我國大型風(fēng)電機組技術(shù)發(fā)展情況

中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院 ■ 沈德昌

截至2013年底，國內(nèi)約30家大型風(fēng)電機組整機制造企業(yè)已向國內(nèi)外風(fēng)電市場提供了合格的大型風(fēng)電機組整機產(chǎn)品。2013年在我國風(fēng)電場建設(shè)中，國產(chǎn)風(fēng)電機組的市場占有率達到94%，大幅超過外資企業(yè)。其中，在國內(nèi)新增總裝機占比中，金風(fēng)科技的份額最大，占23.31%；聯(lián)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(fēng)電機組發(fā)展情況的分析，歸納出我國大型風(fēng)電機組技術(shù)主要呈現(xiàn)如下特點。

1 水平軸風(fēng)電機組是主流

水平軸風(fēng)電機組的應(yīng)用已近100年。由于水平軸風(fēng)電機組的風(fēng)輪具有風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率高、傳動軸較短、控制和制動技術(shù)成熟、制造成本較低、并網(wǎng)技術(shù)可靠等優(yōu)點，近年來大型并網(wǎng)水平軸風(fēng)電機組得到快速發(fā)展，使大型雙饋式和直驅(qū)永磁式等水平軸風(fēng)電機組成為國內(nèi)大型風(fēng)電場建設(shè)所需的主流機型，并在國內(nèi)風(fēng)電場建設(shè)中占到100%的市場份額。

2 垂直軸風(fēng)電機組有所發(fā)展

大型垂直軸風(fēng)電機組因具有全風(fēng)向?qū)︼L(fēng)、變速裝置及發(fā)電機可置于風(fēng)輪下方或地面等優(yōu)點。近年來相關(guān)研究和開發(fā)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(fēng)電機組在風(fēng)電場運行，但在我國還無垂直軸風(fēng)電機組產(chǎn)品在風(fēng)電場成功應(yīng)用的先例。

3 風(fēng)電機組單機容量持續(xù)增大

近年來，國內(nèi)風(fēng)電市場中風(fēng)電機組的單機容量持續(xù)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(fēng)電場安裝的最大風(fēng)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(nèi)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(fēng)電場的開發(fā)進一步加快了大容量風(fēng)電機組的發(fā)展。我國華銳風(fēng)電的3 MW海上風(fēng)電機組已在海上風(fēng)電場批量應(yīng)用。3.6、4、5、5.5、6和6.5 MW的海上風(fēng)電機組已陸續(xù)下線或投入試運行。目前，華銳、金風(fēng)、聯(lián)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(fēng)電機組產(chǎn)品。

4 變槳變速功率調(diào)節(jié)技術(shù)得到全面應(yīng)用

由于變槳距功率調(diào)節(jié)方式具有載荷控制平穩(wěn)、安全高效等優(yōu)點，近年在大型風(fēng)電機組上得到廣泛應(yīng)用。結(jié)合變槳距技術(shù)的應(yīng)用及電力電子技術(shù)的發(fā)展，大多數(shù)風(fēng)電機組制造廠商采用了變速恒頻技術(shù)，并開發(fā)出變槳變速風(fēng)電機組，在風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率上有了進一步完善和提高。從2012年起，國內(nèi)定槳距并網(wǎng)風(fēng)電機組已停止生產(chǎn)，在全國安裝的風(fēng)電機組全部采用了變槳變速恒頻技術(shù)。2 MW以上的風(fēng)電機組大多采用3個獨立的電控調(diào)槳機構(gòu)，通過3組變速電機和減速箱對槳葉分別進行閉環(huán)控制。

5 雙饋異步發(fā)電技術(shù)仍占主導(dǎo)地位

外資企業(yè)如丹麥Vestas公司、西班牙Gamesa公司、美國GE風(fēng)能公司、印度Suzlon公司及德國Nordex公司等，都在生產(chǎn)雙饋異步發(fā)電型變速風(fēng)電機組。

我國內(nèi)資企業(yè)如國電聯(lián)合動力、廣東明陽、華銳風(fēng)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(yè)也在批量生產(chǎn)雙饋式變速恒頻風(fēng)電機組。2013年我國新增風(fēng)電機組中，雙饋異步發(fā)電型變速風(fēng)電機組的比例約占69%。目前，我國華銳風(fēng)電研發(fā)的3 MW雙饋異步發(fā)電型變速恒頻風(fēng)電機組已在海上風(fēng)電場批量應(yīng)用，6 MW的該類型風(fēng)電機組已試運行；國電聯(lián)合動力6 MW的該類型風(fēng)電機組已安裝試驗。

6 直驅(qū)式、全功率變流技術(shù)得到迅速發(fā)展

無齒輪箱的直驅(qū)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(tǒng)運行的可靠性和壽命，減少風(fēng)電場維護成本，因而逐步得到市場青睞。我國新疆金風(fēng)科技有限公司與德國Vensys公司合作研制的1.5 MW直驅(qū)式風(fēng)電機組，已有上千臺在風(fēng)電場安裝。金風(fēng)科技有限公司研制的2.5 MW直驅(qū)式風(fēng)電機組已批量投放國內(nèi)外市場。

金風(fēng)科技在2011、2012和2013年連續(xù)3年成為我國風(fēng)電市場的第一大供應(yīng)商。同時，我國湘電公司的2 MW直驅(qū)風(fēng)電機組也已大批量進入市場，5 MW該類型風(fēng)電機組也已安裝運行。最近北車風(fēng)電公司也向國內(nèi)市場推出3 MW直驅(qū)永磁風(fēng)電機組。其他如華創(chuàng)風(fēng)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(yè)也研制了直驅(qū)永磁風(fēng)電機組。2013年我國風(fēng)電場新增大型風(fēng)電機組中，直驅(qū)永磁式風(fēng)電機組約占31%。

7 各種全功率變流風(fēng)電機組得到應(yīng)用

隨著直驅(qū)永磁式風(fēng)電機組的增多及高速齒輪箱配高速永磁風(fēng)電機組的出現(xiàn)，全功率變流技術(shù)得到了廣泛發(fā)展和應(yīng)用。應(yīng)用全功率變流的并網(wǎng)技術(shù)，使風(fēng)輪和發(fā)電機的調(diào)速范圍擴展到0～150%的額定轉(zhuǎn)速，全功率變流技術(shù)對低電壓穿越簡單先進的解決方案可提高機組的風(fēng)能利用范圍。

近年由于全功率變流技術(shù)的成熟，部分企業(yè)選擇了由齒輪箱驅(qū)動同步發(fā)電機或鼠籠發(fā)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(qū)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(qū)動永磁同步發(fā)電機或鼠籠發(fā)電機搭配全功率變流器的形式，比如金風(fēng)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(fēng)電機組。上述全功率變流風(fēng)電機組也代表了今后的發(fā)展趨勢。

8 低風(fēng)速地區(qū)風(fēng)電設(shè)備研發(fā)取得進展

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

9 大型風(fēng)電機組關(guān)鍵部件的性能日益提高

我國在大型風(fēng)電機組關(guān)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(yè)，以及中材科技、連云港中復(fù)連眾、保定惠騰等葉片制造企業(yè)的供貨能力都很充足，質(zhì)量已有明顯提高；國內(nèi)已能生產(chǎn)長達48.8 m 與3 MW風(fēng)電機組配套的大尺寸葉片，長度超過70 m與6 MW風(fēng)電機組配套的葉片也已下線；永濟電機廠、蘭州電機廠生產(chǎn)的發(fā)電機等產(chǎn)品批量大，質(zhì)量有很大提高。從2013年上海第七屆風(fēng)能展的情況看，我國已形成風(fēng)電設(shè)備的產(chǎn)業(yè)鏈，為今后的快速發(fā)展奠定了穩(wěn)固的基礎(chǔ)。我國在某些基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)件、鑄鍛件等領(lǐng)域已具有優(yōu)勢，不僅能滿足國內(nèi)市場需求，而且已向國際市場供貨。

北京科諾偉業(yè)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(fēng)電技術(shù)有限公司、天津瑞能電氣、金風(fēng)天誠科創(chuàng)、龍源電氣、九州電氣等10多家企業(yè)已具備MW級風(fēng)電機組變流器的研發(fā)、生產(chǎn)和供貨能力。

10 葉片技術(shù)發(fā)展情況

隨著風(fēng)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(shè)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(jié)構(gòu)有助于保證葉片長期的工作壽命。

額外的葉片狀況檢測設(shè)備將被開發(fā)并安裝在風(fēng)電機組上，以便在葉片結(jié)構(gòu)中的裂紋發(fā)展成致命損壞前或風(fēng)電機組整機損壞前警示操作者。對于陸上風(fēng)電機組來說，不久以后，這種檢測設(shè)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(shù)。例如使葉片由內(nèi)、外兩段葉片組成，靠近葉根的內(nèi)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(fēng)電葉片有限公司出產(chǎn)首支最長77.7 m大型海上風(fēng)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(fēng)160/6.0 MW風(fēng)電機組，掃風(fēng)面積達20106 m2，相當(dāng)于3個標(biāo)準(zhǔn)足球場面積，一次性順利通過GL監(jiān)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(fēng)電機組完成了長81.6 m的葉片測試。

11 風(fēng)電場建設(shè)和運營的技術(shù)水平日益提高

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

12 惡劣氣候環(huán)境下風(fēng)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(fēng)、鹽霧，西南地區(qū)具有高海拔等惡劣氣候特點，使風(fēng)電機組受惡劣氣候環(huán)境的影響很大，包括增加維護工作量，減少發(fā)電量，嚴(yán)重時還導(dǎo)致風(fēng)電機組損壞。因此，在風(fēng)電機組設(shè)計和運行時，必須具有一定的防范措施，以提高風(fēng)電機組抵抗惡劣氣候環(huán)境的能力，減少損失。因此，近年來我國的風(fēng)電機組研發(fā)單位在防風(fēng)沙、抗低溫、防雷擊、抗臺風(fēng)、防鹽霧等方面著手開發(fā)了適應(yīng)惡劣氣候環(huán)境的風(fēng)電機組，以確保風(fēng)電機組在惡劣氣候條件下的風(fēng)電場能可靠運行，提高發(fā)電量。

13 低電壓穿越技術(shù)得到應(yīng)用

隨著風(fēng)電機組單機容量的不斷增大和風(fēng)電場規(guī)模的不斷擴大，風(fēng)電機組與電網(wǎng)間的相互影響已日趨嚴(yán)重。若電網(wǎng)發(fā)生故障迫使大面積風(fēng)電機組因自身保護而脫網(wǎng)，將嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。因此，隨著接入電網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電機容量不斷增加，電網(wǎng)對其要求越來越高，通常情況下要求發(fā)電機組在電網(wǎng)故障出現(xiàn)電壓跌落的情況下不脫網(wǎng)運行，并在故障切除后能盡快幫助電力系統(tǒng)恢復(fù)并穩(wěn)定運行，也就是說，要求風(fēng)電機組具有一定低電壓穿越能力。

隨著風(fēng)力發(fā)電裝機容量不斷增大，我國的電網(wǎng)系統(tǒng)運行導(dǎo)則對風(fēng)電機組的低電壓穿越能力做出了規(guī)定。目前，我國的MW級風(fēng)電機組在電網(wǎng)電壓跌落情況下，能采取相應(yīng)應(yīng)對措施，確保風(fēng)電系統(tǒng)安全運行并實現(xiàn)低電壓穿越。目前，我國已有30多家企業(yè)的風(fēng)電機組產(chǎn)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(xué)院的低電壓穿越性能試驗。

14 海上風(fēng)電技術(shù)成為重要發(fā)展方向

在我國，隨著海上風(fēng)電場規(guī)劃規(guī)模的不斷擴大，各主要風(fēng)電機組整機制造廠都積極投入大功率海上風(fēng)電機組的研制工作。華銳率先推出3 MW海上風(fēng)電機組，并在上海東海大橋海上風(fēng)電場批量投入并網(wǎng)運行。華銳公司江蘇鹽城海上風(fēng)電機組研發(fā)基地制造的6 MW海上風(fēng)電機組，已于2011年10月在江蘇射陽縣臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)完成首臺機組的吊裝。金風(fēng)公司在江蘇大豐縣建設(shè)的海上風(fēng)電機組研發(fā)基地研制的6 MW直驅(qū)式海上風(fēng)電機組已下線。湖南湘電收購了荷蘭達爾文公司，合作研發(fā)的5 MW海上直驅(qū)永磁風(fēng)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(fēng)力發(fā)電工程技術(shù)研發(fā)中心”，形成了全套產(chǎn)業(yè)鏈的整合，完成了5 MW海上風(fēng)電機組的研發(fā)。國電聯(lián)合動力研制的6 MW海上風(fēng)電機組已安裝試運行。2014年11月，明陽風(fēng)電大容量SCD 6.5 MW 超緊湊海上風(fēng)電機組在江蘇如東國家實驗風(fēng)電場吊裝成功；上海電氣－西門子4 MW海上風(fēng)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(fēng)電機組等也先后研制成功。株洲南車已著手研制6 MW直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機組。

到2020年底，全國規(guī)劃建設(shè)總?cè)萘窟_3000萬kW的海上風(fēng)電場。蓬勃崛起的海上風(fēng)電場建設(shè)是未來風(fēng)能技術(shù)更新發(fā)展的驅(qū)動力，這一發(fā)展趨勢已不可逆轉(zhuǎn)。