2017年10月16日-19日，2017北京國際風能大會（CWP2017）在北京隆重召開。在中國國際展覽中心（新館）E2館創新劇場，上海電氣風電集團有限公司杭州研發中心主任吳立建以及上海電氣風電集團有限公司總體室室主任許移慶先生就“高品質的大容量海上永直驅風力發電機”作主題演講，分享了上海電氣在大型永磁直驅發電機的一些創新理念和做法。徐易慶分享了上海電氣在漂浮式風電方面的一些技術進展。

吳立建：各位專家，各位領導、各位同仁大家好，我今天做這個報告題目是御風晉海，一直在路上，報告分為兩個部分，我作的這部分是高品質的大容量海上永直驅風力發電機，我的身份首先是上海電氣的副總工程師，是一個研發中心的主任，同時我也是浙江大學的一名教授，所以我本身是從技術的角度，我們如何做好海上的永直驅風風力發電機，我的報告分為四個部分，首先我們先探討一下什么是風力發電機的高品質，我會介紹一下凈現值全局優化，再提出基于風險決策風力發電機的優化技術，最后再展望一下未來，我們的模塊化設計技術。


什么是風力發電機的高品質，什么樣的發電機才能成為高品質的發電機，對此對于電機，我們的馬偉民院士曾經提出了四高一低一多這樣的要求，所謂的一低就是提出來低排放，四高高功率密度、高可靠性、高適應性以及高兼度，一多就是多功能復合，四高一低一多也是非常適合我們風力發電機的特點，因為處在競爭比較激烈的行業，所以我在這個基礎上加了一條低成本的要求。所以我們可以看出來，我們的風力發電機的要求，實際上是很多的，這樣就會很復雜，實際上是一個很復雜多目標的優化問題。我們在這個研發風力發電機的時候其實是非常困難，這樣目標很多，所以對于這樣一個多目標的問題，我們如果做好它的話，大家都很希望能夠把所有的指標簡化到一個指標上來，這樣還是這樣的問題，究竟什么樣的風機是最好的，在我看來對企業來講，有一個簡單的標準，就是最賺錢的風機是最好的，這樣一來其實我們就可以基于凈現值之優化我們的風機，找到一個盈利最佳的風機方案。凈現值NPV大家都知道這個概念，簡單來講就是結合當前的盈利，所以它反映了成本與收入的差異。以凈現值為目標的全局優化，實際上就是把我們對于多個目標，比如需要滿足高功率密度、高可靠性以及低成本多個目標轉化成以MPV為單一目標的優化技術。

我這里講兩個例子，首先第一個比如永磁體，大家都知道永磁體是很高的，同時也是永磁發電高于其他的原因，我們可以持續改善發電機的效率，從而增高發電量，提高我們的產出，但是我們會發現在增加永磁的時候，永磁體因為價格很貴，所以發電機的成本會持續的增加，非常顯著的增加，如果綜合兩方面的因素可以看到，實際上有一個最佳值，我們這個方案當中可以看到，永磁替載19毫米左右，同樣的如果增加發電軸向長度的時候，發電機的效力也可以得到持續的提高，但是也會顯著增加發電機的成本，如果我們綜合兩方面的因素，也可以找到一個MPV凈現值最佳的軸向長度。這些其實都是以MPV凈現值為目標的單目標的優化，相對來說比較簡單，但是在風力發電機的開發過程當中，實際上是很復雜，有多個目標，如果我們做這個事情，技術路線首先是這樣子的，首先要從設計到制造，到運輸，以及安裝，再到后面的運維，整個全生命周期各個環節當中，我們首先要去捕獲這個需求，把需求都捕獲到，這點很重要，如果說在某一個環節的需求沒有捕獲到，假如說我們發現運輸有很大困難，運輸需要成本的，成本在開發階段都要考慮到。捕獲到這些需求的時候，我們就形成了需求數據庫，然后我們在需求數據庫的基礎上，進行需求的分析，這樣就可以提煉出優化科學問題的描述，這個優化科學問題的描述首先有什么樣的目標，約束變量，再有優化變量的集合，哪些東西可以優化它，最后需要一個風機系統多維的耦合的模型，即使基于今天非常發達的計算平臺，要做這樣的事情也是很困難的，首先困難之處就是這個計算量是非常的巨大，我們要做這個事情，第一個要解決的問題就是我們需要準確而快速的模型，我們上海電氣從零開始打造了很多的平臺，做了很多細致深入的研究，所以在電池損耗、冷卻，包括硬力等等多個專業、多個模塊打造了很多準確的計算平臺，光有準確的計算平臺還是不夠的，因為它的計算量確實是很大，所以我們還需要計算平臺的快速性。所以我們在這塊也建立了比較快速的，也是很準確的，可以說在全球也是處于領先水準的計算平臺，只有基于快速的計算平臺，我們的以MPV為目標的全局優化才具有現實的可行性，難度還是很大的。

難點之二就是風力發電機的研發牽涉到多個專業、多個部門甚至多個單位、多個企業的合力系統，所以它實際上包含了很多模塊，比如說發電機、變頻器、葉片以及主控，這些必然會需要這些模塊形成循環地帶，在很大程度上增加我們研發優化的難度，如何做好這些事情，需要打破這些專業模塊之間的隔閡，需要整合一個系統的、準確的快速的模型平臺。同時為了準確的計算分析風力發電機的成本，因為在計算凈現值的時候，還需要計算成本，實際上我們還需要建立更加開放的供應鏈系統，以上是介紹了凈現值的風力發電機的研發。

下面我要介紹一下基于風險決策發電機的優化，前面說我們可以通過效率、計算發電量，再分析到成本，最后可以得到每個方案的凈現值，然后去選擇一個最佳的方案，是不是我們得到凈現值之后，凈現值最優，就足夠支撐我們做出一個明智的選擇，實際答案也是未必的，比如說我這里給出了兩個方案。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，如下僅僅以凈現值最優作為判斷標準的話，我們肯定要選擇方案二，但是如果大家來做這個決策的時候，我相信大部分人是傾向于選擇方向一的。這就是說明光有MPV凈現值最優，實際上是不能夠支撐我們做出一個明智的選擇的。這就需要我們在風力發電機設計開發過程當中，還需要引入風險決策的方法，風險決策本身是一個很成熟的理論了，本身從運籌學里面過來的，所以有一系列很成熟的方法和理論。我這里就以期望值收益最大的比較經典的風險決策數為例，來解釋如何做這個事情。比如說對于一個風力發電機，假設我們有兩個方案，方案一它有它的狀態，有可能99%成功的，還有1%的可能是其他的狀況，每個狀況的時候，我們就可以去分析它出現的概率，同時每一個狀況有它對應的凈現值計算出來，方案一可以看出來，假設有兩個狀態，可個狀態你可以計算它的凈現值，有MPV1、還有MPV2，MPV1和MPV2都有它對應的概率，這個時候很難說出方案一它的凈現值究竟是多少，實際上存在概率分布的可能性。我們實際上這個時候就需要計算它的期望收益，期望收益計算的方法就是MPV1X對應的概率，合在一起，最后得到方案一和方案二的期望收益，進行對比我們選擇一個最大的期望收益作為最后的方案。

實際上在風機開發過程中我們知道是面臨很多風險的問題，所以包含了很多風險決策的問題，這個是講的很籠統的，所以用這個方法可以應用到各種風險決策的上面，比如說我們開發一個新的風機，我們可能有兩個選項，用以前小的風機進行擴容，也可以重新完全開發一個新型的風機，新型的風機我相信它的性能更高、產出更高，但是代價和風險更大，這個時候如果這樣去做，我們可以科學的選擇哪一個方案更佳。

這個是采用風險決策的方法來做，實際上我們還可以更方便的方式去增加每一個方案的期望收益，比如說這里我們就需要很準確的風險評估的手段，還是以在永磁直驅風機一個很重要的風險為例，這個重要的風險就是永磁就可能會退磁，過去我們一直是很害怕的，如果仔細的去分析這個問題，就會發現永磁直驅風力發電機要退磁實際上是要滿足很多的條件，才能夠發生，首先它需要非常高的溫度，這樣高溫的條件概率是很低的，同時它要滿足滿載運行的條件，在中國的風廠當中，滿載的概率也不高。其次它還需要在短路的情況下，在短路的情況下才可能發生，短路的概率其實就是非常低，并且光有短路還不一定能讓它退磁，必須退磁在非常重要的、非常危險最壞的時刻，才可能把永磁給退磁了，所有概率乘在一起才是我們退磁的概率，所以最終退磁的概率是極低極低。實際上我們其實可以想辦法去降低這些概率，比如說想降低退磁概率，我們想想怎么樣降低短路的概率，短路的概率真的很低，如果你想辦法降低一下，其實是很有效的，能夠提高最后期望收益的手段，這是比較簡單的方法。我們在過去分析這些問題的時候，我們的模型并不是很準確，這就是風險評估手段了，過去我們在分析比如說永磁退磁的情況下，我們得出了很多結論，某些方案是退磁了，這些方案就被排除在求解之外，就槍斃掉了。我們上海電氣在這一塊也打造了很多準確的模型，特別是退磁分析的模型，我們發現在過去認為可能退磁的方案，實際上它并不存在退磁的風險，這樣一來其實就是可以顯著，以前這些方案是很好的，最后槍斃掉了，我們現在可以選用它，這樣就可以非常有效的提高方案的期望收益值。

另外一個我們采用的手段，在風機制造過程當中，引入了大量的智能制造技術，這個智能制造技術其實可以減小我們制造過程中的產品質量的離散度，同時減小它的瑕疵率，這樣就可以降低設計當中負面狀態的概率，從而提高方案的期望收益，達到降低度電成本。

接下來我再展望一下我們海上風電未來的發展趨勢，這個問題其實大家一直在思考，我從國外回來之后，也一直在思考這樣的問題，其實過去大家一直認為大型化是個趨勢，到今天為止，實際上我還是認為大型化是風電發展的主流趨勢，特別在風電這一塊，占比其實只是一部分，很大一部分成本在運維，在基建這一塊，所以如果說能夠增加單機的發電量的話，就可以有效降低風電的度電成本。在這里我要強調的是，不僅僅是容量上的，最為關鍵的實際上是轉矩等級的提高，比如說同樣的容量等級，我們可以增加葉輪直徑，隨著葉輪直徑的增加本身也是一種大型化，因為葉輪直徑的增加就意味著風機的轉速，就對于發電機提出了更高轉矩的需求，這個時候發電機必然要增大的，對于同樣的容量等級葉輪增大的時候，發電機的體積是變大的。為了實現大型化，在海上風電我們怎么去做呢？我覺得在這里模塊化還是一個最為有效的技術路線，假如我們能夠同時實現風機模塊化安裝，有能夠實現模塊化的部件的更換，特別是能實現在現場模塊化不見得更換，我相信海上風電未來的發電趨勢會迎來巨大的突破，謝謝大家，下面請我們的副總工許移慶介紹下面的一部分，海上風電的移動式基礎。
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許移慶：各位上午好，剛才我們同事吳總給我們分享了上海電氣在大型永磁直驅發電機的一些創新理念和做法，接下來我想分享漂浮式方面的一些技術，說到海上風電，我還是要回顧一下風電發展的歷史，因為從更大時間的角度，我們可以找到以后風電的發展會是在哪個方向。大家知道人類對風的利用很早，可以追溯到公元前，那個時候可能主要都是用于農業生產，用于航運，但是人類用風來發電，這個歷史只能追溯到1888年。第三張圖片的機組大家可以看到，這就是當時用來第一臺發電的機組，風輪直徑只有17米，但是葉片卻有144個，隨著風電技術的發展，基本上在一百年后又從這臺機組發展了定速定槳的機組形式，但是定速定槳機組并沒有在風電的歷史上待更長的時間，接著馬上被變速變槳風電技術所代替。

當陸上風電在大規模發展的時候，在1999年又把陸上機組這個技術搬到了海上，但是對于我們國家來說，我們在陸上發展的時候，并沒有像國外那樣發展的順利，因為我們在發展陸上風電的時候，碰到了很多特殊的環境，大家很清楚，比如說現在碰到的低風速、超低風速，碰到的臺風、超復雜的風電廠，還有一些低溫的影響，當然有些個別的技術、環境可能在國外已經碰到過，但是更多這些環境是我們國內在發展海上陸上風電所碰到的問題，很多問題我們已經得到了逐步的解決。而對于海上我們在2010年安裝了國內的第一個海上風電廠，接著現在2017年短短的7年，大家可以看得到國內沿海從南到北，海上風電基本上已經全面鋪開了，所以我們從這個來看就知道，以后海上到底會發展到什么程度，發展到什么樣的方向，我們從這個大的實驗組上面可以感知到。

我們國內發展海上的時候跟陸上實際上是碰到了同樣的問題，海上也并不是一帆風順的，我們在7年前建第一個海上風電廠的時候，同樣碰到了很多國外沒有碰到的問題，第一張圖我們可以知道，我為什么在下面是叫首次使用多樁承載技術，我們在2006年的時候一直跟很多合作伙伴去籌建第一個海上項目，在這個過程中我們碰到了很多問題，比如說在歐洲用了很多單莊技術形式，技術也很成熟了，但是這些技術形式已經積累的經驗在國內并不適應，因為我們的海上實驗實在太差，所以他們的技術并不適用我們現在的風電廠，我們怎么辦，現在還記得當時這個機組是怎么出來的，我記得有一次跟國外的同行交流，把他帶到我們東海大橋上去參觀，他到東海大橋以后，他說你們東海大橋都能建起來，我相信海上技術對你們來講應該是比較簡單的，也許我們聽了他這句話，通過設計院的努力，我們就誕生了重力式基礎，這種技術形式不僅解決了運里程很厚，承載力不夠的問題，同時也解決了當時沒有安裝設備的困難，因為我們剛剛開始海上風電的時候，并沒有那么好的船，即使能夠把技術設計出來，并不一定能把它安裝上去。

第二張圖大家可以看得到，我們以前可能單樁技術，包括多樁技術都有導管架，后來我們到了國內來以后，就一直在問這個問題，也許大家節的這個問題非常簡單，為什么用這個過渡段，我們不是用的很好嗎，為什么你們要取消這個過渡段呢？后來我們就在想這個問題，然后別人就沒有答案，我們從國外也找不到答案？為什么不能把它取消掉？當時給我們解釋說，第一因為需要調頻，因為打樁打的垂直度不夠，很難保證，所以需要過渡段，在裝塔架上面的時候需要調頻，第二打樁的時候把樁頂給打壞，打變形，所以你沒辦法跟上面的塔架直接進行接觸，當然這可能是當時用過渡段的最開始的想法，但是我們想既然你要解決這些問題，如果我通過其他的方式解決這些問題，是不是可以不用這個過渡段了呢？后來通過我們國內風電同仁的努力，現在我們這個風電段已經被取消了，基本上現在已經不用過渡段了，國外的一些同行現在也借用這個方式，不用過渡段的，所以我們在短短的7年時間里面，我們在國內海上就已經取得了很多的突破。

我們海上取得了這么多突破，來回顧一下，再把這個目光更遠，往更遠的深海遠海上去看一下，現在是什么情況，這幾張圖大家很清楚。第一張漂浮式技術，大家很清楚了，并且研究了很久，我們2017年裝了商業化運行。第二個技術有點特殊，因為它用的材料不是鋼的，用的是混凝土，四個空心的混凝土柱子。第三個結構是剛剛在DTU水槽里面做完測試的（英文）漂浮式技術的結構，三種結構，第一、第二種都有示范項目的樣機在做，第一種用的就是西門子的技術，第二種今年已經把它拆除了，因為它們這個項目想做一個更大機組的示范。

我們看到的是那些技術的研究，我們現在看一下這些技術有沒有示范的一些項目，對于我們風電從業者來說，看到這些示范項目安裝的時候，我們都是很激動的，對于第一臺機組也是世界上第一個漂浮式示范項目的機組，也是用西門子2.3兆瓦的機組，而且這臺機組運行的還是很好的，我們也看到了它運行的一些數據。對第二個機組，應該是（英文）2兆瓦的機組，這個機組也是2011年裝的，現在2017年剛剛把它拆除掉，因為他們要做一個更大的項目示范。第三張和第四張是福島未來項目做的示范，第三張圖片日本用的是5兆瓦下沉線的技術，第四張用的MHI7兆瓦的技術，它的技術形式類似于第二種技術形式，這么多技術形式，大家一看好像沒有國內的，那么我們現在國內怎么做？像做海上固定基礎式一樣，看到國外有很多經驗的時候，國內一定會在這個基礎上一定會去開發出自己的示范項目，然后推廣到我們自己的風電市場上面去。

非常榮幸的是，我們現在國內馬上就要建第一個漂浮式的示范項目，而我們上海電氣就是這個示范項目主要的參與者之一，當然發展漂浮式技術的時候，我們像陸上風電、海上風電一樣，也碰到了很多跟國外環境不一樣的問題，碰到了很多的挑戰。首先大家都知道漂浮式技術，大家認為應該是水深很深的地方，水太淺了第一大家認為沒有太多經濟效益，第二好像也不是太容易裝，但是在國內，我們的海水很淺，在這種情況下，我們怎么辦？我們能用（英文）嗎？當然不行，能用第二種技術形式嗎？也不行，第三種現在在測試，沒辦法用，怎么辦，我們像陸地固定式基礎一樣，尋找一個適應自己海上漂浮式的方案，我們在海上做了很多方案，示范項目在東海，這個項目地點離案大概有70公里，但是水深卻只有40米的水深，大家想想40米的水深我們卻要做漂浮式基礎，怎么做，是不是可以換一個地點呢？換到其他的地方，但是其他水深都是很淺的，比如渤海平均水深18米，黃海平均水深44米，東海平均水深達到300多米，但是我看了一下，我們調查了一下，它這300多米并不是真實的，我們不能用漂浮式技術，因為東海往外海推的時候，有一個海潮，那里的水深很深，最大能達到兩千多米，是因為那個水深把我們東海的平均水深拉到300多米，但是如果把我們的離岸距離到150公里的話，我覺得我們的水深也許只有40米那樣，我們怎么辦？一定要發展出一種漂浮式的技術，能適用于四五十米左右水深的海域，并且它的經濟成本是以后能夠承擔的。

我們通過各種各樣方式的比選，找到了第二種方式，第二種方式大家可以看一下，實際上它有一點類似于半淺式和TRP結構的結合，當然這個方案也是出自于首次使用海上固定式技術，現在漂浮式示范項目計劃是在2019年，所以從前年開始，就在籌建這個項目，應該怎么去做，怎么找到很好的解決方案，這是找到了其中的一種，但是隨著時間的推移，我們會找到更多的方案，為什么？因為如果找不到更好的解決方案的話，我們的海上可能會止步在那里，但是我在PPT開始的時候就講，我們已經展示了風電發展的歷史，實際上這個歷史過程你是阻擋不住的，也許今天我們擔心漂浮式技術，海這么淺，漂浮式技術成本這么高，我們會去做它嗎？也許我們現在回答可能是不，但是我們把目光再往前推，再往后推，也許這個回答就是肯定的。所以我們非常堅定的相信，我們中國在未來，在深遠海上面一定會推出去，也一定會走出去，而且基于示范的項目，我想我們上海電氣也會和合作伙伴一起，來找到一些更好的漂浮式技術的解決方案。在做漂浮式技術的時候，這個是因為水深問題碰到的一些挑戰，在做具體項目的時候同樣碰到了很多其他具體的技術細節，比如說我們的水太淺了，如果用這個半淺式加上TRP的結構，它的擺動幅度實際上是不能太大的，如果太大的情況下面，不僅對機組不穩定，另外這個技術還可能觸碰到海床，在這種情況下我們是不允許它觸碰到海床的，如果水深很深就不會發生這個問題，如果水很淺，隨著運動，它是可能碰到海床的。所以我們不僅要控制它的擺幅和大小，可能控制的比其他的漂浮式技術控制得更準確、更精確。另外還要控制頻率，比如說擺動的頻率到底有多大，控制到什么樣的范圍，需要根據現場波浪的情況調整頻率。但是這個頻率調整呢？我們主要是通過基礎的機組結構來調整，在這中間怎么平衡，因為機組調了之后，會改變機組的一些情況，比如說尺寸、重量，但是這一改變以后，可能又會影響到這個基礎在40米的水深下，可能沒辦法做一個漂浮式的技術，所以怎么樣在你控制之間，在載荷之間找到一個平衡，然后做出一個完美的方案。

所以對于示范性項目的挑戰，當然我剛才表述了只是我們遇到挑戰中很少的一部分，后面碰到的挑戰還會很多，但是我相信我們風電的同仁一定會把這些問題基于國內的條件，一個個跟它擊破。

我記得我們在2012年參加世界風能大會的時候，那個時候在世界風能大會上面他們提出來說一個計劃，在一些社區或者在一些局部區域里面，要提上百分之百可再生能源，也就是在5年前，當時我們在講可能一個社區比較小，覺得百分之百可再生能源是可以實現的。5年之后，麻省理工大學的教授提出來一個更宏偉的藍圖，也就是到2050年，全世界139個國家實現百分之百可再生能源，當時提出來的時候，在座的各位可能都知道，也許大家都在懷疑這個問題，覺得2050年是否能夠實現這個百分之百可再生能源，通過大家懷疑，通過大家的探討，通過大家的討論，通過大家的交流，我覺得到今天可能大家對這個目標更有信心。為什么？大家可以看得到，到2050年可再生能源如果能實現，我們風電大概占了42%，接近一半的份額，但是我們再想一想現在風電占到所有用電量的百分之多少，可能只有個位數，這么大的量我們怎么去彌補。2010年建了第一個海上風電項目，到目前為止我們也建了很多，但是離目標還有多遠，我們不用懷疑這個目標，為什么不用懷疑？因為我們還有很多資源在那里，近海的資源已經逐步在開發，我們剛才講的，我們的海上資源，我們近海資源在開發，我們的遠海資源可能更多，那么我們怎么樣去開發遠海的資源，如果我們能夠把陸上的資源，把近海的風資源以及深海的資源都能利用起來，我想這一天肯定能夠實現我們最終的百分之百可再生能源。

我們上海電氣一直從事于陸上海上風電的發展，現在海上風電在國內裝機容量已經遙遙領先，但是我們覺得我們做的還不夠，因為我們不僅要做近海的，還要做遠海的，把我們的技術，把我們的機組推到更遠的世界的地方去，推到風資源更好的地方去，以實現我們社會人類共同的百分之百可再生能源的目標，所以我也期待，希望上海電氣能跟各位一起努力，努力的實現百分之百可再生能源這個目標，謝謝。

（發言根據現場速記整理，未經本人審核）