我國風電發展中存在的問題及未來發展模式探討

雷 棟，擺念宗

(中國大唐集團科學技術研究院有限公司西北電力試驗研究院，陜西 西安 710021)

隨著生態環境的惡化和化石能源的日益枯竭，全球能源結構正在發生重大變革，世界各國都在大力推進能源的轉型[1-2]。全球能源轉型的基本趨勢是實現化石能源體系向低碳能源體系的轉變，最終進入以可再生能源為主的可持續能源時代。面對國際能源格局和國內能源結構形勢，我國提出了能源革命發展戰略，大力推進能源轉型。

在能源革命新形勢下，清潔能源的發展對于推進能源革命極其重要。大力發展清潔能源，大幅增加生產供應，是優化能源結構、實現綠色發展的必由之路。到2030年，我國非化石能源占能源消費比重要達到20%，新增能源需求主要依靠清潔能源滿足。風電作為最主要的清潔能源之一，需要結合大數據、互聯網、云計算等信息技術，創新發展模式，大力促進我國能源革命，為構建現代能源體系發揮重要作用。

1 風電發展現狀

近年來，隨著風電技術水平的不斷提高，世界各國風電裝機容量迅速增長，圖1所示為近年來全球風電的裝機容量。截止2017年底，全球風電累計裝機容量已達539.1 GW。其中，中國、美國、德國裝機容量分別位居前三。雖然近年來新增裝機容量有所下降，但風電行業依然處于高速發展階段。到2020年，預計全球累計風電裝機容量達840 GW。

圖1 全球歷年風電裝機容量

近年來我國風電發展呈現高速發展趨勢，圖2所示為我國近年來的風電裝機容量。截止2017年底，我國累計風電裝機容量已達188.4 GW，占全球風電總裝機容量的35%。受風電開發資源減少、政府限制審批等因素影響，2017年風電新增裝機19.66 GW，同比下降15.9%，但是新增容量仍然位居全球第一，占全球新增風電容量的37%。

圖2 我國歷年風電裝機容量

隨著風電的迅速發展，我國風電技術水平也不斷提升。風機單機容量不斷增加，風機機型種類多樣，低風速風機技術不斷進步，風機控制技術不斷提高，風電場集控中心、大數據平臺、故障診斷技術等不斷應用， 這些都大大促進了我國風電行業的健康發展，為我國清潔能源的發展提供了持續的動力。雖然取得了驕人的成績，但是我國風電產業在發展過程中也暴露出一些問題，風電開發模式粗放、風電設備可靠性差、風電場運維管理水平差、風電技術研發能力弱等，都給風電行業的健康發展帶來諸多挑戰。

2 風電發展中存在的問題

經過20多年的發展，我國風電行業已經積累了相當豐富的經驗，但仍然存在很多問題。

1)開發模式粗放。由于國際形勢和國內政策的支持，我國風電近些年的開發模式都是以“大規模、集中式”為主。各個發電企業為了搶奪資源，風電開發都采取了“大干快上”的方式。這種粗放的開發模式，表面上顯著增加了風電裝機容量，但實際缺乏科學合理的規劃布局，導致風電場后期運維問題不斷、設備故障頻發，浪費了良好的風能資源。

2)風資源勘查不科學。風電場選址的最基本條件是要有能量密度高、風向穩定的風能資源，具體風電場內風機的選址還應根據風資源評估參數、風電場宏觀選址和微觀選址等考量。因此，風電場選址對于風電場的建設是至關重要的[3]。而我國風電開發中，存在嚴重的風資源勘察不科學、不準確、盲目性等特點。具體問題包括測風塔數量不足、測風塔代表性不足、測風數據不可靠、測風塔維護不到位、測風數據丟失、復雜地形勘查不到位、風機選型不合理等。山西某風電場由于微觀選址不合理，部分機位發電量差，最終選擇重新進行風機機位優化。

3)風電優化設計水平參差不齊。由于風電的大規模開發，風電場設計需求急劇增加，傳統的大型設計院和一些小型設計機構都涌入風電行業。一方面，由于人員配置不足、任務繁重，設計院的設計水平難以提高，設計方案缺乏個性化；另一方面，一些設計院本身缺乏經驗，設計水平有限。這導致風電設計出現風資源評估水平不高、風機選型技術落后、選型和風資源不匹配、部分微觀選址流于形式、山區丘陵風電設計粗糙、風電消納和送出工程缺乏研究等各類問題。國內風電項目呈現了許多問題案例，如風資源評估結果與實際差別大、機位點布置在當地敏感區或保護區、風機選型頻繁變更機型等。

4)發電設備可靠性有待提高。近年來我國風電裝備制造產業發展迅速，但風電設備可靠性技術水平仍有待提升。變槳系統故障、通訊系統故障、變頻器故障、液壓系統故障、大部件損壞、傳動鏈失效等，都嚴重影響風電機組的正常運行和發電水平。通過對一些風電企業安全生產情況的排查，發現新能源企業存在較高的現場風險，包括湍流影響、基礎質量隱患、安全鏈隱患、主控系統、覆冰、化學腐蝕、風機消防隱患、齒輪箱質量及潤滑隱患、發電能力低等問題，具體統計如圖3所示。

圖3 風電設備嚴重問題數量統計

5)風電核心技術水平薄弱。經過多年的探索和發展，我國基本掌握了大容量風電機組的制造技術，風機葉片、齒輪箱、發電機等部件均已實現國產化，同時具備一定的自主研發能力。但是，在風機核心技術方面，如風機主控系統、葉片翼型設計等仍然依賴國外生產廠家，基礎研發能力依然薄弱。目前，風機控制系統PLC主要采用的Bachmann、ABB、Mita、Beckhoff、SSB、DEIF均為為國外生產廠家，風機葉片也主要依賴國外的翼型設計，整機設計、關鍵零部件設計等仍是風電產業發展的最大瓶頸。

另外，風電開發企業和設備制造企業之間也存在技術壁壘。整機制造企業普遍存在對業主的技術封鎖，通信協議、控制權限、后臺數據等均未對業主開放。因此，業主很難利用運行數據對風機進行進一步優化改造。同時，對于整機制造商而言，也難以輕易獲得風機的相關運行數據，從而對風機進行優化設計。

6)風電場信息化市場混亂。隨著大數據、互聯網、云計算等信息技術的發展，信息化也成為風電行業的研究熱點。集控中心、生產管理平臺、遠程診斷系統等，均成為各個企業爭相開展的業務亮點。然而，由于缺乏統一的標準規范和架構體系，風電信息化市場目前處于魚龍混雜的狀態。目前，各個發電企業都開發了信息化平臺，但普遍缺少頂層設計。很多集控中心缺少統一的體系架構，集團級集控、區域集控、省級集控由于供應廠商不同，平臺架構和功能劃分等均不一樣，難以實現互聯互通。目前，大多數風電場集控中心主要用于數據的遠程監測，一定程度減少了現場運行人員的數量，實現了“少人值守”的目標。但這離真正實現風電場的智能化和“無人值守”目標還有很大的差距。

7)風電場運維管理水平落后。相比于火電廠的標準化管理模式，目前國內風電場的運維管理水平普遍較低。除了運維人員少、檢修消缺任務重等原因，工程遺留問題多、技術資料缺乏、人員技術水平有限、故障處理不當、定期工作不到位等，都會導致現場運維管理水平降低。

8)風電后服務水平差。隨著出質保期的風電場越來越多，風電場的后服務是未來風電產業的一個巨大市場。目前，多數風電場采取“質保期廠家運維，質保后外委運維”的模式。部分風機廠家由于熟練運維人員缺乏，因此縮短新進人員培訓周期，導致現場風機維護水平下降。有的風機廠家將運維工作外委給第三方運維公司，但由于缺乏對機型的掌握程度，運維水平也有待提高。目前也有部分發電企業培養自己的運維檢修人員，以便自己維護設備提高發電水平。

9)風電棄風限電問題依然存在。一直以來，棄風限電都是制約我國風電行業健康發展的一大難題。圖4所示為2017年和2018年全國風電限電地區的棄風率[4-5]。2017年全國平均棄風率12%，2018年全國平均棄風率7%，棄風率同比下降5%。整體限電率出現顯著下降，但是新疆(29%，22.9%)、甘肅(33%，19%)、內蒙古(15%，10.3%)的限電情況依然嚴峻。同時，原來無棄風的貴州和山東，2018年也出現了不同程度的棄風限電情況。

圖4 全國風電限電地區棄風率

3 風電未來發展模式

隨著能源革命的深入開展，新能源將成為能源革命的主戰場，風電也將擔當重要角色。面對發展中存在的諸多問題，風電必須創新發展理念，積極應對未來“新”電力系統挑戰[6]。

1)風電開發“精細化”。隨著風能資源和土地資源的日益稀缺，分布式風電得到迅速發展，風電開發模式逐漸轉向“精細化”。風電前期精細化，保證有足夠數量的測風塔和有效的測風數據，充分論證風資源水平，細化微觀選址和風機選型，充分比對不同機型優劣，選擇最優機型和機位點；建設施工精細化，嚴格管控工程質量，杜絕遺留問題；風電場運維精細化，充分借助大數據、人工智能等信息化手段，準確掌握設備狀態，制定措施，提高發電水平。目前，已有企業對在役風電場進行二次開發，精細化設計，加密風機排布。

2)風電開發“分散化”。能源的分散化和就地消納，是能源發展長期的主題[7]。2017年6月，國家能源局發布《關于加快推進分散式接入風電項目建設有關要求的通知》，要求加快推動分散式風電開發，風電開發布局快速向中東部和南部轉移。近幾年，大葉片、高塔筒技術不斷提升，針對未來低風速領域的巨大市場，設備廠家紛紛推出新的機型，滿足低風速區風電場的需求。隨著低風速風機技術不斷取得進步，分散化、低風速將逐漸成為陸上風電發展的趨勢。

3)風電開發“海洋化”。我國海上風能資源豐富，具有巨大的開發前景。海上風電項目一般分為灘涂、近海以及深海風電場。目前我國海上風電實質開發的區域仍主要集中在灘涂及近海風電區域[8]。與陸上風電不同，海上風電緊鄰電力負荷中心，消納前景非常廣闊。經過多年的穩步發展，我國海上風電目前已進入大規模開發階段。截至2018年11月底，我國海上風電累計裝機已達360萬kW，核準容量超過1 700萬kW，在建約600萬kW[9]，海上風電發展十分迅速。

目前，海上風電還存在一系列問題[9-10]，風資源評價基礎工作較弱、建設成本高、建設周期長、施工難度大、運維困難、標準體系不完善等。海上風電未來發展中，需要吸取陸上風電的經驗教訓，因地制宜，合理有序開發；同時，針對目前存在的問題，加快海上風電成本下降，研究風電機組大型化技術，推進近海規模化和深遠海示范化發展[9]，實現海上風電的健康持續發展。

4)風電核心技術“國產化”。目前，風電設備一些核心技術和部件仍然依靠進口，如風電控制系統PLC、風機葉片設計、潤滑油脂等。大力開展技術研發，推進核心技術國產化，才能激發技術創新和產品創新。而作為風電開發企業，也應當努力掌握風電設備關鍵技術，為風電場的運行維護、技術改造、提質增效提供有力支撐。

5)風電場“智能化”。智能化是能源發展未來的趨勢。風電場智能化，就是要推動風電與控制技術、信息技術、通信技術等的深度融合，實現風電的智能化開發、智能化運維、智能化監控以及智能化管理。2018-06-08日，工信部發布了《工業和信息化部辦公廳關于組織開展2018年制造業與互聯網融合發展試點示范工作的通知》，明確鼓勵新能源設備上云，開展設備建模、功率預測、調度優化等服務，提高發電效率、降低運維成本，提高并網效率。

智能化風電場可以運用大數據和云平臺，對風電場進行微觀選址、優化設計、故障診斷、資產管理、運維管理；同時，通過建立統一的管控平臺，以風電機組運行大數據為基礎，結合互聯網和云計算等技術，能夠完成對區域內風電場的遠程控制，實現風電場“無人值班、少人值守、集中監控、智能運行”的目標。隨著產業體系的不斷完善和技術水平的不斷提高，智能化將成為未來風電發展的主要方向。

6)能源“綜合化”。綜合能源系統，就是整合不同形式的能源資源，滿足多元化需求，實現能源的高效利用。構建綜合能源系統，能夠大大提高可再生能源的開發利用，同時提升傳統一次能源利用效率。綜合能源系統可以突破開發模式，按照用戶按照用戶需求、自身能力、區域特性，因地制宜，實現“模塊化選擇，個性化構建”。

綜合能源系統的本質是多能互補。風電作為未來重要的能源供給形式，需要積極探索能源綜合化利用模式，研究與其他形式能源的協調優化技術，努力構建高效的綜合能源系統。

7)電力系統“綠色化”。未來電力系統將由傳統的化石能源為主轉變為可再生能源為主，最終構建成一個低碳的新電力系統。但由于風電、光伏等可再生能源的不確定性，電力系統將面臨巨大的挑戰[6]。新能源消納能力不足，電網轉動慣量減小、調頻能力下降，動態無功支撐能力不足，系統穩定問題，這些都給電網帶來巨大的難題。但隨著控制技術、信息技術、互聯網技術、智能電網、智慧電廠、分布式能源、綜合能源等技術水平的深入研究，電力系統也將不斷發展、不斷進步，為用戶提供更加優質、更加清潔的能源。風電作為未來電力系統的重要組成部分，需要不斷進行技術創新、模式創新，為構建安全、穩定、可靠、高效的綠色電力系統貢獻力量。

4 結 語

新能源作為我國能源革命的主戰場，隨著技術的不斷進步，將扮演越來越重要的角色。我國風電已進入了平穩發展期，主旋律由規模發展向質量發展轉變，為推進風電發展，必須創新風電發展模式，積極開展關鍵技術研究，使風電朝著精細化、智能化、綜合化方向發展。