我國大型風電機組技術發展情況

中國農業機械化科學研究院 ■ 沈德昌

截至2013年底，國內約30家大型風電機組整機制造企業已向國內外風電市場提供了合格的大型風電機組整機產品。2013年在我國風電場建設中，國產風電機組的市場占有率達到94%，大幅超過外資企業。其中，在國內新增總裝機占比中，金風科技的份額最大，占23.31%；聯合動力第二，占9.25%；廣東明陽第三，占7.99%。通過對我國大型風電機組發展情況的分析，歸納出我國大型風電機組技術主要呈現如下特點。

1 水平軸風電機組是主流

水平軸風電機組的應用已近100年。由于水平軸風電機組的風輪具有風能轉換效率高、傳動軸較短、控制和制動技術成熟、制造成本較低、并網技術可靠等優點，近年來大型并網水平軸風電機組得到快速發展，使大型雙饋式和直驅永磁式等水平軸風電機組成為國內大型風電場建設所需的主流機型，并在國內風電場建設中占到100%的市場份額。

2 垂直軸風電機組有所發展

大型垂直軸風電機組因具有全風向對風、變速裝置及發電機可置于風輪下方或地面等優點。近年來相關研究和開發也在不斷進行并取得一定進展，單機試驗示范正在進行，在美國已有大型垂直軸風電機組在風電場運行，但在我國還無垂直軸風電機組產品在風電場成功應用的先例。

3 風電機組單機容量持續增大

近年來，國內風電市場中風電機組的單機容量持續增大，2012年新安裝機組的平均單機容量達1.65 MW， 2013年為1.73 MW。2013年我國風電場安裝的最大風電機組為6 MW。

隨著單機容量不斷增大和利用效率的提高，國內主流機型已從2005年的750～850 kW增加到2014年的1.5～2.5 MW。

近年來，海上風電場的開發進一步加快了大容量風電機組的發展。我國華銳風電的3 MW海上風電機組已在海上風電場批量應用。3.6、4、5、5.5、6和6.5 MW的海上風電機組已陸續下線或投入試運行。目前，華銳、金風、聯合動力、湖南湘電、重慶海裝、東方汽輪機、廣東明陽和太原重工等公司都已研制出5～6.5 MW的大容量海上風電機組產品。

4 變槳變速功率調節技術得到全面應用

由于變槳距功率調節方式具有載荷控制平穩、安全高效等優點，近年在大型風電機組上得到廣泛應用。結合變槳距技術的應用及電力電子技術的發展，大多數風電機組制造廠商采用了變速恒頻技術，并開發出變槳變速風電機組，在風能轉換效率上有了進一步完善和提高。從2012年起，國內定槳距并網風電機組已停止生產，在全國安裝的風電機組全部采用了變槳變速恒頻技術。2 MW以上的風電機組大多采用3個獨立的電控調槳機構，通過3組變速電機和減速箱對槳葉分別進行閉環控制。

5 雙饋異步發電技術仍占主導地位

外資企業如丹麥Vestas公司、西班牙Gamesa公司、美國GE風能公司、印度Suzlon公司及德國Nordex公司等，都在生產雙饋異步發電型變速風電機組。

我國內資企業如國電聯合動力、廣東明陽、華銳風電、東方氣輪機、上海電氣、遠景能源、重慶海裝、浙江運達和浙江華儀等骨干企業也在批量生產雙饋式變速恒頻風電機組。2013年我國新增風電機組中，雙饋異步發電型變速風電機組的比例約占69%。目前，我國華銳風電研發的3 MW雙饋異步發電型變速恒頻風電機組已在海上風電場批量應用，6 MW的該類型風電機組已試運行；國電聯合動力6 MW的該類型風電機組已安裝試驗。

6 直驅式、全功率變流技術得到迅速發展

無齒輪箱的直驅方式能有效減少由于齒輪箱問題而造成的機組故障，可有效提高系統運行的可靠性和壽命，減少風電場維護成本，因而逐步得到市場青睞。我國新疆金風科技有限公司與德國Vensys公司合作研制的1.5 MW直驅式風電機組，已有上千臺在風電場安裝。金風科技有限公司研制的2.5 MW直驅式風電機組已批量投放國內外市場。

金風科技在2011、2012和2013年連續3年成為我國風電市場的第一大供應商。同時，我國湘電公司的2 MW直驅風電機組也已大批量進入市場，5 MW該類型風電機組也已安裝運行。最近北車風電公司也向國內市場推出3 MW直驅永磁風電機組。其他如華創風能、東方電氣、廣西銀河艾邁迪、航天萬源、濰坊瑞其能、包頭匯全稀土、江西麥德公司、山東魯能等制造企業也研制了直驅永磁風電機組。2013年我國風電場新增大型風電機組中，直驅永磁式風電機組約占31%。

7 各種全功率變流風電機組得到應用

隨著直驅永磁式風電機組的增多及高速齒輪箱配高速永磁風電機組的出現，全功率變流技術得到了廣泛發展和應用。應用全功率變流的并網技術，使風輪和發電機的調速范圍擴展到0～150%的額定轉速，全功率變流技術對低電壓穿越簡單先進的解決方案可提高機組的風能利用范圍。

近年由于全功率變流技術的成熟，部分企業選擇了由齒輪箱驅動同步發電機或鼠籠發電機搭配全功率變流器的傳動鏈形式。主要分為兩類：一類是在1 MW以下的機組中采用通過齒輪箱驅動電勵磁同步電機搭配全功率變流器的形式，如重慶海裝與久和能源的850 kW機組，以及航天萬源的900 kW機組；另外一類是在2.5 MW以上的機組中采用通過齒輪箱驅動永磁同步發電機或鼠籠發電機搭配全功率變流器的形式，比如金風的3 MW機組、明陽的3 MW超緊湊機組和南車的2.5 MW機組，國際廠商的機型如Vestas公司的V112、西門子公司的SWT-3.6-120和Gamesa公司的G10X-4.5等風電機組。上述全功率變流風電機組也代表了今后的發展趨勢。

8 低風速地區風電設備研發取得進展

針對我國大多數地區處于低風速區的實際情況，國內企業通過技術創新研發出有針對性的風電機組產品及解決方案，最明顯特征是風輪葉片更長、塔架更高、捕獲風能資源更多。以1.5 MW風電機組為例，2012年新增機組中，超60%為風輪直徑86 m及以上的風電機組，有的1.5 MW機組甚至采用了直徑為93 m以上的風輪，例如國電聯合動力推出了直徑為96 m的1.5 MW機組。國內提供1.5 MW風電機組的30余家企業中，已有10多家具備直徑為90 m以上風輪機型的供應能力。近期，丹麥Vestas公司向中國市場推出風輪直徑為110 m的V110-2.0 MW風電機組。為適應低風速區的需要，金風公司2 MW低速風電機組的風輪直徑達到115 m，而2.5 MW低速風電機組的風輪直徑甚至達到121 m。這些低速風電機組在我國南部省份的分散式風電場中發揮了較好的作用。

9 大型風電機組關鍵部件的性能日益提高

我國在大型風電機組關鍵部件方面也取得明顯進步。其中，南京高速齒輪箱廠、重慶齒輪箱廠、大連重工減速機廠、杭州前進齒輪箱廠和德陽二重等主要齒輪箱制造企業，以及中材科技、連云港中復連眾、保定惠騰等葉片制造企業的供貨能力都很充足，質量已有明顯提高；國內已能生產長達48.8 m 與3 MW風電機組配套的大尺寸葉片，長度超過70 m與6 MW風電機組配套的葉片也已下線；永濟電機廠、蘭州電機廠生產的發電機等產品批量大，質量有很大提高。從2013年上海第七屆風能展的情況看，我國已形成風電設備的產業鏈，為今后的快速發展奠定了穩固的基礎。我國在某些基礎結構件、鑄鍛件等領域已具有優勢，不僅能滿足國內市場需求，而且已向國際市場供貨。

北京科諾偉業能源科技有限公司、深圳禾旺電氣、合肥陽光電源有限公司、北京清能華福風電技術有限公司、天津瑞能電氣、金風天誠科創、龍源電氣、九州電氣等10多家企業已具備MW級風電機組變流器的研發、生產和供貨能力。

10 葉片技術發展情況

隨著風電機組尺寸的增大，葉片的長度也變得更長，為了使葉片的尖部不與塔架相碰，設計的主要思路是增加葉片的剛度。為了減少重力和保持頻率，則需降低葉片的重量。好的疲勞特性和減振結構有助于保證葉片長期的工作壽命。

額外的葉片狀況檢測設備將被開發并安裝在風電機組上，以便在葉片結構中的裂紋發展成致命損壞前或風電機組整機損壞前警示操作者。對于陸上風電機組來說，不久以后，這種檢測設備就會成為必備品。

為了增加葉片的剛度并防止它由于彎曲而碰到塔架，在長度大于50 m的葉片上將廣泛使用強化碳纖維材料。

為了方便MW級葉片的道路運輸，某些公司已研究將葉片制作成兩段的技術。例如使葉片由內、外兩段葉片組成，靠近葉根的內段由鋼制造，外包玻璃鋼殼體形成氣動形狀表面。

2014年11月，中材科技(阜寧)風電葉片有限公司出產首支最長77.7 m大型海上風電葉片正式下線，葉片重28.8 t，是亞洲自主制造的首支最長葉片，也是世界第三長葉片；原型葉片將配套金風160/6.0 MW風電機組，掃風面積達20106 m2，相當于3個標準足球場面積，一次性順利通過GL監督的葉片靜力試驗驗證。

2014年，德國EUROS公司已為日本7 MW海上風電機組完成了長81.6 m的葉片測試。

11 風電場建設和運營的技術水平日益提高

隨著投資者對風電場建設前期的評估工作和建成后運行質量越來越高的要求，國外已針對風資源的測試與評估開發出了許多先進測試設備和評估軟件。在風電場選址方面已開發了商業化的應用軟件；在風電機組布局及電力輸配電系統的設計上也開發出了成熟軟件。近來，我國還對風電機組和風電場的短期及長期發電量預測開展研究，取得了進步，預測精確度可達90%。

12 惡劣氣候環境下風電機組的可靠性受到重視

由于我國北方具有沙塵暴、低溫、冰雪、雷暴，東南沿海具有臺風、鹽霧，西南地區具有高海拔等惡劣氣候特點，使風電機組受惡劣氣候環境的影響很大，包括增加維護工作量，減少發電量，嚴重時還導致風電機組損壞。因此，在風電機組設計和運行時，必須具有一定的防范措施，以提高風電機組抵抗惡劣氣候環境的能力，減少損失。因此，近年來我國的風電機組研發單位在防風沙、抗低溫、防雷擊、抗臺風、防鹽霧等方面著手開發了適應惡劣氣候環境的風電機組，以確保風電機組在惡劣氣候條件下的風電場能可靠運行，提高發電量。

13 低電壓穿越技術得到應用

隨著風電機組單機容量的不斷增大和風電場規模的不斷擴大，風電機組與電網間的相互影響已日趨嚴重。若電網發生故障迫使大面積風電機組因自身保護而脫網，將嚴重影響電力系統的運行穩定性。因此，隨著接入電網的風力發電機容量不斷增加，電網對其要求越來越高，通常情況下要求發電機組在電網故障出現電壓跌落的情況下不脫網運行，并在故障切除后能盡快幫助電力系統恢復并穩定運行，也就是說，要求風電機組具有一定低電壓穿越能力。

隨著風力發電裝機容量不斷增大，我國的電網系統運行導則對風電機組的低電壓穿越能力做出了規定。目前，我國的MW級風電機組在電網電壓跌落情況下，能采取相應應對措施，確保風電系統安全運行并實現低電壓穿越。目前，我國已有30多家企業的風電機組產品具備了低電壓穿越性能，約有30多種機型通過了中國電力科學院的低電壓穿越性能試驗。

14 海上風電技術成為重要發展方向

在我國，隨著海上風電場規劃規模的不斷擴大，各主要風電機組整機制造廠都積極投入大功率海上風電機組的研制工作。華銳率先推出3 MW海上風電機組，并在上海東海大橋海上風電場批量投入并網運行。華銳公司江蘇鹽城海上風電機組研發基地制造的6 MW海上風電機組，已于2011年10月在江蘇射陽縣臨港產業區完成首臺機組的吊裝。金風公司在江蘇大豐縣建設的海上風電機組研發基地研制的6 MW直驅式海上風電機組已下線。湖南湘電收購了荷蘭達爾文公司，合作研發的5 MW海上直驅永磁風電機組已投入試運行。重慶海裝在國家科技部支持下，成立了“海上風力發電工程技術研發中心”，形成了全套產業鏈的整合，完成了5 MW海上風電機組的研發。國電聯合動力研制的6 MW海上風電機組已安裝試運行。2014年11月，明陽風電大容量SCD 6.5 MW 超緊湊海上風電機組在江蘇如東國家實驗風電場吊裝成功；上海電氣－西門子4 MW海上風電機組下線。與此同時，遠景能源4 MW、東方汽輪機5.5 MW、太原重工5 MW海上風電機組等也先后研制成功。株洲南車已著手研制6 MW直驅永磁同步風力發電機組。

到2020年底，全國規劃建設總容量達3000萬kW的海上風電場。蓬勃崛起的海上風電場建設是未來風能技術更新發展的驅動力，這一發展趨勢已不可逆轉。