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风电机组技术现状及发展方向

  一、前言

  风能是资源潜力巨大、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十年,风电成为继火电、水电之后的第三大电源。根据全球风能理事会统计,2017年,我国风电新增装机容量达19.5GW,累计装机容量达188.2GW,占全球风电总装机量的35%。根据中国电力企业联合会的统计数据,2017年,我国风电装机量占全国发电装机总量的9.2%,风电的年发电量占全国发电总量的4.8%。

  我国开展风电技术研发已有40多年的历史,与欧美国家同时起步,早期主要由科研机构和大专院校进行样机研究和试制,在“九五”和“十五”期间,我国首批风电整机制造企业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。“十一五”以来,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,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。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开发的路线图、关键要素和潜在风险的认识日益深入,开发出若干具有自主知识产权的机型,在单机容量上也逐渐接近国际领先水平。

  我国风电企业通过引进消化吸收和再创新,掌握了关键核心技术,并且在适应低风速条件和恶劣环境的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基本实现了与世界同步。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。

  为适应我国中东部和南部地区巨大的低风速资源,近年来很多整机设备厂商纷纷推出高塔筒和长叶片等方案,在技术开发的过程中借鉴了欧洲厂商的经验,但也有不少是我国的设备厂商因地制宜,根据国内资源和产业配套情况提出的一些新的思路和方法,体现出我国整机设备厂商在技术路线方面已经开始具备一定的自主创新能力。

  我国在风电机组领域的基础研究和共性技术研究方面相对不足,风电机组设计软件及载荷评估所用的软件绝大部分为欧洲公司产品,设计标准和理念方面基本全部按照DNV.GL公司提出的风电机组认证规则及国际电工委员会(IEC)提出的IEC61400系列风电机组技术标准的要求进行,未充分考虑到我国风能资源、自然环境和电网接纳方式的特殊性。国外风电行业在跨行业的技术整合与成果转化方面非常活跃,一直以来引领主流技术的发展路线,在基本理论、基础工艺和材料应用等方面至今仍具有领先优势。从长期来看,风电是一个对设备可靠性要求非常高的资金与技术密集型产业,从全球范围来看,由于风电机组产业的技术和资金门槛的提高,行业集中度也在不断提高。

  二、风电机组技术的发展现状

  (一)大型风电机组整机设计与制造发展现状

  1.大型风电机组的开发

  在市场需求和竞争的推动下,中国大型风电机组开发技术升级和国际化进程不断加快。当前我国1.5~4MW风电机组已形成充足的供应能力,部分机组制造商的5~6MW风电机组样机也已下线。

  目前,国外主要的整机制造商已经完成4~7MW级风电机组的产业化,8~10MW级的风电机组样机已挂机,欧美整机设计公司均进入到10MW级整机设计阶段。维斯塔斯风力技术公司(Vestas)和德国Senvion公司都发布了将开发200m左右叶轮直径的10MW风电机组的计划,2018年美国通用电气公司宣布将在3年内完成12MW海上风电机组的开发。

  在全球范围内,欧洲海上风电发展起步最早,装机规模占比最高。2017年,欧洲新增海上风电装机量即达到了3GW,迎来井喷式的增长。这说明欧洲厂商通过多年的实践,积累了丰富的设计和工程经验,对于海上风电投资回报和风险控制具有充分的信心。

  目前,欧洲6MW海上风电机组已形成产业化能力并实现批量装机,8MW海上风电机组进入样机试运行阶段,更大容量的海上风电机组也已经开始进行设计。在海上风电机组基础方面,欧洲具备了单桩、多桩、重力桩、导管架等多种样式基础形式的设计、制造能力。在海上风电业务领域,技术、资金和工程经验的壁垒比陆上风电更为显着,美国西门子公司、西班牙歌美飒集团在该领域已经形成了巨大的领先优势。

  我国已有少量海上风电场投入运行,由于缺少海上风电场示范经验,尚未完全掌握风电机组的设计开发与整个海上风电工程设计的协调性,导致占海上风电投资成本较大比例的基础、线路和变电站设计成本难以降低,加之机组的可靠性仍未得到充分验证,海上风电的投资回报存在较大的不确定性。因而,需要通过对风电机组控制策略、叶片、塔架、并网特性的深度定制和研究,实现风电机组与海上风电工程设计的整体优化,避免各部件单独设计导致过剩及浪费,有效降低海上风电度电成本。

  2.零部件配套

  在风电机组零部件配套方面,我国风电产业已经形成包括叶片、塔筒、齿轮箱、发电机、变桨和偏航系统、轮毂、变流器等在内的零部件生产体系。上述主要零部件的产量均已居全球第一位,除配套国产整机厂商外,部分零部件也对国外厂商有少量配套。但是,在高性能轴承、油脂、传感器、控制器等方面,国产零部件尚不能实现对进口零部件的完全替代。

  我国风电产业领域各类零部件在工程应用方面积累了大量经验,但在设计原理和优化方法、新材料和新工艺的运用、零部件开发过程中的多物理场仿真和全性能验证测试、高性能零部件的品质管控等方面仍然存在短板,在机组控制技术和整机、零部件具体运行性能关联性的研究方面尚存在很大不足。

  总体来看,我国风电整机和零部件配套行业不同程度地存在着大而不强、泛而不精的现象,在基础材料和工艺技术方面的研究比较欠缺,在长期可靠性、产品一致性方面与部分进口产品尚存在差距。多数零部件厂商在考虑设计开发和工程应用时多着眼于自身,在系统性认识和产业链深度合作方面仍需要进一步加强。

  3.风电试验平台

  国外风电实验室大多覆盖风能资源评估、风电机组现场测试、传动链平台测试、风电并网仿真等领域。如美国国家可再生能源实验室(NREL)建立了不同时间尺度的风能资源预测模型、7MVA多功能电网扰动模拟装置、5MW风电机组传动链测试平台等研究平台,具有国际先进水平的风电/光伏发电设备及零部件的试验研发能力;丹麦国家可再生能源实验室(DTU/RIS?)在风能领域的研究包括风能资源评估与微观选址、风电功率预测、风电并网与控制、海上风电、空气动力学研究和设计、结构设计和可靠性、遥感和试验、边界层气象与湍流、材料等。

  我国目前仅有部分风电企业建设有自己的动力试验平台,但是测试功能相对单一,不具备公共性和独立性,各厂商大多根据自身的经验、认识和产品开发的侧重点来开展研究性试验,开放交流显着不足。

新疆喜乐彩  2010年,我国在张北建立了国家风电技术检测与研究中心,借助公共试验场开展了一系列风电设备的现场运行性能和电网适应性测试,为我国提高产业技术能力和加快规模化发展提供了有效助力。我国适合开发海上风电的区域集中在东南沿海,具有台风、盐雾、高温、高湿等恶劣气候特点。目前我国针对上述风电应用环境,系统性的专业检测技术能力尚未形成,亟需加强相关检测能力建设。而欧美针对海上风电场在建设和运行期间对水文、电网、气象、生物等影响已开展了多项检测研究活动,并且开发出一系列专用测试设备。

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关键词: 风电

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风电机组技术现状及发展方向

发布时间:2019-06-26   来源:能源情报

  一、前言

  风能是资源潜力巨大、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十年,风电成为继火电、水电之后的第三大电源。根据全球风能理事会统计,2017年,我国风电新增装机容量达19.5GW,累计装机容量达188.2GW,占全球风电总装机量的35%。根据中国电力企业联合会的统计数据,2017年,我国风电装机量占全国发电装机总量的9.2%,风电的年发电量占全国发电总量的4.8%。

  我国开展风电技术研发已有40多年的历史,与欧美国家同时起步,早期主要由科研机构和大专院校进行样机研究和试制,在“九五”和“十五”期间,我国首批风电整机制造企业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。“十一五”以来,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,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。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开发的路线图、关键要素和潜在风险的认识日益深入,开发出若干具有自主知识产权的机型,在单机容量上也逐渐接近国际领先水平。

  我国风电企业通过引进消化吸收和再创新,掌握了关键核心技术,并且在适应低风速条件和恶劣环境的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基本实现了与世界同步。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。

  为适应我国中东部和南部地区巨大的低风速资源,近年来很多整机设备厂商纷纷推出高塔筒和长叶片等方案,在技术开发的过程中借鉴了欧洲厂商的经验,但也有不少是我国的设备厂商因地制宜,根据国内资源和产业配套情况提出的一些新的思路和方法,体现出我国整机设备厂商在技术路线方面已经开始具备一定的自主创新能力。

  我国在风电机组领域的基础研究和共性技术研究方面相对不足,风电机组设计软件及载荷评估所用的软件绝大部分为欧洲公司产品,设计标准和理念方面基本全部按照DNV.GL公司提出的风电机组认证规则及国际电工委员会(IEC)提出的IEC61400系列风电机组技术标准的要求进行,未充分考虑到我国风能资源、自然环境和电网接纳方式的特殊性。国外风电行业在跨行业的技术整合与成果转化方面非常活跃,一直以来引领主流技术的发展路线,在基本理论、基础工艺和材料应用等方面至今仍具有领先优势。从长期来看,风电是一个对设备可靠性要求非常高的资金与技术密集型产业,从全球范围来看,由于风电机组产业的技术和资金门槛的提高,行业集中度也在不断提高。

  二、风电机组技术的发展现状

  (一)大型风电机组整机设计与制造发展现状

  1.大型风电机组的开发

  在市场需求和竞争的推动下,中国大型风电机组开发技术升级和国际化进程不断加快。当前我国1.5~4MW风电机组已形成充足的供应能力,部分机组制造商的5~6MW风电机组样机也已下线。

  目前,国外主要的整机制造商已经完成4~7MW级风电机组的产业化,8~10MW级的风电机组样机已挂机,欧美整机设计公司均进入到10MW级整机设计阶段。维斯塔斯风力技术公司(Vestas)和德国Senvion公司都发布了将开发200m左右叶轮直径的10MW风电机组的计划,2018年美国通用电气公司宣布将在3年内完成12MW海上风电机组的开发。

  在全球范围内,欧洲海上风电发展起步最早,装机规模占比最高。2017年,欧洲新增海上风电装机量即达到了3GW,迎来井喷式的增长。这说明欧洲厂商通过多年的实践,积累了丰富的设计和工程经验,对于海上风电投资回报和风险控制具有充分的信心。

  目前,欧洲6MW海上风电机组已形成产业化能力并实现批量装机,8MW海上风电机组进入样机试运行阶段,更大容量的海上风电机组也已经开始进行设计。在海上风电机组基础方面,欧洲具备了单桩、多桩、重力桩、导管架等多种样式基础形式的设计、制造能力。在海上风电业务领域,技术、资金和工程经验的壁垒比陆上风电更为显着,美国西门子公司、西班牙歌美飒集团在该领域已经形成了巨大的领先优势。

新疆喜乐彩  我国已有少量海上风电场投入运行,由于缺少海上风电场示范经验,尚未完全掌握风电机组的设计开发与整个海上风电工程设计的协调性,导致占海上风电投资成本较大比例的基础、线路和变电站设计成本难以降低,加之机组的可靠性仍未得到充分验证,海上风电的投资回报存在较大的不确定性。因而,需要通过对风电机组控制策略、叶片、塔架、并网特性的深度定制和研究,实现风电机组与海上风电工程设计的整体优化,避免各部件单独设计导致过剩及浪费,有效降低海上风电度电成本。

  2.零部件配套

  在风电机组零部件配套方面,我国风电产业已经形成包括叶片、塔筒、齿轮箱、发电机、变桨和偏航系统、轮毂、变流器等在内的零部件生产体系。上述主要零部件的产量均已居全球第一位,除配套国产整机厂商外,部分零部件也对国外厂商有少量配套。但是,在高性能轴承、油脂、传感器、控制器等方面,国产零部件尚不能实现对进口零部件的完全替代。

  我国风电产业领域各类零部件在工程应用方面积累了大量经验,但在设计原理和优化方法、新材料和新工艺的运用、零部件开发过程中的多物理场仿真和全性能验证测试、高性能零部件的品质管控等方面仍然存在短板,在机组控制技术和整机、零部件具体运行性能关联性的研究方面尚存在很大不足。

  总体来看,我国风电整机和零部件配套行业不同程度地存在着大而不强、泛而不精的现象,在基础材料和工艺技术方面的研究比较欠缺,在长期可靠性、产品一致性方面与部分进口产品尚存在差距。多数零部件厂商在考虑设计开发和工程应用时多着眼于自身,在系统性认识和产业链深度合作方面仍需要进一步加强。

  3.风电试验平台

  国外风电实验室大多覆盖风能资源评估、风电机组现场测试、传动链平台测试、风电并网仿真等领域。如美国国家可再生能源实验室(NREL)建立了不同时间尺度的风能资源预测模型、7MVA多功能电网扰动模拟装置、5MW风电机组传动链测试平台等研究平台,具有国际先进水平的风电/光伏发电设备及零部件的试验研发能力;丹麦国家可再生能源实验室(DTU/RIS?)在风能领域的研究包括风能资源评估与微观选址、风电功率预测、风电并网与控制、海上风电、空气动力学研究和设计、结构设计和可靠性、遥感和试验、边界层气象与湍流、材料等。

  我国目前仅有部分风电企业建设有自己的动力试验平台,但是测试功能相对单一,不具备公共性和独立性,各厂商大多根据自身的经验、认识和产品开发的侧重点来开展研究性试验,开放交流显着不足。

  2010年,我国在张北建立了国家风电技术检测与研究中心,借助公共试验场开展了一系列风电设备的现场运行性能和电网适应性测试,为我国提高产业技术能力和加快规模化发展提供了有效助力。我国适合开发海上风电的区域集中在东南沿海,具有台风、盐雾、高温、高湿等恶劣气候特点。目前我国针对上述风电应用环境,系统性的专业检测技术能力尚未形成,亟需加强相关检测能力建设。而欧美针对海上风电场在建设和运行期间对水文、电网、气象、生物等影响已开展了多项检测研究活动,并且开发出一系列专用测试设备。

      关键词:, 风电


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