基于風能資源有效利用的風電機組大型化個性化分析

文 | 高俊云 王首成

基于風能資源有效利用的風電機組大型化個性化分析

文 | 高俊云 王首成

“十二五”期間，我國風電產(chǎn)業(yè)得到了跨越式發(fā)展，截止到2014年底，我國風電機組累計裝機容量已達114609MW，新增裝機和累計裝機兩項數(shù)據(jù)均居世界首位，風能已成為我國能源結(jié)構(gòu)中的重要組成部分。

目前，我國正處在逐漸由風電大國向風電強國轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時期。這就要求在風資源的有效利用和大功率風電機組研發(fā)、風電機組的設(shè)計制造，關(guān)鍵配套件和主控系統(tǒng)可靠性等核心技術(shù)上必須有所創(chuàng)新和突破。

我國風電整機技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

截至2014年底，我國具有批量或者小批量生產(chǎn)能力的風電整機企業(yè)共20余家。通過技術(shù)引進、消化吸收、聯(lián)合設(shè)計和自主研發(fā)等方式，這些企業(yè)已基本掌握了1.5MW至3MW 風電機組的整機設(shè)計技術(shù)。同時，與整機研發(fā)配套的產(chǎn)業(yè)鏈也逐步成熟，葉片、齒輪箱、發(fā)電機、主控系統(tǒng)等設(shè)計和制造水平都取得了長足進步。目前，1.5MW機組和2MW 機組整機設(shè)計技術(shù)及配套件供應(yīng)已相對成熟，成為國內(nèi)陸上風電機組的主流機型。一些企業(yè)在引進消化吸收的基礎(chǔ)上，通過自主創(chuàng)新，開發(fā)出了適應(yīng)中國風資源和氣候特征的風電機組，由技術(shù)同質(zhì)化引發(fā)的不正當價格競爭正逐步扭轉(zhuǎn)。另外， 2.5MW和3MW風電機組已進入小批量裝機，5MW和6MW風電機組也有多家企業(yè)完成樣機試制并投入試運行，更高功率等級的風電機組，如10MW機組也已處于概念設(shè)計階段。

風電機組大型化

一、整機大型化趨勢明顯

隨著風電機組設(shè)計制造技術(shù)的不斷成熟，風電產(chǎn)業(yè)對風能利用率的要求不斷提高，整機大型化成為風電發(fā)展的必然趨勢。2005年以前，750kW以下是市場的主流機型，2005年至2008年，兆瓦級機型逐漸成為主流機型，期間1.5MW機組開始研制并投入運行。2008年到現(xiàn)在，逐步進入多兆瓦級時代，1.5MW至3MW的風電機組占領(lǐng)了主要市場，5MW、6MW海上風電機組也安裝運行。風力發(fā)電科技發(fā)展“十二五”規(guī)劃明確提出，在“十二五”期間，鼓勵整機企業(yè)掌握7MW風電機組及關(guān)鍵零部件設(shè)計、制造和產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，10MW海上風電機組的研發(fā)也被列入規(guī)劃中。

多年來，1.5MW風電機組一直是風電市場的主力機型。近年來，隨著大機組時代的到來，通過對大容量機組的研究與使用，2MW機組的新增裝機容量逐年提高，2MW與1.5MW機組成為新增裝機主要機型。近三年，1.5MW新增裝機容量占比逐年降低，2014年1.5MW新增裝機容量占全國風電機組新增裝機容量由2013年的51%下降到46%，而2MW新增裝機容量占全國風電機組新增裝機容量則由2013年的31.6%提高到41%，平均裝機功率呈逐年增長的趨勢。

二、風電機組大型化的優(yōu)勢

隨著技術(shù)和供應(yīng)鏈的不斷成熟，大型風電機組越來越顯示出顯著的市場競爭力和發(fā)展優(yōu)勢。相對于較低容量的機組而言，更大型的風電機組一是有效降低了投資成本；二是有效提高了發(fā)電量；三是在相同規(guī)模的風電場中安裝大容量機組，可以有效減少機組數(shù)量，從而減少后續(xù)的維護工作量，有效降低運維成本，提高管理效率。

以安裝10臺風輪直徑88m的1.5MW機組和5臺風輪直徑113m的3MW機組為例進行對比（總裝機容量相同），若按直線排布，相鄰機組前后距離為風輪直徑5倍估算，10臺1.5MW機組前后距離為3915m，而5臺3MW機組前后距離僅為2260m。由于機位和基礎(chǔ)減少了一半，占地面積也大幅減少，隨著單位面積征地費用的不斷上漲，征地面積降低將有效降低風電場征地費用。同時，運維成本也大幅降低。若在相同的距離上排布機組，3MW機組的前后距離可達風輪直徑的8.7倍。這能大大減小尾流帶來的發(fā)電量降低和湍流加大對機組運行所產(chǎn)生的影響。

三、海上風電開發(fā)加快了整機大型化步伐

根據(jù)國家新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，“十二五”末，我國海上風電裝機容量將達到500萬千瓦，2020年將達到3000萬千瓦。海上風電具有風能資源好、對環(huán)境影響較小、不占用土地資源等優(yōu)點，將成為中國風電未來的主要方向。由于海上風電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)復雜，施工難度大，造價高昂，尤其適合大容量風電機組的安裝，以有效降低單位千瓦的基礎(chǔ)造價和機組的維修費用。但受海域使用協(xié)調(diào)難度大、技術(shù)研發(fā)和施工技術(shù)等因素制約，目前我國海上風電進展較為緩慢。根據(jù)中國可再生能源學會風能專業(yè)委員會（CWEA）發(fā)布的《2014年中國風電裝機容量統(tǒng)計》，截至2014年底，我國已建成海上風電項目共計657.88MW，其中，潮間帶風電裝機容量達到434.48MW，近海風電裝機容量為223.4MW。

海上風電市場較大的發(fā)展空間，將會給整機企業(yè)帶來新的機遇，目前國內(nèi)已有多家整機廠推出了5MW及以上級別的海上風電機組，未來會有更多的整機企業(yè)加快對更高功率等級的風電機組的研發(fā)。

四、風電機組大型化需要解決的技術(shù)難題

風電機組的大型化并不僅僅是結(jié)構(gòu)尺寸、塔筒高度的簡單放大，會面臨一系列的設(shè)計和制造技術(shù)難題，如長葉片的強度、剛度保證問題，載荷控制問題、結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題等。目前，采用先進控制技術(shù)降低機組載荷正越來越成為風電機組的研究熱點之一。如獨立變槳（IPC）控制技術(shù)、塔架動態(tài)推力消減控制技術(shù)、基于雷達測風的預測控制技術(shù)等，其目的都是為了降低關(guān)鍵零部件的極限載荷和疲勞載荷，在保證機組可靠性的基礎(chǔ)上，合理控制整機重量的增加。

風電機組大型化的發(fā)展，也必然伴隨風電技術(shù)的不斷創(chuàng)新。技術(shù)創(chuàng)新是大型風電機組不斷發(fā)展的主要特征，掌握機組核心設(shè)計和制造技術(shù)的大型制造企業(yè)的全方位優(yōu)勢將逐步顯現(xiàn)。為了開發(fā)具有真正自主知識產(chǎn)權(quán)的大型風電機組，必須攻克高升力翼型葉片設(shè)計、先進智能控制算法開發(fā)、控制策略優(yōu)化、載荷和部件優(yōu)化、整機重量降低、關(guān)鍵部件制造和可靠性提高及整機集成等一系列的新課題。

風電機組個性化

一、機組個性化趨勢

我國幅員遼闊，地形地貌復雜，各地風資源差異性較大。因此，整機設(shè)計時需針對特定場址條件進行適應(yīng)性技術(shù)改進，即對風電機組進行個性化設(shè)計。近年來，隨著市場競爭的加劇和設(shè)計技術(shù)的進步，用戶的個性化需求不斷上升。如針對北方風電場，需研制低溫型風電機組，使其具有抗低溫、抗風沙和冰雪的性能；針對東南沿海風電場，需研制抗臺風型風電機組，使其具有抗高溫、抗臺風和防鹽霧的性能；而針對西南地區(qū)的高原風電場，需研制高原型風電機組，使其能適應(yīng)高海拔、高太陽輻射、凝露等氣候特點。一些公司還開發(fā)了風電機組個性化開發(fā)系統(tǒng)，可依據(jù)實際風況、自然環(huán)境、用戶具體需求等為風電場定制最適合的機型。

此外，從葉片設(shè)計、傳動鏈布置形式、塔筒結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)等方面推出了許多新的個性化技術(shù)。如為了降低長葉片產(chǎn)生的氣動噪聲，在葉片表面加裝渦流發(fā)生器或后緣鋸齒形設(shè)計；為降低塔筒制造成本，設(shè)計出了混凝土與鋼結(jié)構(gòu)的混合型塔筒；傳動鏈布置在傳統(tǒng)的單軸承、雙軸承結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上，推出了緊湊型、一入多出等新型結(jié)構(gòu)；結(jié)合雙饋式、直驅(qū)式風電機組的特點，推出了兼顧二者優(yōu)勢的中高速半直驅(qū)風電機組。

近年來，我國整機制造商對開發(fā)適合不同運行環(huán)境的風電機組越來越重視，推出了多款低溫型、高原型、防臺風型等針對特定風電場量身定制的風電機組，提高了風電機組的環(huán)境適用性。如太原重工1.5MW至3MW系列低溫型機組、海裝2MW高原型機組、明陽1.5MW抗臺風型機組等，個性化設(shè)計已成為風電整機設(shè)計的趨勢之一。

二、風輪直徑不斷加大

據(jù)統(tǒng)計，全國范圍內(nèi)年平均風速在5m/s至7m/s的低風速資源面積，占全國風能資源區(qū)的68%，且接近用電負荷中心，并網(wǎng)條件較好。隨著高風速優(yōu)質(zhì)風能資源開發(fā)趨于飽和受到“棄風”的影響，低風速風能資源的開發(fā)越來越受到關(guān)注。為使低風速風電場具備開發(fā)價值，低風速機組必須采用更長的葉片，以吸收更多風能。目前，國內(nèi)已有多種低風速機型投入使用，1.5MW低風速機組的最大風輪直徑已達100m，2MW低風速機組的最大風輪直徑已達121m。隨著葉片長度和掃風面積的增加，切入風速和額定風速都明顯下降。如風輪直徑100m的1.5MW機組，其切入風速為2.8m/s，額定風速為9m/s。年平均風速為5.5m/s時，年等效小時數(shù)大于2000h，大大提高了風能資源的利用率。圖1為不同風速下三種1.5MW低風速機組的年等效小時數(shù)對比（假設(shè)年平均風速為Weibull分布，形狀參數(shù)k=2.0）。當年平均風速為6.5m/s時，風輪直徑100m的1.5MW機組比風輪直徑88m的1.5MW機組年發(fā)電量提高約16.1%。

圖1　不同風速下三種1.5MW低風速機組的年理論等效小時數(shù)對比

結(jié)語

隨著我國風電產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進步和風電整機供應(yīng)鏈的不斷成熟，風電機組單機容量越大，單位千瓦的造價和機組運維費用就越低，風能資源的利用率也越高。目前國內(nèi)并網(wǎng)運行的風電機組最大達6MW，而從2012年開始，國內(nèi)外都有公司啟動了8MW到10MW風電機組的開發(fā)，適應(yīng)風電場各種環(huán)境條件的個性化風電機組也不斷投入運行，如聯(lián)合動力推出了UP2000－121超低風速機組，Gamesa推出了G132－3.3MW低風速機組，Vestas推出了葉輪直徑達164m的8MW半直驅(qū)永磁風電機組。因此，以單機容量逐步增大和提高機組環(huán)境適應(yīng)性為標志的風電機組大型化、個性化將成為風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要趨勢。

（作者單位：太原重工股份有限公司技術(shù)中心）