對于金風科技而言，研制大兆瓦機組既意在持續提升自身核心競爭力，更是推動產業鏈實現升級突破的契機。
文 |《風能》雜志 夏云峰
2022 年10 月11 日，新疆金風科技股份有限公司（下稱“金風科技”）董事長武鋼在中央廣播電視總臺“新聞聯播”節目中提及，由金風科技主導研發的16MW 海上風電機組已經進入最后測試階段，即將下線。這勢必將一舉刷新海上風電機組單機容量、葉片長度等多項世界紀錄。
2 天后，金風科技對外宣布，其自主研發、擁有完全自主知識產權的GWH252-13.6MW機組在福建省福清市福建三峽海上風電國際產業園成功下線，成為目前全球范圍內風輪直徑最大、同等容量機組風能轉化效率最高、亞太地區單機容量最大的風電機組。
上述消息迅速引發各方廣泛關注，標志著我國大兆瓦海上風電機組研制迎來了新的里程碑，表明我國海上風電機組關鍵核心技術水平邁入世界先進行列。
回顧過往，這顯然不是金風科技第一次立于風電技術發展的浪潮之巔。自2007 年安裝首臺海上風電機組以來，無論市場潮起潮落，這家風電整機龍頭企業始終基于自己對產業的深刻理解，緊扣市場脈搏，以拓寬海上風電價值邊界為目標，以技術創新為支點，以高發電效率和高可靠性為標尺，不斷用創新產品定義著海上風電發展的每一個“大”時代。
“在中國大兆瓦海上風電機組技術的演進歷程中，金風科技一直是最重要的推動者。因為我們堅信，海上風電代表著我國東、南部沿海地區綠色發展的未來，而機組大型化則是不斷降低海上風電度電成本的重要路徑之一。”金風科技副總裁、風電產業集團總經理薛乃川向《風能》表示。
機組大型化背后的經濟性考量
時至今日，大規模開發海上風能資源對于推動我國沿海省份社會經濟可持續發展的重要意義，已經毋庸置疑。
黨的十八大以來，國家大力推進能源轉型，謀求綠色、可持續發展。尤其是2020 年9 月國家明確碳達峰與碳中和時間表后，這一進程大大提速，有力支撐了我國保持高質量發展。
不久前召開的黨的二十大提出，積極穩妥推進碳達峰、碳中和，立足我國能源資源稟賦，堅持先立后破，有計劃分步驟實施碳達峰行動，深入推進能源革命，加快規劃建設新型能源體系。
沿海省份經濟發達，能耗大，且能源結構以化石能源為主，減排壓力巨大。綜合資源稟賦來看，海上風電將是這些地區落實碳達峰與碳中和目標的主要抓手。
近幾年，沿海省份紛紛加快開發海上風能資源，核準容量和裝機容量均大幅增加。據中國可再生能源學會風能專業委員會（CWEA）統計，2021 年，我國海上風電新增裝機容量達到1448.2 萬千瓦，同比增長276.7%，新增裝機容量與累計裝機容量雙雙位居全球第一。
“十四五”期間，面對“國補”的全面取消，海上風電產業面臨著巨大的降本壓力。目前業界的共識是，采用大兆瓦機組是促使度電成本下降的一個主要途徑。
薛乃川告訴《風能》，其背后的邏輯在于：
一方面，應用大兆瓦機組，可以大大減少同等裝機規模海上風電項目的機位點數量，進而節約海域使用面積，降低海上支撐結構、電纜、用海、施工等方面的分攤成本，繼而拉低項目的初始投資。尤其是考慮到海上風電開發正在走向深遠海，基礎造價及施工成本更高，應用大兆瓦機組在降低深遠海風電項目成本方面的作用會凸顯。
以一個總裝機40 萬千瓦的海上風電項目為例，采用金風科技13.6MW 風電機組將比采用8MW 機組節省20 個機位點，僅在風電機組基礎、吊裝、塔架、海纜、用海等方面就能夠節省費用近4 億元，約1000 元/ 千瓦。目前，福建的海上風電項目工程造價在14000~15000元/ 千瓦，因此，應用大兆瓦機組所帶來的成本下降是相當可觀的。
另一方面，海上風電機組的運維成本占項目運營成本的80% 以上，應用大兆瓦機組可以有效分攤運維成本，進而降低整個項目的運營成本。
同時，應用大兆瓦機組能夠顯著增加項目的年發電量，特別是在風能資源稟賦較好的福建省沿海區域，單機發電量會有明顯提升。
由此帶來的將是項目度電成本的下降。
這也就不難理解，為何各家整機企業爭相推出大兆瓦機組，海上風電機組單機容量呈現加速增長之勢。中國可再生能源學會風能專業委員會提供的數據顯示，在2021 年我國新增的海上風電裝機中，6.0MW 及以上機組的占比達到58%。其中，6.0~7.0MW（不含7.0MW）機組占45.9%，同比增加29.8%。7.0MW及以上機組所占的份額也在穩步提高。
政策層面同樣積極支持推進大兆瓦海上風電機組的研發。國家能源局、科學技術部聯合發布的《“十四五”能源領域科技創新規劃》提出，開發15MW 及以上海上風電機組整機設計集成技術、先進測試技術與測試平臺；開展12~15MW級超大型海上風電機組工程示范。
金風科技：引領大兆瓦機組發展
作為國內第一、全球第二的風電整機制造商，早在2007 年，金風科技即投運了自己的首臺海上風電試驗機組，是國內最早一批從事海上風電技術研發并完成實際應用的風電整機企業。
15 年間，依托強大的科研團隊、完善的研發體系以及深厚的實踐積累，金風科技穩步推進海上風電機組研制，一批重要成果陸續面世，引領海上風電機組大型化的發展潮流。
國內首臺擁有完全自主知識產權的8MW機組
2019 年9 月，國內首臺擁有完全自主知識產權的8MW 機組在金風科技福建裝備制造基地下線，標志著金風科技正式完成大兆瓦機組開發。在此過程中，金風科技依托自有的試驗中心，完成了8MW 機型變槳偏航軸承、液壓變槳系統等關鍵零部件的測試和驗證；通過水冷系統試驗測試平臺，對一體化水冷系統進行長期運行測試，保證了系統可靠性；對變壓器、變流器等關鍵零部件的試驗驗證，保證了其電氣系統可靠性；通過整機試驗臺拖動測試，對整機功能、性能進行了測試驗證。
通過8MW 機組的研發，金風科技完成了E-TOP 結構的探索，積累了零部件制造、整機控制及安裝、運維經驗。在此基礎上，金風科技進一步導入中速永磁技術路線，為此后更大兆瓦機組在性能與成本上取得突破奠定基礎。
2022 年， 金風科技推出了GWH252-13.6MW 機型。這款產品針對福建、浙江、廣東等東南沿海海域而設計， 單機容量為13.6MW，風輪直徑達到252 米，風輪掃掠面積約5 萬平方米，相當于7 個標準足球場。在額定風速下，風輪每轉動一圈可發電29千瓦時，單臺機組每年可輸出6350 萬千瓦時清潔電能，能滿足3.2 萬戶三口之家一年的正常用電。
全球最大風輪直徑海上風電機組GWH252-13.6MW下線
在此之前，金風科技識別到海上，尤其是福建區域市場的點位敏感性特點，適時啟動了16MW機組的研發，并將在2022 年內完成16MW 樣機下線。
據薛乃川透露，金風科技的下一代超大容量海上風電機組已經處于規劃和開發之中。
在多年的發展中，隨著對海上風電的理解日漸加深，金風科技對其中蘊藏的風險愈加重視。正因如此，薛乃川在接受《風能》專訪時反復強調大兆瓦海上風電機組的研發應保持好節奏。
他指出，“更大容量機型的開發，是‘摸著石頭過河’的過程，欲速則不達，金風科技秉持‘風電長跑’的理念，跑得快，更要跑得穩。”
16MW機組：兼具高性能與低成本
作為一款超大型海上風電產品，16MW 機組是金風科技深耕海上風電領域多年取得的重要階段性成果，融入了多項代表現階段全球先進水平的技術。
在技術路線上，16MW 機組運用了金風科技有著超過15 年研發積淀的中速永磁技術，齒輪箱采用多級行星傳動，傳動比適中；傳動系扭矩、彎矩解耦，齒輪箱純扭矩工作，齒輪箱與發電機集成，無聯軸器，永磁發電機無滑環，可靠性更高。
據了解，金風科技早在2006 年便啟動了中速永磁技術的研究，到2021 年正式發布12MW 海上風電機組等全新一代中速永磁平臺產品時已有15 年之久。目前，金風科技共推出了十多款基于該技術路線的海陸風電產品，可以滿足集中式、大基地、分散式、常規海拔、高海拔以及海上等多種應用場景的開發需求。
葉片是決定風電機組捕風能力的核心部件。金風科技16MW 機組所用的高性能葉片翼型為該公司自主開發，相比行業內通用翼型，它具有高升阻比、高氣動性能、低氣動載荷、低粗糙敏感性等優勢。
設計中，研發團隊需要攻克一系列難題，比如大風輪機組面臨的空間大氣流場環境復雜度和不確定性顯著增加問題。以16MW 機組葉片為例，其面內風速差異最高可達5~10 米/ 秒，極端運行陣風（EOG）較國際電工委員會（IEC）標準超出50%。要解決這個問題，就必須對“風”進行精細化評估。金風科技通過采用國際先進的多源觀測資料融合技術與國內首創的虛擬測風技術，實現對風能資源數據的準確評估；利用自主研發的風匠仿真平臺，對現場物理現象實現了高保真度和高精度的還原，保障機組載荷設計的準確性。
另一大難題是百米級葉片長柔及彎扭耦合特性顯著增加。針對于此，不同于行業內采用現有翼型簡單堆疊放大的方式，金風科技擁有自主高精度翼型開發及仿真能力，通過應用領先于行業的彎扭耦合設計方法和葉片預扭技術，不僅降低了葉片污染等因素導致的發電量損失、葉片出力下降和容易失穩的風險，并且通過結構創新和充分發揮碳纖維材料比模量高、比強度高等優勢，將葉片重量和機組載荷降至最低，使整機的成本及可靠性達到最優。
軸承壽命與可靠性，以及出現故障后下塔更換同樣是大型海上風電機組面對的關鍵技術挑戰之一。金風科技16MW 機組通過采用滾動軸承和滑動軸承主軸系外接口通用的方式，兼顧了機組研發進度和新技術研究兩者的平衡。金風科技也有意通過該項目推動滑動軸承技術在大功率機組上的應用驗證。
據悉，滑動軸承相對滾動軸承在承載、沖擊等方面擁有諸多優勢，產業化開發難度相對較低。金風科技是行業內較早進入滑動軸承研究和應用領域的整機企業，積累了大量的開發經驗和樣機運行數據。
此外，不同于傳統風電機組被動響應電網的方式，金風科技的16MW 機組沿用全功率變流器，具備高效調節能力，能夠主動支撐電網，具有振蕩抑制、電壓支撐、弱電網適應性、主動調頻、慣量響應等核心技術能力。
需要提及的是，16MW 機組還充分考慮了噪音、電磁干擾對鳥類、魚類等生物的影響。機組通過減少外部散熱電機數量，加大散熱器面積，充分利用自然風散熱，從而降低整機噪音。機組葉片紅色警示色、機艙頂安裝的驅鳥器，可以實現全范圍驅鳥，避免風電機組對鳥類生存產生干擾。
在吊裝方面，結合大兆瓦海上風電機組安裝難度大、施工時間窗口期短等特點，金風科技的16MW 機組采用了成熟的E-TOP 結構，整機采取“機頭一勾吊裝+ 單葉片吊裝”組合方式，可在最高風速達18 米/ 秒的環境下完成安裝作業，能夠減少吊裝時間，增加可吊裝的時間窗口期。E-TOP設計使得機組在出廠前就可完成機頭調試，現場吊安裝完成后即實現“一鍵啟機”。
當然，機組大型化雖然可以帶來諸多好處，但也必然意味著機組自身成本的上升。因此，如何在增加單機容量的同時控制好由此增加的成本，使大兆瓦機組的應用能夠具有更好的經濟性，就成為一項十分重要的工作。
金風科技的16MW 風電機組基于平臺化設計理念，驅動、機械器件均實現復用，采用“型號一致、數量控制”的原則，大大減少了定制化物料，降低了機組設計、采購、生產、運維全過程成本。
同時，該機型的PLC 系統、變壓器、齒輪箱等核心部件均實現100% 國產化，成本隨之大幅度降低。
此外，16MW 機組的齒輪箱、發電機等部件可通過塔頂輔助吊機更換，風輪無需下塔，因而不需要動用吊裝船舶，提高了運維的便利性，并降低運維成本。
應用金風科技機組的江蘇大豐區龍源H4、6海上風電場
風電機組的高可靠性從何而來
海上風電機組需要直面惡劣的海洋環境長達25 年的考驗，因此，高可靠性將是海上風電機組的一道“生命線”。
產品的高可靠性，首先是設計出來的。有著24 年風電機組研發經驗的金風科技自然深知這一點，而數字化技術的廣泛應用則為設計工作提供了更為豐富、高效的工具。
圍繞16MW 機組，金風科技的研發團隊借助數字孿生技術，在設計之初就全面考慮了風電場生命周期不同階段對產品數字化、智能化、定制化方面的要求，從風電場系統最優的角度確定風電機組的性能要求。
在此基礎上，金風科技在業內率先實現了機組平臺化、模塊化并行設計。引入在汽車行業得到廣泛應用的CMAN 分析法，用于新產品開發中關鍵系統及主要零部件沿用變更分析，并指導產品開發過程中設計、生產、驗證與確認重點方向，在產品設計全過程植入可靠性設計，確保機組的高可靠性。
據悉，CMAN 分析是指在概念、計劃和設計階段，對關鍵子系統、模塊和主要零部件的功能、性能、技術、材料、結構、工藝等關鍵因素的設計、驗證、生產制造和實際使用優缺點進行分析。其分類為：C（Carryover）：沿用件；M（Modified）：修改件；A（Adopt for the platform）：全新件，平臺機型沿用；N（New for the wind turbine）：全新件，單一機型。
由于我國東南海域臺風頻發，整機防臺風設計自然成為必不可少的一環。在16MW 機組上，金風科技的研發團隊運用國際先進的流固耦合高階模型（HI-FI）仿真算法，精確仿真防臺風方案和臺風工況的載荷，適應臺風突變、瞬變風速和極大湍流的惡劣工況。通過強化葉片、螺栓、軸承等關鍵部件設計，定制化設計塔架和基礎，充分保障臺風過境時的機組安全。
測試驗證是確保風電機組可靠性的另一道重要“防線”。金風科技擁有首家取得中國合格評定國家認可委員會（CNAS）認證的實驗室，實驗能力貫穿零部件、子系統、整機至并網的全部環節，擯棄了單純的仿真、等比例縮小實驗臺等傳統手段。全面應用敏感應力快速激發技術、大型臺架式實驗系統、綜合應力加載系統、功率硬件在環仿真系統等貼近實際的重型實驗裝備，并且融合了數字化、大數據、云計算等工業4.0 技術。
金風科技16MW整機傳動試驗平臺
為了更好地滿足未來大兆瓦海上風電機組研發的測試驗證需求，金風科技還搭建了16MW六自由度整機傳動試驗臺。該平臺由金風科技自主設計，占地60 畝，旨在打造集仿真、機械、電機、電氣、環境、并網于一體的機電傳動綜合試驗平臺，它也是目前全球最大、功能最全的六自由度風電整機傳動試驗平臺。
協同創新帶動產業鏈升級突破
大兆瓦海上風電機組的研發，離不開上下游產業鏈的支撐。特別是在我國風電產業鏈仍有“短板”的情況下，對產業鏈的培育變得尤為關鍵。
據薛乃川介紹，針對16MW 海上風電機組的研發，金風科技將供應鏈工作前置，與供應商開展協同設計。通過產業鏈創新不僅支撐了自身大兆瓦海上風電機組的研發和制造，還推動了國內風電產業鏈升級，為打造堅強的產業鏈夯實基礎。
以該機型所用的超長風電碳纖維葉片為例，通過供應鏈上下游協同設計，調配全鏈條的技術資源、試驗臺資源及模具生產資源，極大推動了國內超長風電碳纖維葉片生產制造能力的提升，以及全碳纖維主梁在國產葉片上的批量化應用，不僅為國內大型風電葉片高精度生產加工提供了一次全流程的實踐機會，也為未來更大葉片的研發設計積累了經驗。
16MW 機組變槳軸承采用了三排柱滾子軸承，其外徑為目前全球最大。金風科技與國內風電軸承頭部企業深入合作，推動了國內軸承廠商對機加工和熱處理設備進行升級改造，在保障關鍵部件加工生產的同時，還拉動了國內精密機械制造企業向世界頂級制造領域邁進。
16MW 機組所用的風電鑄件凈重超過60噸，是大型球墨鑄件在風電行業進行的一次跨越性嘗試。通過市場資源摸排鎖定和資金注入等模式，金風科技與供應商攜手攻克了“砂箱設計避免鐵水流淌不充盈”“減少后續鑄件機械加工難度”等難題。
此外，大型變流器在海上高濕環境下全功率運轉，需要考慮防火、抗震、高溫等復雜工況。金風科技采用與國內變流器廠家聯合設計的方式進行16MW 風電機組開發，設計出變流效率高達98% 以上的產品，相應的制造和試驗能力同步完成建設，并將于年內實現最終產品的交付。
除了核心部件外，基于16MW 及更大兆瓦海上風電機組的安裝需要，2022 年8 月，金風海洋工程有限公司開始著手打造1600 噸風電安裝平臺。平臺主吊主鉤最大吊高165 米，最大吊重1600 噸，主吊副鉤最大吊高183 米，最大吊重500 噸，具備70 米水深施工能力，能夠滿足國內絕大部分固定式支撐結構20MW以上海上風電機組，以及風輪直徑320 米以下風電機組的安裝需求。
產業鏈“補強”產生的更廣泛價值在于，有望為驅動沿海經濟發展注入“新動能”。在金風科技16MW 機組的研制過程中，來自江蘇、山東、浙江、廣東等地的供應商均參與其中，未來2~3年這些地區的相關產業預計會得到快速發展。經初步核算，金風科技的16MW機組項目每年將促進國內沿海區域新增GDP約25 億元。其中，碳纖維葉片產業約10 億元，鑄件加工產業約5 億元。
談及海上風電產業未來的發展，薛乃川認為依然需要保持謹慎的態度，不能盲目樂觀。“海上風電開發的風險大，海工裝備、配套運維等環節的發展不夠成熟，缺少長期的運行數據及經驗積累。因此，我們一定不能搶跑，要小步快跑，充分利用好不斷積累的經驗和技術底蘊，逐步補齊‘短板’，這也是國家提出高質量發展的應有之義。”
他進一步表示，“在全面平價和雙碳目標的背景下，海上風電機組大型化是大勢所趨，但我們認為這并非一味的容量比拼和競速，而是結合產業鏈上下游發展水平，以高質量、高可靠性為前提的大型風電機組的穩步發展。”
而這些理念早已融入金風科技的發展戰略之中，成為這家企業自成立以來始終保持良好發展勢頭的一大基石。
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