李 富
中节能风力发电股份有限公司 北京市 100000
摘要：海上风电作为一种可用的新能源,如果能够全面发展的话,将大大减轻环境保护与节能减排的压力。对于发展海上风电,我国现在处于规模化开发阶段,但在前期预可研以及可研等阶段,存在很多典型工序,计算量大且重复率高,人工计算需要多部门协调运作,所需工时较多,一定程度上影响海上风电的发展。因此,研究和设计一款能够将海上风电设计的各个环节结合起来的高效平台软件,对海上风电场的设计来说具有重要的意义。本文根据作者多年工作经验，对海上风电一体化平台设计与应用进行了详细的阐述和分析，旨在为同行提供一些借鉴和参考。
关键词：海上风电；电气一体化平台；设计；应用；研究
1、“一体化设计”的内容和意义
“一体化设计”是把海上风电机组，包括塔架在内的支撑结构、基础以及外部环境条件（尤其是风况、海况和海床地质条件）作为统一的整体动态系统进行模拟分析与校核，以及优化的设计方法。运用这种方法，不仅能更全面地评估海上风电设备系统的受力状况，提升设计安全性，也能增强行业对设计方案的信心，不依赖于过于保守的估计保证设计安全，为设计优化提供了空间，有利于系统的整体降本。
根据鉴衡认证对某5.5MW 四桩承台机组模拟测算的结果，相比现有的机组与基础分离迭代的设计方法，海上风电一体化设计能够进一步优化整体结构。在平价上网压力下，“一体化设计”是海上风电行业降本的必然途径之一。
2、“一体化设计”难点分析
目前，机组和基础的设计分别由整机供应商、设计院负责。想要实现真正的“一体化设计”，仍有以下几个方面必须做到统一：设计标准、建模一体化、工况设定与环境条件加载的一体化以及动态载荷的整体提取。
2.1标准一体化
当下，海上风电行业涉及的标准较多，与风电机组设计相关的主要是IEC61400系列国际标准及其对应国标，设计院的基础设计主要受港工设计标准（如：JTJ215、JTS167-4 等）以及部分行业标准（如：NB-T10105 等）的约束。国际标准从整体设计的角度，对基础的设计方法一并明确了要求，但其与港工设计标准、行业标准在一些要求或指标上存在重叠与冲突。其中一个比较突出的例子是，在极限载荷上，风电行业的国际标准通常使用1.1的安全系数，而国内港标、行标使用1.4、1.5 的安全系数，从而增加了基础的成本。行业正在积极推进这些标准的统一化工作，例如，提出一些风电专属标准，以解除设计院受到的束缚。
2.2建模一体化
海上风电机组、基础与多种外部环境条件是一个统一的整体，对这些结构和边界条件进行整体建模仿真是“一体化设计”最基本的要求，因为只有这样才能充分考虑机组和基础的整体动力学响应，并且有可能实现设计优化上的整体调整和全局寻优。目前，很多项目或多或少都会开展一体化建模工作，并将其作为完成了“一体化设计”的标志。但是如果因此就忽视了其他问题，可能让行业对“一体化设计”的理解过于狭隘。受限于机组和基础设计责任主体分离的现状，即使仅对“一体化建模”这一项，关注点也不应为有没有进行整体建模仿真，而是是否实现了全局寻优。
随着整机企业研发能力的提升，设计院合作模式的开放，以及第三方在其中可以起到的知识产权保护和协调粘合的作用，全局优化是可能实现的。由于基础模型相对于机组模型更易于开放，因此，这个任务更多地有赖于整机供应商机组整体设计能力的提升，以及他们能够影响设计院基础设计的程度。
2.3工况与外载加载一体化
按照海上风电设计标准的要求，结构设计载荷是通过对项目生命周期内各种可能工况组合的仿真模拟确定的。这些组合因素包括不同的风况、海浪和机组控制状态等，这意味着，某一个极端载荷是在特定的极限组合工况下产生的。
这些工况的组合有一定的原则，比如机组出现的故障和最恶劣的风况、海浪条件，并不会经常一起发生。
在机组与基础设计分属于不同主体的情况下，设计交互信息往往是通过塔架底部法兰的“接口载荷”传递的。这种情况很容易造成无法很好地整体考虑双方的工况组合。把简单的几个数字从复杂的工况设置中抽离出来，会遗失当时的工况信息，最终让不应该叠加在一起的几个极端条件在不经意中叠加到了一起，使得设计载荷过于保守。
还有一点需要留意的是海况条件被重复叠加的问题。机组和基础设计双方使用不同的仿真环境，整机企业对机组的设计计算通常不只限于风况载荷，而是包括了波浪载荷在内的综合载荷结果。但由于设计院无法对“接口载荷”的数值进行分解，其在设计中只能把“接口载荷”和波浪载荷同时作用在基础之上，造成波浪载荷被重复考虑，增加基础成本。
在某算例中，相比独立的工况设置，采用工况一体化的设计方式可以避免极端工况的不合理叠加，仅此一项就可以让基础顶部载荷降低3%左右。而如果在机组整体仿真和基础设计仿真中都使用波浪载荷，将使塔底载荷额外增加约2%。机组和基础设计双方加强工作协同和校核验证可以有效减少此类问题。
3、海上风电电气一体化平台设计与应用
海上风电电气设计一体化平台,旨在整合海上风电场各个阶段的设计流程,实现设计过程流程化、计算过程软件化、设计结果可视化、数据管理统一化、文档生成自动化(设计报告及设备清单),并可进行二次开发及拓展
3.1设计过程流程化
对于海上风电场前期各阶段研究设计的各个过程进行流程化管理,其中包括海上风电场的接入系统分析、电气一次计算、电气二次计算以及最终的报告生成和项目的校核、批准等过程。各个过程与其前后过程之间是耦合关系,数据从前到后进行传递,平台对于整个过程以及数据的流动进行统一的管理和控制。
3.2计算过程软件化
对海上风电电气一体化平台所涉及到的各部分计算进行软件模块化处理,即计算模块相对独立,内部对计算过程进行封装处理,计算模块对外提供输入、输出接口,既保证了计算模块的独立性,又便于平台对于计算模块的调用和控制。
3.3设计结果可视化
对于平台所涉及到的所有计算结果,进行可视化展示,其中包括海上风电场的风机布局、海上升压站的选址、集电系统的拓扑连接、输电系统的路径规划以及海上风电场潮流计算的潮流流向结果展示和短路计算的结果展示等一系列结果可视化展示,方便用户能够直观的感受海上风电场建设的整个过程和对于结果的直接分析。
3.4数据管理统一化
平台负责将整合的各部分模块所涉及到的数据进行统的管理,其中包括基本设备数据、基本人员数据、项的基本信息、项目的流程数据以及设计中各阶段的结果数据等。通过统一化的管理方式,方便数据的及时修改并且保证了数据的一致性。
3.5文档生成自动化
对于平台所涉及到的各阶段需要生成的报告进行自动化生成,平台自动从计算的结果数据中提取数据,并通过已有的word模板进行计算结果内容的自动生成通过自动化的生成方式方便用户对于报告进行导出查看以及提交结果。可进行二次开发及拓展平台通过预留接口的方式为后续的二次开发及拓展提供了很好的途径,后期如果需要加入其它的功能模块设计，只有将设计好的模块封装好就能接入到平台中，韦平台的不断完善提供了可行性。
4、结束语
海上风电一体化平台设计，通过不同的模块的融合，能够大大降低海上风电建设的成本，提高效率，加快推动海上风电健康发展。
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