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对于金风科技而言，研制大兆瓦机组既意在持续提升自身核心竞争力，更是推动产业链实现升级突破的契机。
文 |《风能》杂志 夏云峰
2022 年10 月11 日，新疆金风科技股份有限公司（下称“金风科技”）董事长武钢在中央广播电视总台“新闻联播”节目中提及，由金风科技主导研发的16MW 海上风电机组已经进入最后测试阶段，即将下线。这势必将一举刷新海上风电机组单机容量、叶片长度等多项世界纪录。
2 天后，金风科技对外宣布，其自主研发、拥有完全自主知识产权的GWH252-13.6MW机组在福建省福清市福建三峡海上风电国际产业园成功下线，成为目前全球范围内风轮直径最大、同等容量机组风能转化效率最高、亚太地区单机容量最大的风电机组。
上述消息迅速引发各方广泛关注，标志着我国大兆瓦海上风电机组研制迎来了新的里程碑，表明我国海上风电机组关键核心技术水平迈入世界先进行列。
回顾过往，这显然不是金风科技第一次立于风电技术发展的浪潮之巅。自2007 年安装首台海上风电机组以来，无论市场潮起潮落，这家风电整机龙头企业始终基于自己对产业的深刻理解，紧扣市场脉搏，以拓宽海上风电价值边界为目标，以技术创新为支点，以高发电效率和高可靠性为标尺，不断用创新产品定义着海上风电发展的每一个“大”时代。
“在中国大兆瓦海上风电机组技术的演进历程中，金风科技一直是最重要的推动者。因为我们坚信，海上风电代表着我国东、南部沿海地区绿色发展的未来，而机组大型化则是不断降低海上风电度电成本的重要路径之一。”金风科技副总裁、风电产业集团总经理薛乃川向《风能》表示。
机组大型化背后的经济性考量
时至今日，大规模开发海上风能资源对于推动我国沿海省份社会经济可持续发展的重要意义，已经毋庸置疑。
党的十八大以来，国家大力推进能源转型，谋求绿色、可持续发展。尤其是2020 年9 月国家明确碳达峰与碳中和时间表后，这一进程大大提速，有力支撑了我国保持高质量发展。
不久前召开的党的二十大提出，积极稳妥推进碳达峰、碳中和，立足我国能源资源禀赋，坚持先立后破，有计划分步骤实施碳达峰行动，深入推进能源革命，加快规划建设新型能源体系。
沿海省份经济发达，能耗大，且能源结构以化石能源为主，减排压力巨大。综合资源禀赋来看，海上风电将是这些地区落实碳达峰与碳中和目标的主要抓手。
近几年，沿海省份纷纷加快开发海上风能资源，核准容量和装机容量均大幅增加。据中国可再生能源学会风能专业委员会（CWEA）统计，2021 年，我国海上风电新增装机容量达到1448.2 万千瓦，同比增长276.7%，新增装机容量与累计装机容量双双位居全球第一。
“十四五”期间，面对“国补”的全面取消，海上风电产业面临着巨大的降本压力。目前业界的共识是，采用大兆瓦机组是促使度电成本下降的一个主要途径。
薛乃川告诉《风能》，其背后的逻辑在于：
一方面，应用大兆瓦机组，可以大大减少同等装机规模海上风电项目的机位点数量，进而节约海域使用面积，降低海上支撑结构、电缆、用海、施工等方面的分摊成本，继而拉低项目的初始投资。尤其是考虑到海上风电开发正在走向深远海，基础造价及施工成本更高，应用大兆瓦机组在降低深远海风电项目成本方面的作用会凸显。
以一个总装机40 万千瓦的海上风电项目为例，采用金风科技13.6MW 风电机组将比采用8MW 机组节省20 个机位点，仅在风电机组基础、吊装、塔架、海缆、用海等方面就能够节省费用近4 亿元，约1000 元/ 千瓦。目前，福建的海上风电项目工程造价在14000~15000元/ 千瓦，因此，应用大兆瓦机组所带来的成本下降是相当可观的。
另一方面，海上风电机组的运维成本占项目运营成本的80% 以上，应用大兆瓦机组可以有效分摊运维成本，进而降低整个项目的运营成本。
同时，应用大兆瓦机组能够显著增加项目的年发电量，特别是在风能资源禀赋较好的福建省沿海区域，单机发电量会有明显提升。
由此带来的将是项目度电成本的下降。
这也就不难理解，为何各家整机企业争相推出大兆瓦机组，海上风电机组单机容量呈现加速增长之势。中国可再生能源学会风能专业委员会提供的数据显示，在2021 年我国新增的海上风电装机中，6.0MW 及以上机组的占比达到58%。其中，6.0~7.0MW（不含7.0MW）机组占45.9%，同比增加29.8%。7.0MW及以上机组所占的份额也在稳步提高。
政策层面同样积极支持推进大兆瓦海上风电机组的研发。国家能源局、科学技术部联合发布的《“十四五”能源领域科技创新规划》提出，开发15MW 及以上海上风电机组整机设计集成技术、先进测试技术与测试平台；开展12~15MW级超大型海上风电机组工程示范。
金风科技：引领大兆瓦机组发展
作为国内第一、全球第二的风电整机制造商，早在2007 年，金风科技即投运了自己的首台海上风电试验机组，是国内最早一批从事海上风电技术研发并完成实际应用的风电整机企业。
15 年间，依托强大的科研团队、完善的研发体系以及深厚的实践积累，金风科技稳步推进海上风电机组研制，一批重要成果陆续面世，引领海上风电机组大型化的发展潮流。
国内首台拥有完全自主知识产权的8MW机组
2019 年9 月，国内首台拥有完全自主知识产权的8MW 机组在金风科技福建装备制造基地下线，标志着金风科技正式完成大兆瓦机组开发。在此过程中，金风科技依托自有的试验中心，完成了8MW 机型变桨偏航轴承、液压变桨系统等关键零部件的测试和验证；通过水冷系统试验测试平台，对一体化水冷系统进行长期运行测试，保证了系统可靠性；对变压器、变流器等关键零部件的试验验证，保证了其电气系统可靠性；通过整机试验台拖动测试，对整机功能、性能进行了测试验证。
通过8MW 机组的研发，金风科技完成了E-TOP 结构的探索，积累了零部件制造、整机控制及安装、运维经验。在此基础上，金风科技进一步导入中速永磁技术路线，为此后更大兆瓦机组在性能与成本上取得突破奠定基础。
2022 年， 金风科技推出了GWH252-13.6MW 机型。这款产品针对福建、浙江、广东等东南沿海海域而设计， 单机容量为13.6MW，风轮直径达到252 米，风轮扫掠面积约5 万平方米，相当于7 个标准足球场。在额定风速下，风轮每转动一圈可发电29千瓦时，单台机组每年可输出6350 万千瓦时清洁电能，能满足3.2 万户三口之家一年的正常用电。
全球最大风轮直径海上风电机组GWH252-13.6MW下线
在此之前，金风科技识别到海上，尤其是福建区域市场的点位敏感性特点，适时启动了16MW机组的研发，并将在2022 年内完成16MW 样机下线。
据薛乃川透露，金风科技的下一代超大容量海上风电机组已经处于规划和开发之中。
在多年的发展中，随着对海上风电的理解日渐加深，金风科技对其中蕴藏的风险愈加重视。正因如此，薛乃川在接受《风能》专访时反复强调大兆瓦海上风电机组的研发应保持好节奏。
他指出，“更大容量机型的开发，是‘摸着石头过河’的过程，欲速则不达，金风科技秉持‘风电长跑’的理念，跑得快，更要跑得稳。”
16MW机组：兼具高性能与低成本
作为一款超大型海上风电产品，16MW 机组是金风科技深耕海上风电领域多年取得的重要阶段性成果，融入了多项代表现阶段全球先进水平的技术。
在技术路线上，16MW 机组运用了金风科技有着超过15 年研发积淀的中速永磁技术，齿轮箱采用多级行星传动，传动比适中；传动系扭矩、弯矩解耦，齿轮箱纯扭矩工作，齿轮箱与发电机集成，无联轴器，永磁发电机无滑环，可靠性更高。
据了解，金风科技早在2006 年便启动了中速永磁技术的研究，到2021 年正式发布12MW 海上风电机组等全新一代中速永磁平台产品时已有15 年之久。目前，金风科技共推出了十多款基于该技术路线的海陆风电产品，可以满足集中式、大基地、分散式、常规海拔、高海拔以及海上等多种应用场景的开发需求。
叶片是决定风电机组捕风能力的核心部件。金风科技16MW 机组所用的高性能叶片翼型为该公司自主开发，相比行业内通用翼型，它具有高升阻比、高气动性能、低气动载荷、低粗糙敏感性等优势。
设计中，研发团队需要攻克一系列难题，比如大风轮机组面临的空间大气流场环境复杂度和不确定性显著增加问题。以16MW 机组叶片为例，其面内风速差异最高可达5~10 米/ 秒，极端运行阵风（EOG）较国际电工委员会（IEC）标准超出50%。要解决这个问题，就必须对“风”进行精细化评估。金风科技通过采用国际先进的多源观测资料融合技术与国内首创的虚拟测风技术，实现对风能资源数据的准确评估；利用自主研发的风匠仿真平台，对现场物理现象实现了高保真度和高精度的还原，保障机组载荷设计的准确性。
另一大难题是百米级叶片长柔及弯扭耦合特性显著增加。针对于此，不同于行业内采用现有翼型简单堆叠放大的方式，金风科技拥有自主高精度翼型开发及仿真能力，通过应用领先于行业的弯扭耦合设计方法和叶片预扭技术，不仅降低了叶片污染等因素导致的发电量损失、叶片出力下降和容易失稳的风险，并且通过结构创新和充分发挥碳纤维材料比模量高、比强度高等优势，将叶片重量和机组载荷降至最低，使整机的成本及可靠性达到最优。
轴承寿命与可靠性，以及出现故障后下塔更换同样是大型海上风电机组面对的关键技术挑战之一。金风科技16MW 机组通过采用滚动轴承和滑动轴承主轴系外接口通用的方式，兼顾了机组研发进度和新技术研究两者的平衡。金风科技也有意通过该项目推动滑动轴承技术在大功率机组上的应用验证。
据悉，滑动轴承相对滚动轴承在承载、冲击等方面拥有诸多优势，产业化开发难度相对较低。金风科技是行业内较早进入滑动轴承研究和应用领域的整机企业，积累了大量的开发经验和样机运行数据。
此外，不同于传统风电机组被动响应电网的方式，金风科技的16MW 机组沿用全功率变流器，具备高效调节能力，能够主动支撑电网，具有振荡抑制、电压支撑、弱电网适应性、主动调频、惯量响应等核心技术能力。
需要提及的是，16MW 机组还充分考虑了噪音、电磁干扰对鸟类、鱼类等生物的影响。机组通过减少外部散热电机数量，加大散热器面积，充分利用自然风散热，从而降低整机噪音。机组叶片红色警示色、机舱顶安装的驱鸟器，可以实现全范围驱鸟，避免风电机组对鸟类生存产生干扰。
在吊装方面，结合大兆瓦海上风电机组安装难度大、施工时间窗口期短等特点，金风科技的16MW 机组采用了成熟的E-TOP 结构，整机采取“机头一勾吊装+ 单叶片吊装”组合方式，可在最高风速达18 米/ 秒的环境下完成安装作业，能够减少吊装时间，增加可吊装的时间窗口期。E-TOP设计使得机组在出厂前就可完成机头调试，现场吊安装完成后即实现“一键启机”。
当然，机组大型化虽然可以带来诸多好处，但也必然意味着机组自身成本的上升。因此，如何在增加单机容量的同时控制好由此增加的成本，使大兆瓦机组的应用能够具有更好的经济性，就成为一项十分重要的工作。
金风科技的16MW 风电机组基于平台化设计理念，驱动、机械器件均实现复用，采用“型号一致、数量控制”的原则，大大减少了定制化物料，降低了机组设计、采购、生产、运维全过程成本。
同时，该机型的PLC 系统、变压器、齿轮箱等核心部件均实现100% 国产化，成本随之大幅度降低。
此外，16MW 机组的齿轮箱、发电机等部件可通过塔顶辅助吊机更换，风轮无需下塔，因而不需要动用吊装船舶，提高了运维的便利性，并降低运维成本。
应用金风科技机组的江苏大丰区龙源H4、6海上风电场
风电机组的高可靠性从何而来
海上风电机组需要直面恶劣的海洋环境长达25 年的考验，因此，高可靠性将是海上风电机组的一道“生命线”。
产品的高可靠性，首先是设计出来的。有着24 年风电机组研发经验的金风科技自然深知这一点，而数字化技术的广泛应用则为设计工作提供了更为丰富、高效的工具。
围绕16MW 机组，金风科技的研发团队借助数字孪生技术，在设计之初就全面考虑了风电场生命周期不同阶段对产品数字化、智能化、定制化方面的要求，从风电场系统最优的角度确定风电机组的性能要求。
在此基础上，金风科技在业内率先实现了机组平台化、模块化并行设计。引入在汽车行业得到广泛应用的CMAN 分析法，用于新产品开发中关键系统及主要零部件沿用变更分析，并指导产品开发过程中设计、生产、验证与确认重点方向，在产品设计全过程植入可靠性设计，确保机组的高可靠性。
据悉，CMAN 分析是指在概念、计划和设计阶段，对关键子系统、模块和主要零部件的功能、性能、技术、材料、结构、工艺等关键因素的设计、验证、生产制造和实际使用优缺点进行分析。其分类为：C（Carryover）：沿用件；M（Modified）：修改件；A（Adopt for the platform）：全新件，平台机型沿用；N（New for the wind turbine）：全新件，单一机型。
由于我国东南海域台风频发，整机防台风设计自然成为必不可少的一环。在16MW 机组上，金风科技的研发团队运用国际先进的流固耦合高阶模型（HI-FI）仿真算法，精确仿真防台风方案和台风工况的载荷，适应台风突变、瞬变风速和极大湍流的恶劣工况。通过强化叶片、螺栓、轴承等关键部件设计，定制化设计塔架和基础，充分保障台风过境时的机组安全。
测试验证是确保风电机组可靠性的另一道重要“防线”。金风科技拥有首家取得中国合格评定国家认可委员会（CNAS）认证的实验室，实验能力贯穿零部件、子系统、整机至并网的全部环节，摈弃了单纯的仿真、等比例缩小实验台等传统手段。全面应用敏感应力快速激发技术、大型台架式实验系统、综合应力加载系统、功率硬件在环仿真系统等贴近实际的重型实验装备，并且融合了数字化、大数据、云计算等工业4.0 技术。
金风科技16MW整机传动试验平台
为了更好地满足未来大兆瓦海上风电机组研发的测试验证需求，金风科技还搭建了16MW六自由度整机传动试验台。该平台由金风科技自主设计，占地60 亩，旨在打造集仿真、机械、电机、电气、环境、并网于一体的机电传动综合试验平台，它也是目前全球最大、功能最全的六自由度风电整机传动试验平台。
协同创新带动产业链升级突破
大兆瓦海上风电机组的研发，离不开上下游产业链的支撑。特别是在我国风电产业链仍有“短板”的情况下，对产业链的培育变得尤为关键。
据薛乃川介绍，针对16MW 海上风电机组的研发，金风科技将供应链工作前置，与供应商开展协同设计。通过产业链创新不仅支撑了自身大兆瓦海上风电机组的研发和制造，还推动了国内风电产业链升级，为打造坚强的产业链夯实基础。
以该机型所用的超长风电碳纤维叶片为例，通过供应链上下游协同设计，调配全链条的技术资源、试验台资源及模具生产资源，极大推动了国内超长风电碳纤维叶片生产制造能力的提升，以及全碳纤维主梁在国产叶片上的批量化应用，不仅为国内大型风电叶片高精度生产加工提供了一次全流程的实践机会，也为未来更大叶片的研发设计积累了经验。
16MW 机组变桨轴承采用了三排柱滚子轴承，其外径为目前全球最大。金风科技与国内风电轴承头部企业深入合作，推动了国内轴承厂商对机加工和热处理设备进行升级改造，在保障关键部件加工生产的同时，还拉动了国内精密机械制造企业向世界顶级制造领域迈进。
16MW 机组所用的风电铸件净重超过60吨，是大型球墨铸件在风电行业进行的一次跨越性尝试。通过市场资源摸排锁定和资金注入等模式，金风科技与供应商携手攻克了“砂箱设计避免铁水流淌不充盈”“减少后续铸件机械加工难度”等难题。
此外，大型变流器在海上高湿环境下全功率运转，需要考虑防火、抗震、高温等复杂工况。金风科技采用与国内变流器厂家联合设计的方式进行16MW 风电机组开发，设计出变流效率高达98% 以上的产品，相应的制造和试验能力同步完成建设，并将于年内实现最终产品的交付。
除了核心部件外，基于16MW 及更大兆瓦海上风电机组的安装需要，2022 年8 月，金风海洋工程有限公司开始着手打造1600 吨风电安装平台。平台主吊主钩最大吊高165 米，最大吊重1600 吨，主吊副钩最大吊高183 米，最大吊重500 吨，具备70 米水深施工能力，能够满足国内绝大部分固定式支撑结构20MW以上海上风电机组，以及风轮直径320 米以下风电机组的安装需求。
产业链“补强”产生的更广泛价值在于，有望为驱动沿海经济发展注入“新动能”。在金风科技16MW 机组的研制过程中，来自江苏、山东、浙江、广东等地的供应商均参与其中，未来2~3年这些地区的相关产业预计会得到快速发展。经初步核算，金风科技的16MW机组项目每年将促进国内沿海区域新增GDP约25 亿元。其中，碳纤维叶片产业约10 亿元，铸件加工产业约5 亿元。
谈及海上风电产业未来的发展，薛乃川认为依然需要保持谨慎的态度，不能盲目乐观。“海上风电开发的风险大，海工装备、配套运维等环节的发展不够成熟，缺少长期的运行数据及经验积累。因此，我们一定不能抢跑，要小步快跑，充分利用好不断积累的经验和技术底蕴，逐步补齐‘短板’，这也是国家提出高质量发展的应有之义。”
他进一步表示，“在全面平价和双碳目标的背景下，海上风电机组大型化是大势所趋，但我们认为这并非一味的容量比拼和竞速，而是结合产业链上下游发展水平，以高质量、高可靠性为前提的大型风电机组的稳步发展。”
而这些理念早已融入金风科技的发展战略之中，成为这家企业自成立以来始终保持良好发展势头的一大基石。
