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一大批企业积极从事风电零部件的开发生产
浏览: 发布日期:2018-04-25

  对我国风电技术的发展历程进行了回顾和讨论,分别从基础研究、技术研发、整机研制、零部件配套等方面总结其取得的进展,同时对目前面临的关键问题也进行了探讨,并对未来我国风电技术的发展趋势进行了展望。

  风电是资源潜力巨大、技术较为成熟的可再生能源,在减排温室气体、应对气候变化的新形势下,越来越受到世界各国的重视,并已在全球大规模开发利用。“十一五”到“十二五”期间,我国风电经历了飞速发展的10年,成为国内继火电、水电之后的第三大电源。2015年我国风电新增装机量达36万kW,累计装机量为101万kW,排名从世界第5位跃升至第4位;截至2015年底,我国风电累计并网容量达1.45亿kW,占全国发电装机容量的9.6%。(备注:该文发表时间较早,故相关数据比较滞后。最新官方数据显示,截止到2017年底,我国风电并网容量已经达到1.64亿千瓦。)

  随着风电市场规模的迅速扩大,我国风电设备制造技术进一步提高,一个具有竞争力的较为完整的产业链体系已初步形成,涵盖原材料加工、零部件制造、整机制造、开发建设、技术研发、标准和检测认证体系等各个环节。风电机组设备制造基本上实现了系列化、标准化和型谱化,机型涵盖双馈、直驱和混合式,单机容量从1.5MW迅速发展到目前最大的6MW级,并实现了从陆地风电到海上风电的跨域。

  我国风电技术水平不断提高,通过引进消化吸收和再创新,基本掌握了风电行业关键核心技术,并且在适合低风速风况和恶劣环境风电机组开发方面取得了突破性进展,处于全球领先地位,在大容量机组开发上也实现了与世界同步。这些成就,既保证了我国风电产业的持续快速发展,也为我国风电产业实现从大到强的跨越式发展奠定了基础。

  风电产业已经成为我国少数具有国际竞争力的高新技术产业之一,这也让我国迎来历史上难得的在风电领域与国际领先水平并驾齐驱的机会和形势。在高速发展过程中,我国建立起了具有国际先进水平的风电产业体系,具有自主知识产权的技术产品远销20多个国家和地区。此外,风电产业每年还吸引超过千亿元的投资,提供近50万个就业岗位,发挥着良好的社会综合效益。

  随着“一带一路”和“中国制造2025”等国家战略的实施,我国风电制造企业也加快了高端装备制造“走出去”的步伐,为我国风电技术的广泛应用开辟了更为广阔的市场,带来了良好的发展机遇。

  我国开展风电技术研发已有40多年的历史,特别是经过近十年来的发展,快速走上了产业化的道路。早在20世纪80年代,我国就通过国家科技项目陆续支持研制过离网型和并网型风电机组,单机容量从15kW到200kW,但绝大部分未实现批量生产。

  “九五”和“十五”期间,政府组织实施“乘风计划”、国家科技攻关计划,以及国债项目和风电特许权项目,支持建立了首批6家风电整机制造企业,进行风电技术的引进和消化吸收,其中部分企业掌握了600kW和750kW单机容量定桨距风电机组的总装技术和关键部件设计制造技术,初步掌握了定桨距机组总体设计技术,实现了规模化生产,迈出了产业化发展的第一步。特别需要说明的是,“十五”期间,通过对国家“863”计划“兆瓦级变速恒频风电机组”重大招标项目的支持,我国完成了具有完全自主知识产权的1MW双馈式变速恒频风电机组和1.2MW直驱式变速恒频风电机组的研制,并于2005年并网发电,成功实现了兆瓦级变速恒频风电机组从无到有的重大突破,标志着我国风电技术跨入兆瓦级时代。

  2006年,我国政府实施了《可再生能源法》,风电正式进入大规模开发应用的阶段。“十一五”期间,科技部针对我国风电整机技术水平低、自主研制能力差、产业不完整、可持续发展能力弱等亟待解决的重大问题,在已有1.0MW双馈式和1.2MW直驱式两种机型大功率风电机组设计、制造技术的基础上,由国家科技支撑计划立项,支持了“大功率风电机组研制与示范”重大项目,规划了风电整机成套设备、关键零部件、海上风电、标准规范体系等4个主要研究方向,由全国23家单位共同承担,基本囊括了当时行业内的骨干企业和科研单位。项目直接推动了中国风电配套产业链及其产品创新机制的建立、发展和完善。

  随着国家陆续制定出台了促进风电等可再生能源发展的相关法规和扶持政策,众多国内外企业大举投入中国风电制造业,大多瞄准了风电整机制造,通过引进生产许可证、建立合资企业、开展自主研发或联合研发等手段,研制兆瓦级以上风电机组产品。据不完全统计,在2008年,进入风电整机制造业的国内企业一度多达80家,其中包含大量国有或国有控股的制造企业,涉及电力设备、航空航天和重工机械设备制造企业。这些大型企业利用自身相关技术和工业基础,通过联合设计或引入战略合作方从事发展风电机组的整机设计和制造。代表企业(产品)有:金风(1.5MW/750kW)、运达风电(1.5MW)、东方电气(1.5MW)、华锐(1.5MW)、国电联合动力(1.5MW)、广东明阳(1.5MW)、上海电气(1.25MW)等。

  经过一定时期的风电机组技术引进和产业化生产,国内风电整机制造企业对风电技术的复杂性和对产品研发挑战的认识日益深入,越来越多的企业形成了“在技术引进的基础上加快消化吸收进程、增强自主研发能力”的共识,这些企业大部分在引进的基础上进行了国产化的工作,并针对我国风资源的特点进行了适应性开发。另外,积极引进Bladed等国外先进的风电机组辅助计算设计工具,更多地采用联合设计和自主研制开发新产品。代表企业(产品)有:金风(1.5MW直驱)、浙江运达(1.5MW双馈)、上海电气(2MW双馈)、重庆海装(2MW双馈)、华锐(3MW双馈)等。

  国有大型企业和民营企业与国内大学和研究机构合作自主研发机型,也取得了丰硕的成果。大学研究机构把依托国家科研项目形成的科研成果转让给企业,并为企业提供持续的研发和技术支持,形成高效的风电产-学-研联合发展机制。如沈阳华创依托沈阳工业大学风能技术研究所的技术研发基础,在1MW机组研制的基础上研制出具有自主知识产权的机组,包括1.5~7MW之间的三大系列数十种系列化机组产品。

  目前,我国整机制造能力经过10年来的快速发展,开发出若干具有自主知识产权的机型,并得到风场的大规模应用和长时间的验证;3MW及以下兆瓦级机组总体设计及零部件制造技术已经成熟,正在开发更大单机容量的系列化产品。1.5MW、2MW风电机组的供应能力充足,3MW风电机组已批量运行,5~6MW风电机组也已投入运行。

  上海电气3.6MW、湘电风能5MW、东方电气5.5MW、海装风电5MW、太原重工5MW等海上风电机组陆续下线MW海上风电机组研发进入新阶段。截至2015年底,我国海上风电机组供应商达到10家,累计装机容量达到100MW以上的机组制造商有上海电气、华锐风电、远景能源、金风科技。目前我国单机容量最大的是6MW机组,除了原有联合动力和明阳风电的产品,金风科技也在2015年新增吊装一台6MW机组。

  近年来,国家各类科技计划和基金项目对风电技术的基础研究给予了较多资助,表1为国家“973”计划、国家“863”计划和国家科技支撑计划资助的风电研发项目和课题的部分统计数据。

  国家重点基础研究发展计划(“973”计划)迄今共立项资助了4个以风电研究为主题的项目。其中,“大型风电机组的空气动力学基础研究”项目,针对兆瓦级风电机组叶片在空气动力学、气动弹性、气动噪声等基础方面的科学问题进行了探索,形成了兆瓦级风电机组叶片的自主设计能力。“大型风电机组的关键力学问题研究及设计实现”项目,针对多兆瓦级风电机组整机在气动载荷、非线性气动弹性、海上风电机组水动载荷与支撑结构等方面开展了研究,形成了多兆瓦级海上大型风电机组整机的自主设计能力。“大规模风力发电并网基础科学问题研究”项目,针对大规模风电的电力系统,开展远距离、大规模、高集中度的风电并网问题的基础理论和核心技术研究。国家高技术研究发展计划(“863”计划)在风电机组专用翼型设计、整机和关键部件开发、风电场电气控制、海上风电场建设、海上风电场送电与并网等方面对多个课题给予了资助。

  据不完全统计,自2005年以来,国家自然科学基金资助的风能相关项目为370项,研究内容涵盖了风能利用的各个领域和方面。从项目年度分布来看(见图1),2010~2014年的资助项目占2005~2014年资助总项目数的81%,说明风能利用的科学和技术基础研究近年来得到了极大的重视。

  从学术期刊论文的发表情况看,我国研究人员在风电机组性能计算、叶片设计、风特性分析、载荷分析、结构动力学分析、噪声分析、运行控制、传动链、变电和并网、发电量预测、储能技术、风场微观选址、海上固定式基础和浮式平台等多个方面发表了大量学术论文,研究主题几乎涵盖了风能利用技术的各个方面。

  在我国风电产业大规模快速发展的背景下,风能利用研究受到国家和各科研机构的更多关注和支持,研究队伍逐年壮大,且形成了各自相对稳定的研究方向。南京航空航天大学、华北电力大学、汕头大学、中科院工程热物理所、中科院电工所、中国电力科学研究院、清华大学、西北工业大学、中国空气动力研究与发展中心、上海勘探设计研究院、上海交通大学、浙江大学、兰州理工大学、华中科技大学、河海大学、沈阳工业大学、南京工业大学、内蒙古工业大学、长沙理工大学等多家科研机构形成了自己的风能研究方向和人才队伍。

  图2为2015年我国风电整机企业新增装机容量的统计数据。这些整机企业的新增装机容量超过了我国2015年新增风电装机容量的90%,研发水平代表了我国风电机组产品研发的技术实力。

  金风科技2015年跻身世界第一大风电整机供应商,拥有北京、新疆和德国三地研发中心,具备较完备的自主研发能力。其最突出的技术特点是直驱永磁技术。金风科技根据不同的地理气候条件,进行差异化设计,形成了适用于高低温、高海拔、低风速、沿海等不同运行环境的风电机组系列产品。该公司的成熟代表机型1.5MW、2.5MW和3MW系列,均采用直驱永磁技术,其中,3MW系列部分风电机组还采用了混合传动技术,目前其海上6MW直驱永磁机组也已进入样机运行阶段。

  国电联合动力技术有限公司研发以产品平台为主线MW产品平台研究。该公司于2012年研制了3MW直径为108m和120m的陆上机组并推向市场;6MW海上风电机组于2010年开始设计开发,样机于2013年5月实现并网发电,目前正在进行测试并积累运行数据,在此基础上已启动了适用于台风、低风速等海上区域的6MW机组研究。

  远景能源近年来在风电机组市场的占有率持续上升,技术特色是着力打造“智能风电机组”概念,其陆上风电机组注重低风速机型的开发。“智能风电机组”概念融合智能控制技术、智能传感、云计算、大数据和能源管理等技术,运用当代信息技术推动风电系统的技术革新。此外,该公司还开发了基于智能传感网和云计算的智慧风场全生命周期管理系统,迅速在海外取得了较好的市场业绩。

  明阳风电也是特别注重技术研发投入的企业,陆续建成了欧洲丹麦研发中心、美国北卡研发中心、上海海上工程研发中心,目前已开发抗台风型、抗低温型、高原型、潮间带型、低风速及海上型等适合各类风况的1.5~6.5MW系列风电机组产品,首创推出全球领先的超紧凑型(SCD)双叶片半直驱型陆上及近海风电机组系列,同时,超大型海上8~12MW风电机组正在研发中。

  我国风电零部件制造企业也日益壮大,生产供应体系日益健全。自上世纪90年代我国发展大型风电以来,主要依靠传统工业企业或中外合资企业逐步形成了一批主要零部件制造企业。传统工业企业,如齿轮箱和发电机制造企业,大都是国内从事该类产品研发生产的国有大型重工企业,凭借原有的生产和科研基础,逐步探索开发风电零部件产品。

  随着风电产业的快速发展,一大批企业积极从事风电零部件的开发生产,进一步扩大完善了生产供应体系。国内叶片、齿轮箱、发电机等部件的制造能力已接近国际先进水平,能够满足主流机型的配套需求,并开始小批量出口。轴承、变流器和控制系统的研发也取得了重大进步,并开始批量供应国内市场。塔筒、轮毂、机舱等部件的生产能力完全满足国内市场需求,并向国际市场供货。此外,大型风电机组关键零部件的制造水平也有所提高,国内叶片制造商已能生产出72m、配套6MW机型的大尺寸叶片。配套5MW、6MW等大型风电机组的齿轮箱、发电机和轴承也开始投入使用。

  随着我国风电市场和技术的快速发展,国内有接近20家叶片制造企业具备生产上千套兆瓦级风电叶片的能力,秒速赛车APP产量可满足国内风电市场的需求。但只有几家企业具备一定的自主研发能力,大部分企业的叶片研制技术主要还是依靠购买国外技术的方式获取。因此,对关键核心技术并非完全掌握,距离针对我国实际风资源特点开展国产化风电叶片自主研制还存在一定差距。目前,国内具有代表性的风电叶片制造企业包括:中材科技风电叶片股份有限公司、中复连众复合材料集团有限公司、南车时代新材、上海艾郎风电科技发展有限公司。

  近3年我国齿轮箱的产量以年均增长率超过100%的速度快速增长,我国制造的大型风电齿轮产量不仅满足市场的需求,而且还具有相当大的产量富余度。从市场需求来看,国内齿轮箱供应已经极度饱和,产能已数倍于需求量。目前,国内具有代表性的风电齿轮箱制造企业包括:南高齿、重庆齿轮箱有限责任公司、杭州前进齿轮箱集团、华锐重工等企业。

  目前,我国生产的风电机组发电机完全能够满足国内风电产业的需要。国内具有代表性的发电机制造企业包括:永济电机厂有限公司、株洲南车电机股份有限公司、东方电机股份有限公司、西安盾安电气有限公司、兰州电机有限责任公司、上海电机厂有限公司、湘潭电机厂有限公司、南京汽轮机长风新能源有限公司等。

  目前,国内的风电机组轴承制造企业主要包括:洛阳轴承集团技术中心有限公司、瓦房店轴承集团有限责任公司、浙江天马轴承厂和徐州罗特艾德回转支承有限公司等。这些企业已在批量生产1.5~3.0MW风电机组主轴轴承、变桨轴承和偏航轴承,产品处于批量应用阶段。

  国内风电变流器和控制系统企业因价格和售后服务优势,业绩增长比较明显。禾望电气凭借其源于艾默生体系的技术和研发团队优势,在风电变流器领域斩获颇丰,目前居于本土变流器供应商排名第一的地位。合肥阳光、天诚同创(金风)、景新、科诺伟业、南瑞、海得新能源等企业在风电变流器的业务也迅速扩大。国产1.5MW、2MW变流器已批量生产,能满足国内风电整机配套的需要。风电主控系统约65%的市场份额被大的本土整机制造商的关联企业所占据,剩下的市场份额主要集中于天津瑞能、成都阜特、科诺伟业等企业。

  综上所述,我国风电设备产业链已形成,为今后的快速发展奠定了基础。从产能来看,我国风电整机供应商可满足国内市场每年3000万kW以上的安装需求,关键零部件对国外依赖度逐渐降低。我国在风电整机和关键零部件的产能方面不但完全有能力满足国内市场需求,而且已经初步具备了出口竞争力,能够持续向国际市场供货。

  在国内市场需求和竞争的推动下,我国风电设备制造业技术升级进程加快,但与成熟的欧美风电技术相比,还存在不小的差距。近年来,我国风能利用方面科技投入有所加大,并向实际应用和基础研究两方面或两方面相结合上延伸,出现了一定的创新,在有些方面也有一定原创性。但毕竟我国风电行业起步较晚,大部分整机企业在最初都是购买图纸直接生产,若要在消化吸收引进技术的基础上实现真正的创新和突破,还需要大量的基础研究、科学实验和长期的经验积累。然而一些新开发的技术和理念,如大机组、大叶片、低风速、高海拔机组等系统化技术在还不完善的情况下就急于批量应用,对可能存在的风险考虑不够。

  部分厂家片面追求机组单机容量大、新机型下线速度快、急于批量安装的效果,而对引进技术的消化吸收和再创新能力、产品质量重视不够,对风电机组整体设计、载荷优化计算、控制策略优化、并网性能等核心技术掌握不够,导致部分风电机组质量不稳定,出现了较多严重的风电机组质量事故,成为风电发展的隐患。比如某叶片厂家在多个批次的叶片供货中出现质量问题,导致所涉批次的叶片在多个风场运行后出现大面积质量事故并被要求更换,企业在承受巨额更换叶片成本的同时,还负担了大量的叶片更换吊装费用,使企业财务蒙受了巨大的损失,该事件还导致该企业销售订单断崖式下滑,企业经营困难几近破产。类似例子还包括一些齿轮箱制造企业。

  另外,随着国内海上风电市场的兴起,国内整机制造商纷纷试水,在未完全掌握核心技术和经历足够样机运行考验的情况下急于上马海上项目的风险极大。由于海上风场运行环境和风场难于进入等因素,海上风电对风电机组的可靠性和技术条件要求更为严格。相比陆上风电,海上风电机组安装于风-海浪-洋流耦合环境下,载荷工况更为复杂、防腐要求更高;而且不同海域,如北方海域的浮冰、南方海域的台风等恶劣气候不尽相同,使海上机组的设计技术更为复杂。国内企业仅经过短时间的发展,在未完全掌握陆上风电机组核心技术的情况下,就仓促进入海上风电领域,可能会付出惨重的代价。

  由于“三北”地区远离电力负荷中心,受本地区可调节电源少、电力装机严重过剩、外输通道建设滞后、电网运行机制智能化程度低等因素影响,出现了严重的“弃风限电”问题。2015年,风电弃风限电形势加剧,全年弃风电量达339亿kWh,同比增加213亿kWh;平均弃风率为15%,同比增加7%。从统计来看,2011~2015年我国弃风电量累计损失达到959亿kWh,而三峡、葛洲坝两座水电站在2015年的发电量一共是1048亿kWh。

  自从2010年弃风限电问题大规模出现以来,一直与我国风电产业的蓬勃发展如影随形,并呈现愈演愈烈之势,不断侵蚀着风电产业的发展成果。弃风限电,既让风电企业背负上沉重的资金压力,限制了企业的科研投入及行业的长远发展后劲,限制了风电产业和技术的健康持续发展,也增加了为实现建设“两型社会”等战略目标及兑现碳减排国际承诺的难度。

  为应对能源发展面临的挑战,我国政府已向国际社会承诺,到2020年单位国内生产总值CO2排放比2005年下降40%~45%,非化石能源占一次能源消费的比重达到15%左右;到2030年左右,CO2排放达到峰值且将努力早日达峰,非化石能源占一次能源消费比重提高到20%左右。越来越严格、甚至苛刻的全球气候变化目标的提出,为中国进一步节能减排、努力发展新能源提出了更为紧迫的要求。在风电发展方面,我国将继续落实陆上大型基地建设、陆上分散式并网开发和海上风电基地建设3条风电规划路径;结合《中国可再生能源发展路线亿kW。随着风电装机容量的持续增大,风电机组单机容量大型化研制技术、海上风电技术、大规模风电并网技术等将成为行业发展的主要研究方向。

  随着我国风电市场的扩大,我国风电设备制造产业的发展速度超过了预期,在企业产能及企业数量短时期内膨胀的同时,出现严重的同质化竞争,以及重数量扩张轻产业升级的趋势。为规范风电设备产业发展,国家也密集出台了有关政策要求。对风电设备制造企业而言,必须加强从自主创新、重质量、重服务等方面着手,不断促进风电经济性的改善及产品可靠性的提升。因而在“十三五”期间,风能产业的发展从重产能、重市场扩张等创业阶段的目标,转向以产品技术的进一步升级为主要任务,强调不断自主创新、提升产品质量、加强产品可靠性、降低成本等方面。

  风电机组的成本约占风电开发总成本的70%,风能的大规模开发将有效降低风电成本,这种大规模开发要求风电机组的大型化。目前,风电机组尺寸的进一步大型化已成为风电技术的重要发展方向,并随着海上风电开发得以加强,相关技术发展将成为未来风电技术的重要趋势。

  2015年,我国新增装机的风电机组平均功率达到1837kW,与2014年的1768kW相比,增长3.9%;累计装机的风电机组平均功率为1563kW,同比增长4%。

  2015年,我国新增风电装机中,2MW风电机组装机市场份额首次超过1.5MW机组,占全国新增装机容量的50%。与2014年相比,1.5MW机组市场份额下降了12%,而2MW机组所占市场份额上升了9%;2.1~2.5MW机组市场份额达到12%,其中主要以2.5MW为主;2.6~3MW机组市场份额达到2%。

  2015年,我国累计风电装机中,1.5MW的风电机组仍占主导地位,占总装机容量的56%,同比下降约5%;2MW风电机组市场份额上升至28%,同比上升约6%。图4为1991~2015年我国新增和累计装机的风电机组平均功率变化情况;图5为2004~2015年1.5MW和2MW机组新增装机容量的数据;表2显示了风电机组容量发展历程及趋势。

  目前,我国风电进入规模化发展阶段,陆地风电开发稳步发展,海上风电逐步加速,风电机组的整体趋势是单机容量的大型化。顺应这一趋势,加强基础研究,逐步掌握大型风电机组的设计理念和科学的研究方法,开发适应我国特点的大型先进风电机组。从不同功率风电机组的研发方面考虑,开发应用3MW以下风电机组轻量化和环境适应性技术,优化3~5MW风电机组设计,开展5~10MW海上风电机组设计和关键技术研究;2020年前,实现5MW风电机组的商业化运行,完成5~10MW海上风电机组样机验证,并对10MW以上特大型海上风电机组完成概念设计和关键技术研究;2020~2030年,实现5~10MW海上风电机组的商业化应用,完成特大型海上风电机组(10MW以上)的样机技术验证。

  在风电场造价中,风电机组的设备造价占比最高,风电机组的价格变化幅度也最大。在过去几年中,风电机组的价格随着风电市场经历了周期性变化,但总的趋势是下降的。2008年之前,由于风电市场急剧扩张,风电机组的产能增加赶不上风电场的扩展速度,产品供不应求,风电机组价格逐年上升;2008年以后,风电机组的供需情况出现逆转,风电机组的产能出现过剩,价格也一路走低,但这种状况在2012~2013年趋于平稳(如图6所示)。目前,风电机组的价格比2008年的最高点下降了38%,到2014年,风电机组价格与2013年基本持平。长期来看,随着风电机组技术的不断创新和进步,风电机组的每千瓦价格将逐渐走低。

  由于陆地上经济可开发的风资源越来越少,全球风电场建设已出现从陆地向近海发展的趋势。与陆地风电相比,海上风电风能资源的能量效益比陆地风电场高20%~40%,还具有不占土地资源、风速高等特点,适合大规模开发。而且由于海上风能资源最丰富的东南沿海地区毗邻用电需求大的经济发达地区,可以实现就近消纳,降低输送成本,所以我国海上风电发展潜力巨大。

  相对于陆上风电,海上风电需突破的技术问题更复杂,表3为海上风电机组运行环境的复杂程度。海上风资源特殊性、浮动式风力机组基础、洋流、波浪等震荡作用形式及台风等极端气候所造成的复杂力学问题,以及盐雾、潮湿的环境适应性问题,为海上风电机组设计带来巨大挑战。

  开发海上风电技术需主要解决两大关键技术内容:一是海上风电机组设计技术,二是海上风电机组支撑平台技术。除此之外,还应解决关键零部件、关键原材料方面的问题。

  与陆上相比,海上平均风速较高,湍流水平低,风剪切较小,且风电机组的设计不受噪音限制。因此,海上风电机组有其设计特点,如风轮直径更大、额定风速更低、轮毂高度相对降低、转速则更高,甚至有两叶片、单叶片的设计概念出现。对于海上风电场而言,由于海上较低的湍流水平,风电机组之间的尾流干扰也与陆上的情况不同,其尾流模型的建立和风电机组排布优化显得更加重要。

  防腐蚀设计是海上风电机组设计的重要方面。海上的高盐雾、高湿度环境使含盐雾的水汽很容易通过机舱缝隙进入机舱内部,对风电机组的零部件造成腐蚀。海上风电机组的主要防腐蚀方法有防腐涂装、密封和使用耐腐蚀材料等。

  由于海上风电机组的维修和维护远比陆上风电机组困难,必须进行有针对性的可靠性和可维护性设计。可靠性设计技术包括机械系统裕度设计、电气系统冗余设计、电气原件降额设计、发电机冷却方式设计、变流器可靠性增强设计、状态监测与故障诊断技术等;可维护性设计技术包括满足可维护性设计准则的结构设计和大部件维护专用设备研制等。

  此外,台风对我国东南沿海的影响频繁且广泛,其对海上风电场的破坏力很大,可能造成叶片断裂、塔筒折断、机舱罩倾覆等重大损失。为了抵御台风的破坏,对台风路径海域的海上风电机组还必须进行增强设计,并且优化台风期间的控制策略。

  与陆上风电机组相比,海上风电机组首先在支撑形式方面有很大不同。海上风电机组主要采用重力混凝土式、桩式和漂浮式3大类支撑结构。

  海上风电机组除了具有陆上风电机组的非定常气动和气动弹性等共性问题外,其海上运转环境还带来其特有的力学问题。与海上石油平台等不同,风电机组高耸的固定式支撑结构倾覆力矩巨大,再加上地基冲刷与海床液化等,使得这种流-固-土耦合机理的揭示和特性分析亟待解决。此外,我国海床地质条件特殊,大陆架淤沙厚度达几十到几百米。近海风电机组基础依靠沙土摩擦力承载和抗拔,为风电机组基础的安全性设计带来极大挑战,国内外对此还缺乏研究。

  漂浮式海上风电机组将是深海风能利用的主要方式。相对固定式风电机组,漂浮式风电机组增加了浮式基础和锚泊系统,其载荷条件和动力学响应更为复杂。海上风电机组运动和风、浪、流等是相互作用相互耦合的,恶劣海况下海上风电机组将处于大幅度运动中,旋转风轮又对塔架和漂浮结构的运动产生极大影响。这种运动是一种多自由度(甚至是超过10个自由度)的运动。海上风电机组系统是一个极其复杂的气动-气动弹性-水动载荷与结构响应的多学科耦合问题,恶劣海况下甚至会造成结构的迅速破坏。

  随着风电机组容量不断增加,根据风电机组研制需求,应大力加强叶片技术、传动链技术、控制系统技术和大容量变流器技术的研发和产品研制。在零部件供应链上着力做好以下工作:一是调整零部件生产企业的投资结构,加大对紧缺关键零部件如主轴轴承、变流器等产品研发的投入,逐步提升零部件的自给能力;二是建立零部件生产与风电系统技术进步的衔接机制,提高零部件企业自身适应研发技术更新的能力;三是加强零部件生产过程的质量控制,构建合格的零部件供应体系。

  随着风电机组尺寸的增大,叶片将越来越长。在确保叶片大型化的同时,如何优化载荷、减轻重量、提升环境适应性、友好性和运输便利性将成为未来10年内叶片技术发展的主要方向。为此,应大力研发风电机组叶片的监测控制技术、新型结构、碳纤维和高模高强玻璃纤维等新型材料,采用可回收利用的热塑性叶片树脂基体等新材料、新工艺很可能成为风电叶片技术的发展方向之一。

  目前齿轮箱的结构基本采用国外技术,对功率分流方式、均载形式等关键技术缺乏深入研究和成熟经验。因此,未来10年需加强以上方面的研究,争取在降低增速比、行星轮均载柔性轴设计和降低噪声方面实现技术突破。采用轴承新结构、新材料、新工艺,以解决轴承寿命、承载能力、可靠性等问题。

  风电机组发电机技术的主要方向是改善并网性能、降低重量。随着全功率变换技术的进步和成本的下降,更广泛地应用通过全功率逆变器并网的发电机。随着超导材料在技术和成本方面取得突破,未来我国可能在10MW及以上的风电机组发电机中应用高温超导技术。从目前的趋势看,3~5MW风电机组将采用中压发电机,而更高兆瓦级的风电机组将普遍采用高压发电机,风电机组容量的增长要求变流器的功率密度不断增加,同时各种风场环境也要求系统有很高的可靠性和方便的维护性,需要采用功率等级更高的半导体器件和模块。

  随着直驱风电机组的大型、超大型化,需要考虑发电机和变流器的统一优化设计,进一步提高电传动系统的功率密度和效率。目前塔架高度普遍为60~80m,未来大型风电机组的塔架高度将有可能继续增长,从而增加发电量收益。架在进一步加高的过程中,需要重新进行更为复杂系统的载荷计算,同时也要考虑其他可行的解决方案。此外,随着海上风电开发的进行,位于潮间带及近海风电场的机组塔架的防腐性能将会受到更大考验。需针对未来海上风电建设方向和条件,完善风电塔架和基础防腐技术方案,延长使用寿命,达到20年以上的设计要求。

  风电机组生产所需的原材料包括钢、铝、铜、混凝土、玻璃纤维、碳纤维、环氧树脂、永磁材料等。相关研究和数据显示,钢材用量约占机组总重量的90%,可以判断未来很长一段时期,我国的钢材产量能够支撑风电产业的发展。碳纤维复合材料代表了未来叶片材料的主要发展方向,随着风电机组叶片的大型化和轻量化,未来风电叶片的生产将更多地使用碳纤维。因此,要根据各阶段风电叶片技术及产业的发展需求,着力加大研发力度,加快碳纤维的生产供应能力。永磁材料需求将随着直驱风电机组市场规模的扩大而快速增加。以目前中国已探明的稀土资源储量和产量增长趋势来判断,保证未来风电产业所需的永磁材料供应充足,但成本可能会持续上涨。这3类材料的供应应得到更多关注。

  中国风电开发具有“大规模、高集中、远距离”的显著特点。大型风电基地所在地区负荷水平较低、电力系统规模较小、风电就地消纳能力十分有限,不能满足风电开发的要求,一些地区限制风电出力的情况严重,电网消纳和送出能力与发电量无法平衡,“弃风”情况比较严重。风电开发应根据灵活高效接入、调度、输送和消纳大规模风电的要求,结合电力系统运行管理和电力体制机制的改革创新,按照能源转型和构建风电与电力系统协调发展的总体要求,大力开发应用“电网友好型”风电并网技术、风电场功率预测预报技术、优化调度技术、远距离输电技术和大容量储能技术。

  2020年前,开发应用“电网友好型”风力发电并网技术,通过对风电机组实施技术规范、并网检测和型式认证等措施,使风电机组/风电场普遍具备更加良好的电网适应能力,包括(基于功率预测的)有功功率变化率控制、无功功率调节、低电压穿越(LVRT)能力、频率调节和抗干扰能力等,配置合理的二次系统、相关控制系统,使风电场具备可测、可控、可调的能力,实现风电与电网及其他常规电源的协调发展。

  随着风电装机容量的增加,风电场功率预测将成为电力系统不可或缺的组成部分。研究部署风电功率预测预报技术,提高超短期和短期风电功率预测的精度,为电力系统的经济调度运行提供更精确的服务,以促进最大限度地接收风电量。2020年前,研发和应用的重点是充分运用各种成熟的统计预报技术,重点开发应用研发陆地风电场的超短期预报(4h以内)和短期预报(48h以内)系统。组织电网调度机构、气象部门、风电场共同建立集中式与分散式相结合的风电场功率预测业务体系。2020~2030年,继续提高风电场功率预测预报精度,研发应用月、季、年尺度的中长期风电功率预测技术,完善海洋风电预测预报服务体系,建立满足各类、各时段需求的风电场功率中长期预报业务体系。到2030年以后,风电场功率预测预报技术全面普及应用,使风电场功率预测预报成为智能调度体系的重要支撑。

  风电的大规模集中开发和远距离输送,特别是海上风电场的输电方式,除采用传统的交流输电方式、继续完善电网设施和运行技术外,逐步更多采用柔性直流、高压直流、超导和低频输电等新型输电方式。2020年前,加快普及应用动态无功补偿、串补/可控串补、可控高抗、自动电压控制(AVC)等先进技术,提升风电外送能力、提高安全稳定水平。对海上风电场,近期可采用适合小容量、近距离海上风电场的交流传输并网方式。随着逐步建设额定容量达到几十万kW且离岸距离较远时的大型海上风电场,加快开发应用柔性直流输电技术。2020年后,有效解决现有特高压输电工程的制约因素,发挥最大效率和经济性优势,使特高压输电逐步成为风电大规模开发的有力保障。在2030年后,争取实现超导电力技术在风电接入和输送领域的应用。

  电网优化调度控制技术是电力系统建设的重要部分,对提高资源优化配置能力具有重要作用。风电等波动性可再生能源的大规模开发对发展智能调度技术提出了更高要求。应加强风电场风电机组的运行统计和分析工作,准确掌握风电运行特点,积极开展风电调度技术和策略研究,不断提高风电调度精细化水平。结合智能电网技术的开发应用,未来电网调度控制技术将向一体化分布协调控制、智能分析控制、经济优化控制等方向发展。2020年前,基本建立风电机组/风电场之间互联互通的数据收集和调度控制体系,建立风电场集中预测、控制与调度中心,实现风电优先高效调度的自动化。到2030年,随着智能电网建设初具规模,实现一体化分布协调控制关键技术,控制范围覆盖和环节扩大到完整电力系统,实现风电调度的智能化,显著提高大规模波动性电源和整个电力系统的运行控制能力,实现风电等新能源发电的灵活高效接入、输送与消纳。

  在电力系统中引入大容量储能装置,不仅可以有效减小风电对系统的冲击和影响,提高风电出力与预测的一致性,保障电源电力供应的可信度,还可降低电力系统的备用容量需求,提高电力系统运行的经济性,同时提高电力系统接纳风电的能力。应重视和发挥储能系统的多种功能,科学选择、规划、使用储能系统,在负荷侧和电源侧均引入储能系统。储能技术中,抽水蓄能应用最广泛,化学电池储能技术进步最快,应优先发展液流电池和锂电池技术。

  2020年以前,大规模储能主要依靠抽水蓄能;2020年以后,实现电池储能的规模化集成技术瓶颈的突破和成本下降,开始规模化应用,其中液流、锂离子、钠硫电池具有规模化应用前景。预计到2020年,以锂离子电池、钠硫电池、液流电池为代表的大容量化学储能装置容量达到数十MW甚至数百MW,转换效率达到90%,将在集中式调峰、调频、应急,以及分布式负荷管理领域得到广泛应用。2030年,化学储能、压缩空气储能系统在经济性方面和抽水蓄能机组相当,有望与其共同实现规模化应用。

  综上所述,我国风电技术在近10年间取得了显著的进步,风电装机容量和产能均位居世界首位,成为风电产业大国。但是,我国还不是风电技术强国,目前我国风电机组存在运行效率低、故障率高、可靠性差等问题,致使风能的实际利用率、风场盈利能力与预期还有很大差距。究其原因,一方面是因为国内在大型风电机组研究方面的起步较晚,目前仍处于技术跟踪阶段;另一方面是国内过于重视产业化,对基础性研究投入不够,缺乏稳定持续的研究队伍,产品的可靠性还不能达到较好的水平。

  为了使我国风电产业摆脱对国外技术引进的长期依赖,促进我国风电产业可持续发展,真正掌握核心的陆上和海上大型风电机组设计与研发的关键技术成为我们必须尽快解决的关键任务,也是我国由风电大国走向风电强国的必由之路。因此,必须着力提高风电技术的原始创新能力,真正形成风电技术的自主创新体系。

  总之,风电是一个前景广阔的事业,风力发电技术仍需要不断发展升级,我国已成为世界风电行业的重要部分,我们仍需继续努力,为实现风电中国梦而不懈奋斗。

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