自從我國風電行業開始涉足海上項目以來，“一體化設計”的概念一直被廣泛傳播。這個最初源于歐洲海上風電優化設計的名詞，相信無論是整機供應商、設計院，還是業主、開發商，都在各種場合不止一次地使用或者聽到過。

而對于“一體化設計”的真正內涵以及國內風電項目設計中阻礙“一體化設計”目標實現的因素，并不是每個使用這個詞的人都能說得清楚，甚至很多從業者把實現“一體化建模”等同于實現“一體化設計”，對該設計解決和優化了哪些問題也缺乏探究，不利于未來通過“一體化設計”在優化降本上取得切實成效。

本文對當前海上風電行業在“一體化設計”方向上需要解決的部分客觀問題加以描述，以增進行業對此的了解，并提出可能的研究方向。

“一體化設計”的內容和意義

“一體化設計”是把海上風電機組，包括塔架在內的支撐結構、基礎以及外部環境條件（尤其是風況、海況和海床地質條件）作為統一的整體動態系統進行模擬分析與校核，以及優化的設計方法。運用這種方法，不僅能更全面地評估海上風電設備系統的受力狀況，提升設計安全性，也能增強行業對設計方案的信心，不依賴于過于保守的估計保證設計安全，為設計優化提供了空間，有利于系統的整體降本。

表1 相對于機組與基礎分離迭代設計方法，“一體化設計”關鍵指標下降程度

根據鑒衡認證對某5.5MW 四樁承臺機組模擬測算的結果，相比現有的機組與基礎分離迭代的設計方法，海上風電一體化設計能夠進一步優化整體結構（見表1）。在平價上網壓力下，“一體化設計”是海上風電行業降本的必然途徑之一。

“一體化設計”難點分析

目前，機組和基礎的設計分別由整機供應商、設計院負責。想要實現真正的“一體化設計”，仍有以下幾個方面必須做到統一：設計標準、建模一體化、工況設定與環境條件加載的一體化以及動態載荷的整體提取。

一、標準一體化

當下，海上風電行業涉及的標準較多，與風電機組設計相關的主要是IEC61400系列國際標準及其對應國標，設計院的基礎設計主要受港工設計標準（如：JTJ215、JTS167-4 等）以及部分行業標準（如：NB-T10105 等）的約束。國際標準從整體設計的角度，對基礎的設計方法一并明確了要求，但其與港工設計標準、行業標準在一些要求或指標上存在重疊與沖突。其中一個比較突出的例子是，在極限載荷上，風電行業的國際標準通常使用1.35 的安全系數，而國內港標、行標使用1.4、1.5 的安全系數，從而增加了基礎的成本。行業正在積極推進這些標準的統一化工作，例如，提出一些風電專屬標準，以解除設計院受到的束縛。

二、建模一體化

海上風電機組、基礎與多種外部環境條件是一個統一的整體，對這些結構和邊界條件進行整體建模仿真是“一體化設計”最基本的要求，因為只有這樣才能充分考慮機組和基礎的整體動力學響應，并且有可能實現設計優化上的整體調整和全局尋優。目前，很多項目或多或少都會開展一體化建模工作，并將其作為完成了“一體化設計”的標志。但是如果因此就忽視了其他問題，可能讓行業對“一體化設計”的理解過于狹隘。受限于機組和基礎設計責任主體分離的現狀，即使僅對“一體化建模”這一項，關注點也不應為有沒有進行整體建模仿真，而是是否實現了全局尋優。

隨著整機企業研發能力的提升，設計院合作模式的開放，以及第三方在其中可以起到的知識產權保護和協調粘合的作用，全局優化是可能實現的。由于基礎模型相對于機組模型更易于開放，因此，這個任務更多地有賴于整機供應商機組整體設計能力的提升，以及他們能夠影響設計院基礎設計的程度。

三、工況與外載加載一體化

按照海上風電設計標準的要求，結構設計載荷是通過對項目生命周期內各種可能工況組合的仿真模擬確定的。這些組合因素包括不同的風況、海浪和機組控制狀態等，這意味著，某一個極端載荷是在特定的極限組合工況下產生的。這些工況的組合有一定的原則，比如機組出現的故障和最惡劣的風況、海浪條件，并不會經常一起發生。

在機組與基礎設計分屬于不同主體的情況下，設計交互信息往往是通過塔架底部法蘭的“接口載荷”傳遞的。這種情況很容易造成無法很好地整體考慮雙方的工況組合。把簡單的幾個數字從復雜的工況設置中抽離出來，會遺失當時的工況信息，最終讓不應該疊加在一起的幾個極端條件在不經意中疊加到了一起，使得設計載荷過于保守。

還有一點需要留意的是海況條件被重復疊加的問題。機組和基礎設計雙方使用不同的仿真環境，整機企業對機組的設計計算通常不只限于風況載荷，而是包括了波浪載荷在內的綜合載荷結果。但由于設計院無法對“接口載荷”的數值進行分解，其在設計中只能把“接口載荷”和波浪載荷同時作用在基礎之上，造成波浪載荷被重復考慮，增加基礎成本。

在某算例中，相比獨立的工況設置，采用工況一體化的設計方式可以避免極端工況的不合理疊加，僅此一項就可以讓基礎頂部載荷降低3%左右。而如果在機組整體仿真和基礎設計仿真中都使用波浪載荷，將使塔底載荷額外增加約2%。機組和基礎設計雙方加強工作協同和校核驗證可以有效減少此類問題。

四、動態載荷與載荷整體提取

如果給一位賽場上的運動員拍一張靜止的照片，然后只給別人看他的腳，恐怕誰也無法想象他身體的其他部位處在什么狀態，也難以猜出他在參與什么項目的比賽。與此類似，海上風電設備一直處在運動狀態中，結構設計需要知曉整個系統各個關鍵位置的狀態。設計雙方僅以塔底“接口載荷”作為設計依據，就好比僅通過運動員的腳去推斷其他部位的狀態，如果這個推斷只是把極端的受力以靜力外載荷的方式加到了系統上，得到的結果可能與真實的運動狀態大相徑庭，并極有可能因為保守的假定，高估其他位置的受力狀況。

設計上追求的理想狀態應該是在統一的仿真里各取所需，得到各個位置最合理的受力狀態，而不用再去做額外、局部的加載計算。這就好比設計者能看到運動員整體運動的狀態，不管是負責分析“上半身”的，還是“下半身”的，都能得到正確的結果。在某些項目中，已有整機企業提供給基礎設計方整體各個界面的時序載荷（時間上的載荷連續序列），如果能被合理使用，將是“一體化設計”上的一大進步。

總結

本文論述了現階段“一體化設計”中常見的一些客觀技術問題。簡而言之，海上風電最終要追求的“一體化設計”不僅要有一個整體模型，而且要在統一的標準要求下，實現同一仿真下的統一工況組合、統一環境條件加載和動態載荷的整體提取，并在此基礎上實現設計上的全局尋優。

目前，盡管以上技術問題已經得到逐步改善，但還有一些機制上的因素在拉長這個過程，比如中標后的優化動力問題、技術問題突破過程中的主體責任問題、知識產權顧慮問題等。同時，業主也面臨缺乏對這些問題解決程度的了解和督促手段，無法有效對“一體化設計”的效果加以量化評價的困難。因此，行業離理想的“一體化設計”還有很大的差距，仍需要做很多工作。在海上風電走向平價上網的大背景下，相信行業各方都已感受到了這方面的緊迫性。