值，然后去选择一个最佳的方案，是不是我们得到净现值之后，净现值最优，就足够支撑我们做出一个明智的选择，实际答案也是未必的，比如说我这里给出了两个方案。方案二比方案一略高，但是方案二的成功率比方案一低很多，如下仅仅以净现值最优作为判断标准的话，我们肯定要选择方案二，但是如果大家来做这个决策的时候，我相信大部分人是倾向于选择方向一的。这就是说明光有MPV净现值最优，实际上是不能够支撑我们做出一个明智的选择的。这就需要我们在风力发电机设计开发过程当中，还需要引入风险决策的方法，风险决策本身是一个很成熟的理论了，本身从运筹学里面过来的，所以有一系列很成熟的方法和理论。我这里就以期望值收益最大的比较经典的风险决策数为例，来解释如何做这个事情。比如说对于一个风力发电机，假设我们有两个方案，方案一它有它的状态，有可能99%成功的，还有1%的可能是其他的状况，每个状况的时候，我们就可以去分析它出现的概率，同时每一个状况有它对应的净现值计算出来，方案一可以看出来，假设有两个状态，可个状态你可以计算它的净现值，有MPV1、还有MPV2，MPV1和MPV2都有它对应的概率，这个时候很难说出方案一它的净现值究竟是多少，实际上存在概率分布的可能性。我们实际上这个时候就需要计算它的期望收益，期望收益计算的方法就是MPV1X对应的概率，合在一起，最后得到方案一和方案二的期望收益，进行对比我们选择一个最大的期望收益作为最后的方案。

实际上在风机开发过程中我们知道是面临很多风险的问题，所以包含了很多风险决策的问题，这个是讲的很笼统的，所以用这个方法可以应用到各种风险决策的上面，比如说我们开发一个新的风机，我们可能有两个选项，用以前小的风机进行扩容，也可以重新完全开发一个新型的风机，新型的风机我相信它的性能更高、产出更高，但是代价和风险更大，这个时候如果这样去做，我们可以科学的选择哪一个方案更佳。

这个是采用风险决策的方法来做，实际上我们还可以更方便的方式去增加每一个方案的期望收益，比如说这里我们就需要很准确的风险评估的手段，还是以在永磁直驱风机一个很重要的风险为例，这个重要的风险就是永磁就可能会退磁，过去我们一直是很害怕的，如果仔细的去分析这个问题，就会发现永磁直驱风力发电机要退磁实际上是要满足很多的条件，才能够发生，首先它需要非常高的温度，这样高温的条件概率是很低的，同时它要满足满载运行的条件，在中国的风厂当中，满载的概率也不高。其次它还需要在短路的情况下，在短路的情况下才可能发生，短路的概率其实就是非常低，并且光有短路还不一定能让它退磁，必须退磁在非常重要的、非常危险最坏的时刻，才可能把永磁给退磁了，所有概率乘在一起才是我们退磁的概率，所以最终退磁的概率是极低极低。实际上我们其实可以想办法去降低这些概率，比如说想降低退磁概率，我们想想怎么样降低短路的概率，短路的概率真的很低，如果你想办法降低一下，其实是很有效的，能够提高最后期望收益的手段，这是比较简单的方法。我们在过去分析这些问题的时候，我们的模型并不是很准确，这就是风险评估手段了，过去我们在分析比如说永磁退磁的情况下，我们得出了很多结论，某些方案是退磁了，这些方案就被排除在求解之外，就枪毙掉了。我们上海电气在这一块也打造了很多准确的模型，特别是退磁分析的模型，我们发现在过去认为可能退磁的方案，实际上它并不存在退磁的风险，这样一来其实就是可以显著，以前这些方案是很好的，最后枪毙掉了，我们现在可以选用它，这样就可以非常有效的提高方案的期望收益值。

另外一个我们采用的手段，在风机制造过程当中，引入了大量的智能制造技术，这个智能制造技术其实可以减小我们制造过程中的产品质量的离散度，同时减小它的瑕疵率，这样就可以降低设计当中负面状态的概率，从而提高方案的期望收益，达到降低度电成本。

接下来我再展望一下我们海上风电未来的发展趋势，这个问题其实大家一直在思考，我从国外回来之后，也一直在思考这样的问题，其实过去大家一直认为大型化是个趋势，到今天为止，实际上我还是认为大型化是风电发展的主流趋势，特别在风电这一块，占比其实只是一部分，很大一部分成本在运维，在基建这一块，所以如果说能够增加单机的发电量的话，就可以有效降低风电的度电成本。在这里我要强调的是，不仅仅是容量上的，最为关键的实际上是转矩等级的提高，比如说同样的容量等级，我们可以增加叶轮直径，随着叶轮直径的增加本身也是一种大型化，因为叶轮直径的增加就意味着风机的转速，就对于发电机提出了更高转矩的需求，这个时候发电机必然要增大的，对于同样的容量等级叶轮增大的时候，发电机的体积是变大的。为了实现大型化，在海上风电我们怎么去做呢？我觉得在这里模块化还是一个最为有效的技术路线，假如我们能够同时实现风机模块化安装，有能够实现模块化的部件的更换，特别是能实现在现场模块化不见得更换，我相信海上风电未来的发电趋势会迎来巨大的突破，谢谢大家，下面请我们的副总工许移庆介绍下面的一部分，海上风电的移动式基础。

许移庆：各位上午好，刚才我们同事吴总给我们分享了上海电气在大型永磁直驱发电机的一些创新理念和做法，接下来我想分享漂浮式方面的一些技术，说到海上风电，我还是要回顾一下风电发展的历史，因为从更大时间的角度，我们可以找到以后风电的发展会是在哪个方向。大家知道人类对风的利用很早，可以追溯到公元前，那个时候可能主要都是用于农业生产，用于航运，但是人类用风来发电，这个历史只能追溯到1888年。第三张图片的机组大家可以看到，这就是当时用来第一台发电的机组，风轮直径只有17米，但是叶片却有144个，随着风电技术的发展，基本上在一百年后又从这台机组发展了定速定桨的机组形式，但是定速定桨机组并没有在风电的历史上待更长的时间，接着马上被变速变桨风电技术所代替。

当陆上风电在大规模发展的时候，在1999年又把陆上机组这个技术搬到了海上，但是对于我们国家来说，我们在陆上发展的时候，并没有像国外那样发展的顺利，因为我们在发展陆上风电的时候，碰到了很多特殊的环境，大家很清楚，比如说现在碰到的低风速、超低风速，碰到的台风、超复杂的风电厂，还有一些低温的影响，当然有些个别的技术、环境可能在国外已经碰到过，但是更多这些环境是我们国内在发展海上陆上风电所碰到的问题，很多问题我们已经得到了逐步的解决。而对于海上我们在2010年安装了国内的第一个海上风电厂，接着现在2017年短短的7年，大家可以看得到国内沿海从南到北，海上风电基本上已经全面铺开了，所以我们从这个来看就知道，以后海上到底会发展到什么程度，发展到什么样的方向，我们从这个大的实验组上面可以感知到。

我们国内发展海上的时候跟陆上实际上是碰到了同样的问题，海上也并不是一帆风顺的，我们在7年前建第一个海上风电厂的时候，同样碰到了很多国外没有碰到的问题，第一张图我们可以知道，我为什么在下面是叫首次使用多桩承载技术，我们在2006年的时候一直跟很多合作伙伴去筹建第一个海上项目，在这个过程中我们碰到了很多问题，比如说在欧洲用了很多单庄技术形式，技术也很成熟了，但是这些技术形式已经积累的经验在国内并不适应，因为我们的海上实验实在太差，所以他们的技术并不适用我们现在的风电厂，我们怎么办，现在还记得当时这个机组是怎么出来的，我记得有一次跟国外的同行交流，把他带到我们东海大桥上去参观，他到东海大桥以后，他说你们东海大桥都能建起来，我相信海上技术对你们来讲应该是比较简单的，也许我们听了他这句话，通过设计院的努力，我们就诞生了重力式基础，这种技术形式不仅解决了运里程很厚，承载力不够的问题，同时也解决了当时没有安装设备的困难，因为我们刚刚开始海上风电的时候，并没有那么好的船，即使能够把技术设计出来，并不一定能把它安装上去。

第二张图大家可以看得到，我们以前可能单桩技术，包括多桩技术都有导管架，后来我们到了国内来以后，就一直在问这个问题，也许大家节的这个问题非常简单，为什么用这个过渡段，我们不是用的很好吗，为什么你们要取消这个过渡段呢？后来我们就在想这个问题，然后别人就没有答案，我们从国外也找不到答案？为什么不能把它取消掉？当时给我们解释说，第一因为需要调频，因为打桩打的垂直度不够，很难保证，所以需要过渡段，在装塔架上面的时候需要调频，第二打桩的时候把桩顶给打坏，打变形，所以你没办法跟上面的塔架直接进行接触，当然这可能是当时用过渡段的最开始的想法，但是我们想既然你要解决这些问题，如果我通过其他的方式解决这些问题，是不是可以不用这个过渡段了呢？后来通过我们国内风电同仁的努力，现在我们这个风电段已经被取消了，基本上现在已经不用过渡段了，国外的一些同行现在也借用这个方式，不用过渡段的，所以我们在短短的7年时间里面，我们在国内海上就已经取得了很多的突破。

我们海上取得了这么多突破，来回顾一下，再把这个目光更远，往更远的深海远海上去看一下，现在是什么情况，这几张图大家很清楚。第一张漂浮式技术，大家很清楚了，并且研究了很久，我们2017年装了商业化运行。第二个技术有点特殊，因为它用的材料不是钢的，用的是混凝土，四个空心的混凝土柱子。第三个结构是刚刚在DTU水槽里面做完测试的（英文）漂浮式技术的结构，三种结构，第一、第二种都有示范项目的样机在做，第一种用的就是西门子的技术，第二种今年已经把它拆除了，因为它们这个项目想做一个更大机组的示范。

我们看到的是那些技术的研究，我们现在看一下这些技术有没有示范的一些项目，对于我们风电从业者来说，看到这些示范项目安装的时候，我们都是很激动的，对于第一台机组也是世界上第一个漂浮式示范项目的机组，也是用西门子2.3兆瓦的机组，而且这台机组运行的还是很好的，我们也看到了它运行的一些数据。对第二个机组，应该是（英文）2兆瓦的机组，这个机组也是2011年装的，现在2017年刚刚把它拆除掉，因为他们要做一个更大的项目示范。第三张和第四张是福岛未来项目做的示范，第三张图片日本用的是5兆瓦下沉线的技术，第四张用的MHI7兆瓦的技术，它的技术形式类似于第二种技术形式，这么多技术形式，大家一看好像没有国内的，那么我们现在国内怎么做？像做海上固定基础式一样，看到国外有很多经验的时候，国内一定会在这个基础上一定会去开发出自己的示范项目，然后推广到我们自己的风电市场上面去。

非常荣幸的是，我们现在国内马上就要建第一个漂浮式的示范项目，而我们上海电气就是这个示范项目主要的参与者之一，当然发展漂浮式技术的时候，我们像陆上风电、海上风电一样，也碰到了很多跟国外环境不一样的问题，碰到了很多的挑战。首先大家都知道漂浮式技术，大家认为应该是水深很深的地方，水太浅了第一大家认为没有太多经济效益，第二好像也不是太容易装，但是在国内，我们的海水很浅，在这种情况下，我们怎么办？我们能用（英文）吗？当然不行，能用第二种技术形式吗？也不行，第三种现在在测试，没办法用，怎么办，我们像陆地固定式基础一样，寻找一个适应自己海上漂浮式的方案，我们在海上做了很多方案，示范项目在东海，这个项目地点离案大概有70公里，但是水深却只有40米的水深，大家想想40米的水深我们却要做漂浮式基础，怎么做，是不是可以换一个地点呢？换到其他的地方，但是其他水深都是很浅的，比如渤海平均水深18米，黄海平均水深44米，东海平均水深达到300多米，但是我看了一下，我们调查了一下，它这300多米并不是真实的，我们不能用漂浮式技术，因为东海往外海推的时候，有一个海潮，那里的水深很深，最大能达到两千多米，是因为那个水深把我们东海的平均水深拉到300多米，但是如果把我们的离岸距离到150公里的话，我觉得我们的水深也许只有40米那样，我们怎么办？一定要发展出一种漂浮式的技术，能适用于四五十米左右水深的海域，并且它的经济成本是以后能够承担的。

我们通过各种各样方式的比选，找到了第二种方式，第二种方式大家可以看一下，实际上它有一点类似于半浅式和TRP结构的结合，当然这个方案也是出自于首次使用海上固定式技术，现在漂浮式示范项目计划是在2019年，所以从前年开始，就在筹建这个项目，应该怎么去做，怎么找到很好的解决方案，这是找到了其中的一种，但是随着时间的推移，我们会找到更多的方案，为什么？因为如果找不到更好的解决方案的话，我们的海上可能会止步在那里，但是我在PPT开始的时候就讲，我们已经展示了风电发展的历史，实际上这个历史过程你是阻挡不住的，也许今天我们担心漂浮式技术，海这么浅，漂浮式技术成本这么高，我们会去做它吗？也许我们现在回答可能是不，但是我们把目光再往前推，再往后推，也许这个回答就是肯定的。所以我们非常坚定的相信，我们中国在未来，在深远海上面一定会推出去，也一定会走出去，而且基于示范的项目，我想我们上海电气也会和合作伙伴一起，来找到一些更好的漂浮式技术的解决方案。在做漂浮式技术的时候，这个是因为水深问题碰到的一些挑战，在做具体项目的时候同样碰到了很多其他具体的技术细节，比如说我们的水太浅了，如果用这个半浅式加上TRP的结构，它的摆动幅度实际上是不能太大的，如果太大的情况下面，不仅对机组不稳定，另外这个技术还可能触碰到海床，在这种情况下我们是不允许它触碰到海床的，如果水深很深就不会发生这个问题，如果水很浅，随着运动，它是可能碰到海床的。所以我们不仅要控制它的摆幅和大小，可能控制的比其他的漂浮式技术控制得更准确、更精确。另外还要控制频率，比如说摆动的频率到底有多大，控制到什么样的范围，需要根据现场波浪的情况调整频率。但是这个频率调整呢？我们主要是通过基础的机组结构来调整，在这中间怎么平衡，因为机组调了之后，会改变机组的一些情况，比如说尺寸、重量，但是这一改变以后，可能又会影响到这个基础在40米的水深下，可能没办法做一个漂浮式的技术，所以怎么样在你控制之间，在载荷之间找到一个平衡，然后做出一个完美的方案。

所以对于示范性项目的挑战，当然我刚才表述了只是我们遇到挑战中很少的一部分，后面碰到的挑战还会很多，但是我相信我们风电的同仁一定会把这些问题基于国内的条件，一个个跟它击破。

我记得我们在2012年参加世界风能大会的时候，那个时候在世界风能大会上面他们提出来说一个计划，在一些社区或者在一些局部区域里面，要提上百分之百可再生能源，也就是在5年前，当时我们在讲可能一个社区比较小，觉得百分之百可再生能源是可以实现的。5年之后，麻省理工大学的教授提出来一个更宏伟的蓝图，也就是到2050年，全世界139个国家实现百分之百可再生能源，当时提出来的时候，在座的各位可能都知道，也许大家都在怀疑这个问题，觉得2050年是否能够实现这个百分之百可再生能源，通过大家怀疑，通过大家的探讨，通过大家的讨论，通过大家的交流，我觉得到今天可能大家对这个目标更有信心。为什么？大家可以看得到，到2050年可再生能源如果能实现，我们风电大概占了42%，接近一半的份额，但是我们再想一想现在风电占到所有用电量的百分之多少，可能只有个位数，这么大的量我们怎么去弥补。2010年建了第一个海上风电项目，到目前为止我们也建了很多，但是离目标还有多远，我们不用怀疑这个目标，为什么不用怀疑？因为我们还有很多资源在那里，近海的资源已经逐步在开发，我们刚才讲的，我们的海上资源，我们近海资源在开发，我们的远海资源可能更多，那么我们怎么样去开发远海的资源，如果我们能够把陆上的资源，把近海的风资源以及深海的资源都能利用起来，我想这一天肯定能够实现我们最终的百分之百可再生能源。

我们上海电气一直从事于陆上海上风电的发展，现在海上风电在国内装机容量已经遥遥领先，但是我们觉得我们做的还不够，因为我们不仅要做近海的，还要做远海的，把我们的技术，把我们的机组推到更远的世界的地方去，推到风资源更好的地方去，以实现我们社会人类共同的百分之百可再生能源的目标，所以我也期待，希望上海电气能跟各位一起努力，努力的实现百分之百可再生能源这个目标，谢谢。

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