在“双碳目标”的能源战略布局下大型海上风电机组得到进一步发展。中国海上风电装机容量逐年攀升，即将迎来漂浮式海上风电机组发展的新时代。然而随着深远海风资源的开拓，机组的高运行维护成本成为当前风电行业亟待突破的难题。为了降低风电机组的故障维修率，必须提高风电机组的可靠性。

针对这一问题，田德教授课题组基于可靠性增长目标，建立了增速型和直驱型风电机组气-机-电-弹-控耦合的传动链仿真模型，揭示了两种传动链及关键部件的载荷特性与相互作用机理，揭示了传动链故障产生机理。提出了基于遗传算法的风电机组齿轮箱体积优化方法、基于模型预测控制器的独立变桨控制方法和基于正交设计优选大型海上风电齿轮箱多级螺旋角方案，优化了风电机组的运行状态，实现了风电机组可靠性提升。研究了各级浮动太阳轮和内齿圈的支撑刚度对两级行星轮系均载特性和浮动构件振动特性的影响，采用正交试验法得到支撑刚度对传动轴振动的影响规律并对其进行优化设计，优化后齿轮箱整体振动指标降低8.9%。建立了叶片气弹耦合分析模型，综合时域和频域方法，分析超大型风电机组叶片失控状态下的气弹稳定性。提出了线性自抗扰变桨控制器，实现输出功率与塔架载荷协调控制。综合叶尖速比法和自适应模型预测控制提出了风电机组最大功率点跟踪策略优化方法，改进后的最大功率点跟踪策略能够增强系统的鲁棒性，提高风能捕获效率，降低电磁转矩波动。提出了一种基于模型预测控制的改进策略来提高削峰性能，在每个控制周期内，通过实时求解优化问题来优化允许的变桨范围，结果表明该策略能够以可接受的输出功率为代价，将推力峰值降低到安全范围内，并减轻关键部件的疲劳载荷。开展了双风轮风电机组缩比模型的设计与研制，开展了不同尺寸参数的双风轮型风电机组来流与尾流廓线测量、常用单风轮机组的来流与尾流廓线测量等实验，揭示了双风轮风电机组的响应特性。

▲ 5 MW海上风电机组两级行星一级平行齿轮箱模型

对海上风电机组齿轮箱开展的研究获取一项发明专利：一种风电机组齿轮箱螺旋角优化方法及系统（ZL202111301120.1），田德为第一发明人，华北电力大学为唯一申请单位。

该研究工作得到了国家重点研发计划课题“传动链关键部件优化设计和批量制造工艺及检测技术”的资助。

初审：李何筱

复审：张 洪

审核：彭跃辉