我國風電技術裝備發展綜述

風電是可再生、無污染、能量大、前景廣的能源，大力發展清潔能源是世界各國的戰略選擇。風電技術裝備是風電產業的重要組成部分，也是風電產業發展的基礎和保障，世界各國紛紛采取激勵措施推動本國風電技術裝備行業發展，并培養了一流的風電裝備制造企業。同時，風電技術進步和風電裝備制造企業的成長又進一步促進了風電產業的發展。目前，我國風電技術裝備行業已經取得較大成績，但距國外發達國家還有一定差距。為深入貫徹落實科學發展觀實踐活動，大力推進我國風電技術裝備行業進步，促進整個風電產業發展，國家能源局能源節約和科技裝備司結合自身工作職能，對目前我國風電技術裝備自主化情況進行了全面調研，廣泛聽取了國內外專家學者的意見，初步形成了有關我國風電技術裝備發展情況的調研報告，對我國風電產業技術研發、質量控制以及行業標準的三個方面問題進行分析，供參考。

1 風電產業發展概況

近年來，我國風電產業發展形勢喜人。1986年，我國山東榮成建成了第一個風電場，安裝了3臺55kW風電機組。自此之后，全國各地陸續建設了一批風電場。圖1為2001年以來我國風電裝機容量增長率。由圖1可知，進入21世紀之后，我國風電裝機容量持續高增長。截至2007年底，我國共建成158個風電場，累計裝機容量為6030MW，超額完成了原定5000MW裝機容量的計劃目標。2008年底風電裝機容量達到12500MW，提前兩年實現了“2010年風電裝機10000MW”的目標，躍居亞洲第一，世界第四。一年新增6500MW，成為世界上風電裝機增速最快的國家之一，2020年有望達到一億千瓦。在風電技術裝備方面，大連華銳3MW海上風電機組近期順利安裝，這是目前我國最大單機容量風電機組。此外，通過一系列國家支持計劃、科技攻關和技術引進，我國基本掌握了兆瓦級風電機組制造技術，國產設備市場占有率達到了69%，初步形成了生產葉片、齒輪箱、發電機和控制系統等主要部件的產業鏈。

圖1 2001～2007年我國風電裝機容量增長率

盡管我國風電產業發展成績顯著，但也面臨諸多問題。我國風力發電起步于20世紀80年代初，主要是滿足廣大牧民生活用電的要求，研制離網型小型風力發電機，單機容量為幾十瓦至幾百瓦，例如：太原汾西機器廠制造的FD2-150，葉輪直徑2米，輪轂高度5.5米，切入風速3米/秒，額定風速7米/秒，額定功率150瓦。并網型風力發電機采取技術引進、消化吸收的技術路線，先后引進了丹麥55千瓦（1986年）和120千瓦失速型風力發電機，在此后的十幾年里，并網型風電機組以及相關技術進展緩慢，大多數風電企業的設備及關鍵技術受制于國外，風電系統人才培養幾乎空白。

同時，單機容量和風電場規模大幅增大之后，在研發、設計、制造、規劃、并網和電網管理等方面都存在較高難度的技術"瓶頸"，在目前高速發展（裝機容量）的情況之下，急需冷靜分析存在的問題，盡力避免出現宏觀上、規模化和方向性的失誤。為此，本報告著重分析風電技術研發、質量控制以及行業標準三個問題，力圖為風電產業發展提供借鑒。

2 風電技術研發

風電技術涉及氣象、地質、機械、力學、材料、電力、信息、通訊等多個學科。大型并網型風力發電機組的研制和大型風電場的規劃建設在我國尚屬起步階段，兆瓦級風力發電機組幾乎全部由國外引進技術，風力發電機組研制、風電場建設、接網以及電網管理運行等方面經驗均不足。通過引進消化吸收和推進自主創新，同時結合我國地質、地貌、風況、氣候和電網等具體條件開展研發，是掌握風電設計技術，開展自主研發，實現風電行業可持續發展的必由之路。

2.1 引進技術、消化吸收

我國發展的初期階段曾經倡導過“技術引進、消化吸收”的技術路線，并引進丹麥并網風力發電機組。由于多種原因，時至今日成效并不明顯，應認真總結經驗教訓。

我國目前裝機的絕大多數兆瓦級風力發電機組均為按照國外設計圖紙組裝的機型，其中部分機型是經過較大規模現場運行考核的成熟機型。因此，應將引進的成熟機型作為設計樣機，充分剖析其設計方法、設計標準、材料選擇及工藝等方面信息，不僅掌握組裝技術，更要掌握從零件、部件到整機的設計和匹配，做到對引進技術的真正消化和吸收。一方面培養出自己的設計隊伍，另一方面發現引進機型設計中存在的不足或者與我國風場情況不相適應的缺陷，為自主研發打下良好基礎。

2.2 改進改型、自主研發

我國從國外引進的風電機型基本是依據國際標準和歐洲（德國和丹麥）氣候和風況條件設計的，甚至存在引進在國外也未得到充分驗證和考核的機型。我國地域遼闊，地質、地貌、風況、氣候等條件與中歐差別很大，電網條件也不相同。例如德國和丹麥的電網和其他歐洲國家已經聯成歐洲聯合電網，在聯合電網上可進行電量自由交易。我國富風區的電網基本還屬弱網，引進的機型存在與我國不相適應的問題。進行改進、改型，研制出適應性更強、可靠性更高的新機型，是消化吸收的重要手段。在產品改型過程中，會誕生出適合我國國情的風電技術，更會提高自主研發能力，為機型升級和換代奠定基礎。由于是針對我國實際情況開展的改進、改型和研發，某些條件要比歐洲苛刻得多，所取得的成果可能蘊含著技術突破，在國外無此條件和市場需求。這也給我國風力發電機研制企業提供縮小與國外企業差距的重要機會。

2.3 基礎研究

我國雖然風資源豐富，但不同地域的資源條件差別很大。例如北方多高寒和沙塵暴，南方多高溫、潮濕和臺風，極端氣候條件明顯；并且還存在山地、丘陵等復雜地形。這些因素在目前引進風力發電機組時考慮并不充分。因此，應針對這些極端氣候條件和復雜地形開展基礎研究。研究內容要重點突破風電行業所面臨的共性問題，如哪些因素對風力發電機組有影響；影響的機理、程度和規律；解決方案和驗證；設計標準和檢驗，為整個風電行業提供公共支撐技術。此外，此項工作應在國家支持之下通過產、學、研、用相結合的方式來完成，企業很難獨立完成這樣的研究工作，即使取得某項成果，也很難成為共享資源。企業可根據基礎研究的成果進行產品轉化，或者改進、改型，形成自主研發的系列中國化機型。

3 風電質量控制

按照我國目前風電發展速度，風力發電機組每年裝機會達到數千臺，其中大部分機型從國外引進，甚至存在引進在國外也未得到充分驗證和考核的機型。一旦出現質量問題，可能會導致大量維修或者更換機組問題。如1999年丹麥風電事件：丹麥的NEG Micon發生批量齒輪箱故障，需要更換1250臺齒輪箱，該公司為此倒閉，后Vestas收購了該公司。風電裝機潛在質量風險主要有如下幾個方面：

3.1 風力發電機組設計標準

我國從國外引進的機型是按照國際標準設計，而國際標準所規定的載荷條件主要是依據中歐和北美的風況和氣候制定的。我國一些地區的風況、氣候條件和地質、地貌與國際標準中所列出的情況差別較大。因此，按照國際標準設計的機型在我國可能不能完全適合我國的自然條件。實際上，在國際標準IEC61400-1中已明確說明：風力發電機組設計中要考慮的外部條件取決于安裝風機的風場類型。對需要特殊設計（如特殊風況或其它特殊外部條件）的風力發電機組，規定了特殊安全等級--S級。S級風力發電機組的設計值由設計者確定，并應在設計文件中詳細說明。對這樣的特殊設計，選取的設計值所反映的外部條件至少與預期使用的外部條件惡劣程度一致。標準中給出的I、II、III級風況不包括海上風電場，也沒有考慮熱帶風暴（例如颶風、龍卷風、臺風等）的風況條件。這些條件要求風力發電機必須采用S級設計。由此可見，對于我國特殊的風況條件，需由設計者自己考慮。但需要考慮哪些因素，如何體現在設計之中，截至目前無據可依。國外設計者不可能背離國際標準專門為我國設計特殊風力發電機組，而我國風電企業也提不出可執行的設計技術要求。如果出現設計缺陷，將會導致大批量召回事件，損失將會很大，這種風險是存在的。

3.2 制造工藝和材料

風力發電機組的設計壽命為20年。因此，在工藝、公差和配合以及材料的選擇等方面技術要求都很高。由于我國制造水平與歐洲相比尚有差距，故歐洲企業能夠達到的加工精度，在我國可能很難達到。即使常規標準件也很難達到標準，更何況風力發電機組中包含大量的非標準件。例如制造難度較大的葉片、輪轂、主軸、主軸承、變槳軸承、齒輪箱等關鍵部件。另外，目前國內制造風電設備及其關鍵零部件的材料與國外相比，尚存在較大差距。

3.3 風力發電機組質量控制

目前，我國風力發電機組的認證主要局限在設計和型式認證上。由于大部分制造商是按照國外設計圖紙組裝風機，對風力發電機組技術的理解有限，因此，在生產質量的控制方面很難精準把握。例如，不論是制造商還是風電場業主，對地基和塔架的質量重視程度還沒有提高到一定的高度。實際上，地基和塔架同樣是風力發電機組的關鍵部件，影響整個風力發電機組的安全和壽命，我國東北地區就曾出現塔架傾倒的事故。大部分風電場，缺乏專業技術人員，對風力發電機組的交付和驗收還需要進一步完善。雖然有質保承諾，但過于頻繁的維修將會大幅降低機組利用率，影響風電場效益。

因此，我國宜盡快培育質量認證、質量檢驗和質量監督隊伍，建立質量控制體系。作為獨立的第三方，可受風電場業主委托，負責風力發電機組的驗收、定期質量評估、風力機組的狀態監測等多項質檢工作。

3.4 備品備件和數據庫

在風力發電機組20年的運行中，部分部件可能需要更換，備品備件的匹配和質量是風力發電機組壽命期內質量保證的重要因素。葉片、主軸軸承、齒輪箱、變槳機構以及電器和電子元件等很可能在風力發電機組運行幾年之后需要更換。而按照我國目前的發展速度和發展模式，屆時很難選到合適的備件予以更換。變流器和大部分控制系統為國外產品，質保期過后，國外公司為我國用戶保留備品備件的可能性很小，除非支付高額費用。另外，電力電子元器件更新換代很快，如果電路或者板卡損壞，很可能需要完全替換原來的系統，而為此所需的接口條件、信號類型、數據格式、控制算法等可能已無據可查。因此，可能出現數年后數目眾多的風力發電機組無備件更換而較長時間停機待修。

為此，在風電場的規劃和建設中，應充分考慮備品備件的解決方案和費用，敦促業主與風力發電機組制造商（總機商與部件商）達成備品備件供貨協議，其中包括具體的實施方案。在風力發電機組以及其他所有的設備交貨驗收時，風電場業主應記錄保存詳細的設備清單（最好能詳細到關鍵元件和零件級）和控制系統、監測系統的接口條件、信號類型、數據格式等參數，并且建立數字化的設備管理數據庫，以便于數據的長期保留和經驗的積累。

3.5 專業技術隊伍

在風電產業鏈各個環節中，專業技術人才的缺乏是最突出的“瓶頸”。由于長期以來我國未開展系統、規模的風電人才培養，面對快速的風電發展，出現“捉襟見肘”的專業人才短缺局面，主要體現在以下一些問題：

（1）生產一線技工。風電為多學科交叉的高技術領域，特、精、專、優既是風電的特色也是對產品的要求。一線的產業工人是產品的制造者，是最優設計的實現者。高品質的產品要靠一大批能工巧匠來打造。由于教育體制、政策導向和文化傳統的影響，我國長期以來不重視技工的培養，高等教育不強調技能和動手能力的培養，這樣的發展模式很難持續保持保證產品質量。

（2）工程師。從風電場規劃、部件制造、整機制造、布線接網到電網管理，需要大量的專業工程師。他們需對一線產業工人提供技術指導，解決出現的實際問題，控制產品質量，能夠設計部件或者電路，或對風電場進行技術指導和管理。工程師是能夠解決本專業實際問題的技術專家，只有在較好地掌握風電技術的基礎上，才能勝任這些工作。專業工程師是保證風電健康發展的中堅力量，我國這方面人才嚴重缺乏，以致于制約了產業發展。

（3）設計師。設計師分為風力發電機組整機、部件的骨干設計師、風電場高級規劃師、技術主管、基礎技術研究者、具有獨立設計能力的高端技術人員。他們需要深入、系統地掌握風力發電技術，具有實際工作經驗，掌握相關領域的關鍵技術，能夠對現有機型進行改進、改型設計，能夠根據技術發展和市場需求，進行新機型自主研發和設計，具有技術創新和實戰能力。我國宜加大力度，通過“學習、實踐、再學習、再實踐”的模式，由企業和高校聯合，培養一批能勝任自主設計的高端人才。

（4）技術高管。技術高管分為政府主管部門的管理者、風電企業領導、高級主管、總設計師、總工程師和高級研究人員。這類人才參與風電產業發展方向，制定發展規劃和政策，需要較系統地理解風力發電技術基礎知識，了解相關技術關鍵，了解風力發電技術的發展現狀和技術前沿，能夠組織開展整機或部件的設計和制造、風電場的規劃和建設，能夠正確制定發展規劃，具有國際視野和領導國際合作的能力。

4 風電行業標準

行業標準是行業長期研發成果和實踐經驗的濃縮和總結，是設計、制造、檢驗、運行和維護等各個環節的條件、參數、指標和要求，是行業技術活動的指南。目前，風電行業標準主要有德國勞伊德GL標準、丹麥RISOE的DNV標準和國際電工委員會（IEC）的標準。這三個系列標準主要是以丹麥、德國的條件和經驗制定的，我國基本上是直接把翻譯后的IEC標準作為國家標準。目前，制定針對我國國情的風電標準，需要充分的基礎研究和大量的實踐經驗，現尚不具備條件。

IEC在61400標準中，總共頒布了涉及風電領域的11個標準，這些標準一直都處在不斷修訂過程中。表1.1概括地列出了這11個標準，表1.2是我國現行風電標準。

表1.1 IEC 61400標準小結

表1.2 我國現行風電標準

我國風能資源豐富，風電發展恰如其時，加之配套政策、法規的完善，風電場建設速度和規模持續增大，目前，我國基本掌握了兆瓦級風電機組制造技術，初步形成了風電產業鏈，為我國能源結構多元化和新興產業興起帶來了希望。分析、總結我國近幾年風電產業發展情況，得出如下結論和建議：一是適當調控總體規劃和市場開放度，促進風電產業健康和可持續發展；二是以裝機容量和發電量雙重指標來量化風電發展目標，提升風電發展質量；三是大力支持基礎研究，提高企業研發水平，宜針對我國地質、地貌、風況、氣候和電網條件，對引進技術進行充分研究和改進，堅持引進消化吸收再創新；四是關注人才隊伍建設和質量控制體系的建立，加強風力發電機組質量控制；五是對風電產業研究經驗進行積累，待條件具備時，在現有國際標準基礎之上制定適合我國國情的風電行業標準；六是堅持可持續發展的風電產業發展方針。