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風電機組技術現狀及發展方向

放大字體  縮小字體 2019年06月26日 15:00:19  來源:中集能源集團  閱讀:5006

 
     

一、前言


風能是資源潛力巨大、技術較為成熟的可再生能源,在減排溫室氣體、應對氣候變化的新形勢下,越來越受到世界各國的重視,并已在全球大規模開發利用。“十一五”到“十二五”期間,中國風電經歷了飛速發展的十年,風電成為繼火電、水電之后的第三大電源。根據全球風能理事會統計,2017年,中國風電新增裝機容量達19.5GW,累計裝機容量達188.2GW,占全球風電總裝機量的35%。根據中國電力企業聯合會的統計數據,2017年,中國風電裝機量占全國發電裝機總量的9.2%,風電的年發電量占全國發電總量的4.8%。


中國開展風電技術研發已有40多年的歷史,與歐美國家同時起步,早期主要由科研機構和大專院校進行樣機研究和試制,在“九五”和“十五”期間,中國首批風電整機制造企業初步掌握了定槳距機組總體設計技術,實現了規模化生產,邁出了產業化發展的第一步。“十一五”以來,隨著國家陸續制定出臺了促進風電等可再生能源發展的相關法規和扶持政策,眾多國內外企業大舉投入中國風電制造業,通過引進生產許可證、建立合資企業、開展自主研發或聯合研發等手段,研制兆瓦級以上風電機組產品。經過一定時期的風電機組技術引進和產業化生產,國內風電整機制造企業對風電技術開發的路線圖、關鍵要素和潛在風險的認識日益深入,開發出若干具有自主知識產權的機型,在單機容量上也逐漸接近國際領先水平。


中國風電企業通過引進消化吸收和再創新,掌握了關鍵核心技術,并且在適應低風速條件和惡劣環境的風電機組開發方面取得了突破性進展,處于全球領先地位,在大容量機組開發上也基本實現了與世界同步。這些成就,既保證了中國風電產業的持續快速發展,也為中國風電產業實現從大到強的跨越式發展奠定了基礎。


為適應中國中東部和南部地區巨大的低風速資源,近年來很多整機設備廠商紛紛推出高塔筒和長葉片等方案,在技術開發的過程中借鑒了歐洲廠商的經驗,但也有不少是中國的設備廠商因地制宜,根據國內資源和產業配套情況提出的一些新的思路和方法,體現出中國整機設備廠商在技術路線方面已經開始具備一定的自主創新能力。


中國在風電機組領域的基礎研究和共性技術研究方面相對不足,風電機組設計軟件及載荷評估所用的軟件絕大部分為歐洲公司產品,設計標準和理念方面基本全部按照DNV.GL公司提出的風電機組認證規則及國際電工委員會(IEC)提出的IEC61400系列風電機組技術標準的要求進行,未充分考慮到中國風能資源、自然環境和電網接納方式的特殊性。國外風電行業在跨行業的技術整合與成果轉化方面非常活躍,一直以來引領主流技術的發展路線,在基本理論、基礎工藝和材料應用等方面至今仍具有領先優勢。從長期來看,風電是一個對設備可靠性要求非常高的資金與技術密集型產業,從全球范圍來看,由于風電機組產業的技術和資金門檻的提高,行業集中度也在不斷提高。


二、風電機組技術的發展現狀


(一)大型風電機組整機設計與制造發展現狀


1.大型風電機組的開發


在市場需求和競爭的推動下,中國大型風電機組開發技術升級和國際化進程不斷加快。當前中國1.5~4MW風電機組已形成充足的供應能力,部分機組制造商的5~6MW風電機組樣機也已下線。


目前,國外主要的整機制造商已經完成4~7MW級風電機組的產業化,8~10MW級的風電機組樣機已掛機,歐美整機設計公司均進入到10MW級整機設計階段。維斯塔斯風力技術公司(Vestas)和德國Senvion公司都發布了將開發200m左右葉輪直徑的10MW風電機組的計劃,2018年美國通用電氣公司宣布將在3年內完成12MW海上風電機組的開發。


在全球范圍內,歐洲海上風電發展起步最早,裝機規模占比最高。2017年,歐洲新增海上風電裝機量即達到了3GW,迎來井噴式的增長。這說明歐洲廠商通過多年的實踐,積累了豐富的設計和工程經驗,對于海上風電投資回報和風險控制具有充分的信心。


目前,歐洲6MW海上風電機組已形成產業化能力并實現批量裝機,8MW海上風電機組進入樣機試運行階段,更大容量的海上風電機組也已經開始進行設計。在海上風電機組基礎方面,歐洲具備了單樁、多樁、重力樁、導管架等多種樣式基礎形式的設計、制造能力。在海上風電業務領域,技術、資金和工程經驗的壁壘比陸上風電更為顯著,美國西門子公司、西班牙歌美颯集團在該領域已經形成了巨大的領先優勢。


中國已有少量海上風電場投入運行,由于缺少海上風電場示范經驗,尚未完全掌握風電機組的設計開發與整個海上風電工程設計的協調性,導致占海上風電投資成本較大比例的基礎、線路和變電站設計成本難以降低,加之機組的可靠性仍未得到充分驗證,海上風電的投資回報存在較大的不確定性。因而,需要通過對風電機組控制策略、葉片、塔架、并網特性的深度定制和研究,實現風電機組與海上風電工程設計的整體優化,避免各部件單獨設計導致過剩及浪費,有效降低海上風電度電成本。


2.零部件配套


在風電機組零部件配套方面,中國風電產業已經形成包括葉片、塔筒、齒輪箱、發電機、變槳和偏航系統、輪轂、變流器等在內的零部件生產體系。上述主要零部件的產量均已居全球第一位,除配套國產整機廠商外,部分零部件也對國外廠商有少量配套。但是,在高性能軸承、油脂、傳感器、控制器等方面,國產零部件尚不能實現對進口零部件的完全替代。


中國風電產業領域各類零部件在工程應用方面積累了大量經驗,但在設計原理和優化方法、新材料和新工藝的運用、零部件開發過程中的多物理場仿真和全性能驗證測試、高性能零部件的品質管控等方面仍然存在短板,在機組控制技術和整機、零部件具體運行性能關聯性的研究方面尚存在很大不足。


總體來看,中國風電整機和零部件配套行業不同程度地存在著大而不強、泛而不精的現象,在基礎材料和工藝技術方面的研究比較欠缺,在長期可靠性、產品一致性方面與部分進口產品尚存在差距。多數零部件廠商在考慮設計開發和工程應用時多著眼于自身,在系統性認識和產業鏈深度合作方面仍需要進一步加強。


3.風電試驗平臺


國外風電實驗室大多覆蓋風能資源評估、風電機組現場測試、傳動鏈平臺測試、風電并網仿真等領域。如美國國家可再生能源實驗室(NREL)建立了不同時間尺度的風能資源預測模型、7MVA多功能電網擾動模擬裝置、5MW風電機組傳動鏈測試平臺等研究平臺,具有國際先進水平的風電/光伏發電設備及零部件的試驗研發能力;丹麥國家可再生能源實驗室(DTU/RIS?)在風能領域的研究包括風能資源評估與微觀選址、風電功率預測、風電并網與控制、海上風電、空氣動力學研究和設計、結構設計和可靠性、遙感和試驗、邊界層氣象與湍流、材料等。


中國目前僅有部分風電企業建設有自己的動力試驗平臺,但是測試功能相對單一,不具備公共性和獨立性,各廠商大多根據自身的經驗、認識和產品開發的側重點來開展研究性試驗,開放交流顯著不足。


2010年,中國在張北建立了國家風電技術檢測與研究中心,借助公共試驗場開展了一系列風電設備的現場運行性能和電網適應性測試,為中國提高產業技術能力和加快規模化發展提供了有效助力。中國適合開發海上風電的區域集中在東南沿海,具有臺風、鹽霧、高溫、高濕等惡劣氣候特點。目前中國針對上述風電應用環境,系統性的專業檢測技術能力尚未形成,亟需加強相關檢測能力建設。而歐美針對海上風電場在建設和運行期間對水文、電網、氣象、生物等影響已開展了多項檢測研究活動,并且開發出一系列專用測試設備。


(二)數字化風電技術發展現狀


隨著風力發電市場容量和裝備產業的快速大規模發展,風電機組的可靠性、運行效率、工作壽命等問題開始受到專家學者們的高度關注。針對這一問題,數字化風電技術,在風電智能監控、智能運維、故障智能診斷和預警等方面已開展深入研究探索。


1.風電智能監控


中國風電場監控系統主要存在協議不開放,不同的廠商在協議信息中描述不統一,無法實現互聯互通和擴展等問題。這些系統使用的通信協議結構各異,信息描述不統一,難以實現互聯互通和擴展,即便是同一制造商生產的風電機組,由于電力電子技術、控制技術、單機容量和軟件版本的不同,它們擁有的控制方式也可能不同,且需要不同的運行參數和調控指令,這給風電場統一調度控制與生產管理制造了很大障礙。


為了實現風電場中互聯性、互操作性和可擴展性,國際電工委員會(IEC)起草制定了IEC61400-25標準。該標準定義用于搭建風電場監控系統平臺的通信原理和信息交換模型等方面,是電力系統自動化通信協議IEC61850標準在風力發電領域內的延展。中國也對IEC61400-25標準進行了國家標準的轉化與執行,基本實現了風電場的監控運行管理。


2.風電智能運維


中國風電設備多運行于自然條件艱苦、可到達性較差的環境,對智能運維的需求尤為迫切,力求在考慮設備可靠性、維修性、經濟性等影響因素的情況下,實現定檢、維修、維護的合理安排,以達到減少值守人員數量、縮短備件供應時間和提高運行可靠性的目的。


在風電場智能化運維管理系統方面,國外起步較早,實用化水平也相對較高,作為風電場控制系統的載體,GH-SCADA、RIS?-CleverFarm等系統除具有完成傳統的數據采集、分析、展示的功能外,還在功能上集成了風電場優化控制、運行數據分析、供應鏈服務、信息流管理等高級控制功能,已初步體現了風電場智能化運維的理念。


中國陸上風電場智能化運維水平在精細化與信息化方面與國際上存在較大差距。海上風電場在運維管理的限制性條件、服務裝備、安全要求等方面和陸上風電場存在顯著差異,歐洲廠商根據多年經驗,形成了海上風電場運維管理的系統性方法,而中國目前海上風電場的運維手段和理念主要借鑒陸上風電場的經驗,尚未形成真正適用于海上風電場的運維管理體系。


3.風電機組故障智能診斷和預警


中國目前已經面臨大批風電機組陸續過保的現狀,風電機組可利用率下降、傳動系統和葉片等零部件的性能下降和故障造成的停機現象較為嚴重。國內一些科研機構和整機廠家逐漸開始重視風電機組健康狀態診斷技術,并借鑒國外先進經驗開展了初步研究,也已開發出一些狀態監測產品批量應用到風電場。一些風能利用發達的國家,如丹麥、德國、西班牙等擁有長期共生、緊密合作的風電零部件與整機產業鏈,并根據大量現場采集的運行數據開展風電機組運行狀態評價和全壽命周期評估,將風能資源、風電規劃、風電場評估、風電機組設備運行狀態與檢測結果、風電場運行維護、風電場性能評估等統一考慮,用于開展風電機組狀態評價、故障診斷以及經濟性運行。


隨著大數據技術的發展,各整機廠商紛紛建立大數據中心并開展了風電機組狀態監控及故障預警的研究,但國內風電機組故障診斷技術從整體來看,產品分析和診斷功能都較為薄弱,主要問題在于對于整機和零部件的運行機理與失效模式認識尚不夠深入,當前以趨勢判斷和定性分析為主,缺乏定量分析,還不具備整套評估體系及對故障進行準確判斷與預警的方法。


(三)電網友好型技術發展現狀


隨著風電比例的不斷上升,出于電網穩定運行考慮,中國對風電機組的并網性能也不斷提出新的要求,包括低電壓穿越、高電壓穿越、慣量響應和一次調頻等。目前,低電壓穿越已成為中國風電設備入網的強制性要求,對高電壓穿越、慣量響應和一次調頻能力的要求正在深入論證中,但還沒有提出明確的技術指標及測試方法。各個國家都根據自身電力系統的情況,提出有針對性的風電設備入網標準,部分國家的入網標準中對風電的高、低電壓穿越和一次調頻性能要求已經非常明確。


國外設備廠商對于風電機組在故障穿越中的動態特性、安全極限、機群的互動穩定性、風電機組和風電場模型驗證、風電機組和風電場電能質量評價等方面有著深入的研究并進行了相應的測試,國內廠商則多停留于功能實現,在技術的深入探索和優化方面尚待加強。


由于中國近年來風電規模增長迅猛,并且在風電大規模并網、傳輸和運行方面獲得了相當多的實際經驗和成果,IEC組織將新成立的TC8SC8A“大容量可再生能源接入電網”工作組和TC8SC8B“分布式能源電力系統”工作組的秘書處設立于中國,中國技術專家能夠更多地參加到國際標準的制訂工作中,開展更為廣泛的技術交流,極大地提高了中國風電機組產業在電網接入技術領域的話語權。


(四)風電新概念技術發展現狀


除了傳統風力發電技術,風電新概念技術也隨之快速發展。為滿足未來大容量海上風電機組的需要,美國2009年即由可再生能源實驗室(NREL)和美國超導公司、東元西屋電機公司等簽署協議,聯合開發大容量風電用超導發電機,歐洲眾多廠商也紛紛介入這一領域。美國通用電氣公司、美國超導公司、德國西門子股份公司、日本川崎重工業株式會社等都已進行了兆瓦級超導發電機的試制和測試,中國船舶重工集團公司第七一二研究所也已進行了樣機開發。


高溫超導電機是一項應用新材料、新方法、新工藝的多學科高新技術,技術難度大,而且國內高溫超導電機的研究起步較晚、研究經費少,研究的深度和廣度還不夠,基礎研究、技術水平與技術手段與美國和德國相比還存在明顯差距。


風能在近地高度范圍內,由于地面粗糙度而具有切變特性,即高度越高則平均風速越大,因而對高空風能資源的利用在多年前就得到了國內外學者的關注。中國高空風電目前仍處于探索階段,有少量小功率機組投入試運行,但尚未有商業案例。


關于高空風力發電,國外的創業公司提出了很多有想象力的方案,谷歌收購了硅谷的高空風電創業公司(Makani),麻省理工學院則投資了創業公司AltaerosEnergies,上述兩家公司均設計制造了樣機進行現場測試[5]。對比國內外廠商,在高空風電領域,國外廠商的技術研發起點很高,理論基礎扎實,在實踐中采用了大量新材料和傳感器,在裝備設計中均采用可移動、可放飛、可回收的路線,工程經濟性較好,相對于國內廠商有顯著優勢。


三、技術發展趨勢和需求


在風電發展方面,中國將繼續落實陸上大型基地建設、陸上分散式并網開發和海上風電基地建設,并結合中國制造業轉型升級的國家戰略,積極推動整機設備和零部件出口。風電機組出于充分利用風能資源和降低度電成本的目的,不斷向大型化、智能化、數字化的方向發展,而具體技術突破則更多地借助信息化、集群化以及多學科的交叉融合。


(一)大型風電機組整機設計與制造發展趨勢和需求


1.大型風電機組的開發


隨著風電機組單機容量的不斷增加及中國風電開發的不斷深入,利用智能控制技術,通過先進傳感技術和大數據分析技術的深度融合,綜合分析風電機組運行狀態及工況條件,對機組運行參數進行實時調整,實現風電設備的高效、高可靠性運行,是未來風電設備智能化研究的趨勢。大型風電機組整機技術需求主要包括:大功率風電機組整機一體化優化設計及輕量化設計技術,大功率機組葉片、載荷與先進傳感控制集成一體化降載優化技術,大功率風電機組電氣控制系統智能診斷、故障自恢復免維護技術,以及大功率陸上風電機組及關鍵部件綠色制造技術。


中國海床的構成特征確定了中國海上風電機組基礎段的工程成本將高于歐洲,而中國海域的夏季臺風則對海上風電機組了嚴峻挑戰,這就促使中國海上風電市場更需要設備具有大容量和高可靠性。


海上風電機組技術需求主要包括:適用于中國的近海、遠海風電場設計、施工、運輸、吊裝關鍵技術;適合中國海況和海上風能資源特點的風電機組精確化建模和仿真計算技術;10MW級及以上海上風電機組整機設計技術,包括風電機組、塔架、基礎一體化設計技術,以及考慮極限載荷、疲勞載荷、整機可靠性的設計優化技術;高可靠性傳動鏈及關鍵部件的設計、制造、測試技術以及大功率風電機組冷卻技術;自主知識產權的海上風電機組及其軸承和發電機等關鍵部件;對于惡劣海洋環境對機組內部機械部件、電控部件以及對外部結構腐蝕的影響;臺風、鹽霧、高溫、高濕度海洋環境下的風電機組內環境智能自適應性系統。


2.零部件配套


在風電機組大型化的同時,結構性問題的重要性也越來越凸顯,一些新型的技術方案,如分段式葉片、全鋼分瓣式柔性塔架、低成本的輔助控制小型激光雷達、海上機組用的高度生物可降解油品等中國尚未完全掌握。


葉片大型化和柔性化帶來一些新的問題,如葉片的一階扭轉頻率越來越低,葉片氣彈發散以及顫振穩定性邊界逐漸降低,甚至威脅風電機組的正常運行,因此葉片氣彈穩定性分析將是未來大型葉片結構設計的必要內容,通過結構設計提高葉片的氣彈穩定性具有重要意義[6]。


3.風電試驗平臺


國內廠商進行產品性能試驗時,多出于產品認證和市場準入的需要,而整機廠商和零部件廠商出于自身技術研發和產品優化需要而開發的試驗平臺或者制訂的試驗標準則一直比較缺乏。由于試驗平臺和標準涉及的上下游廠商較多,關系到從理論到實踐的成果轉化,需要行業標準歸口單位組織眾多廠商深入論證,并積極開展實質性的協作,真正推動產業技術成長。


(二)數字化風電技術發展趨勢和需求


1.風電智能監控


風電場智能化監控可以帶來非常大的商業價值,具體需求主要包括:風電機組和風電場綜合智能化傳感技術、風電大數據收集、傳輸、存儲、整合及快速搜索提取技術;風電場中不同制造商風電機組間通信兼容解決方案,建立風電場監控系統信息模型;大型風電場群遠程通信技術,開發風電場間通信協議及數據可視化展示平臺,實現風電場信息的無縫集成等。


2.風電智能運維


風電場智能化運維技術正在向著信息化、集群化的方向發展。通過智能控制技術、先進傳感技術以及高速數據傳輸技術的深度融合,綜合分析風電機組運行狀態及工況條件,對機組運行參數進行實時調整,實現風電設備的高效、高可靠性運行。


風電運維與信息技術的深入融合包括建立包含風電場群運行數據、氣象數據、電網信息、風電設備運行信息的物聯網大數據平臺,通過多風電場群協同控制和綜合分析,加強風電機組智能控制和發電功率優化;以可靠性為中心的風電場維修理論,按照以最少的維修資源消耗保持設備固有可靠性和安全性的原則,應用邏輯決斷的方法確定裝備預防性維修要求的過程;基于云計算平臺的風電大數據挖掘及智能診斷技術,將數據分析范圍覆蓋風場從設計建設到狀態監測、故障診斷以及運營維護的全流程等方面。


3.風電機組故障智能診斷和預警


當前風電機組的運維主要采用定期檢修和故障后維修的“被動”維修方式,需要改變風電機組運行維護方式,充分利用風電狀態監控,開展預警相關研究,變風電機組“被動”維修為“主動”維修,提高風電運維效率,增加風電開發收益。當前在役風電場均配有監控與數據采集系統(SCADA),具備多年運行積累的歷史數據;2010年以來,為監測風電機組振動狀態,新增風電機組都配有振動狀態監測系統(CMS),基于大數據技術開展風電狀態監控及智能預警研究已具備開展條件。結合機組主控制系統、SCADA數據和CMS數據,開展風電機組狀態預測與故障診斷方法研究,開展振動信號檢測與分析研究,對風電機組關鍵部件故障進行特征提取與精確定位,并結合疲勞載荷分析和智能控制技術,對風電機組進行健康狀態監測、故障診斷、壽命評估及自動化處置已經成為各個廠商都在積極投入的技術方向。


(三)電網友好型技術發展趨勢和需求


中國風電的接入形式正從單一的集中接入遠距離輸送向多元化方式發展,分散式接入和微網應用正成為日益發展的趨勢。在全新的應用場景下,風電將更為直接地面對用戶需求,而用戶對于風電的電能品質也將提出更高的標準。


歐美國家在風電的分散式應用方面發展較中國成熟,但接入標準根據市場發展情況也在不斷完善中,以美國為例,UL1741標準在2016年年底對分散式接入電源的故障穿越、頻率支持和孤島保護等方面提出了一系列的新要求,其技術方向和適用性非常值得中國參考。


未來風電電源和傳統電源、儲能、負荷、其他新能源、充電樁和智能配電保護系統等都會產生更多元和深入的互動,在運行控制、信息交互和安全方面必將有廣闊的發展空間。


(四)風電新概念技術發展趨勢和需求


從長期來看,風電等可再生能源的綜合利用仍然處于起步階段,在低碳環保可持續發展理念下,風電機組技術未來也會發展出一些全新的理念,新的材料和工藝也將不斷被利用到風電機組中,使我們能更高效、更靈活、更低成本地獲取風能,較為典型的如采用碳化硅(SiC)器件的變流技術、葉片編織成型技術和多葉輪結構等。


截至2017年年底,中國已有超過10萬臺風電機組并網運行,按使用壽命20年計算,到2027年,中國就將每年面臨近萬臺風電機組的退役問題。盡管良好的故障監控技術與運維技術可以有效增長機組使用壽命,但退役的風電設備如何安置處理,已經是一個不可忽視的問題。目前國內該領域研究關注度不高,且多處于探索階段,如葉片及永磁材料的分解回收方法等,但技術和商業可行性仍有待驗證。


四、結語


近年來,中國有關部門組織進行了中國風能資源技術可開發量與經濟可開發量的研究和統計分析。由于風電機組技術的進步,可利用的風能資源儲量不斷擴大,只要對當前的資源條件進行精耕細作的開發,完全能滿足當前制訂的2030年非化石能源指標,而歐美各國的先進經驗也為中國實現高比例、高滲透的可再生能源發展目標提供了很好的借鑒。


在中國《可再生能源“十三五”發展規劃》確定的目標下,2017年國家和地方層面推出了一系列的產業政策,海上風電和分散式風電成為明確的市場導向,這為風電機組制造行業進行技術開發和產業升級提供了很多創新的思路和空間,在“一帶一路”政策的引領下,中國的風電機組也將更為積極地走向海外市場。與此同時,隨著風電在電力系統中比例越來越高,電能傳輸和應用的方式也變得越來越豐富,需求變得越來越個性化,這些都為中國風電機組產業健康發展和技術持續進步提供了勃勃生機。


在目前的國內和國際市場,風電的低價格呈現遍地開花的趨勢,在摩洛哥、印度、墨西哥和加拿大,風電上網價格最低達到了0.03美元/kW·h。2017年,在德國的招標中出現了全球首個“無需補貼”的海上風電項目,這使得歐洲新增3GW海上風電的成績充滿了說服力。風電電價的大幅下降正在給產業鏈的上下游帶來巨大的壓力,擠壓其利潤的空間,但是風電機組技術的發展也為實現該目標做出了持續的努力。


中國風電機組技術下一步的發展方向將立足于中國風電開發的需求和特點,積極參與國際市場競爭,不斷提升大型先進風電機組的理論研究水平,完善風電設備供應鏈,使創新設計與智能制造實現有機結合,確保風電機組的質量和可靠性,發掘和鞏固核心競爭力,減少同質化競爭。風電設備制造企業也必將成為技術創新領域的主體,以科技推動產業進步、以科技帶動風電產業化發展。  

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