我國風電技術進展及趨勢

中國可再生能源學會風能專委會 ■ 姚興佳

沈陽工業大學風能技術研究所 ■ 劉穎明 宋筱文*

我國風電技術進展及趨勢

中國可再生能源學會風能專委會 ■ 姚興佳

沈陽工業大學風能技術研究所 ■ 劉穎明 宋筱文*

對我國風電技術的發展歷程進行了回顧和討論，分別從基礎研究、技術研發、整機研制、零部件配套等方面總結其取得的進展，同時對目前面臨的關鍵問題也進行了探討，并對未來我國風電技術的發展趨勢進行了展望。

風電機組；并網消納；棄風限電；大規模儲能技術；功率預測技術

0　引言

風電是資源潛力巨大、技術較為成熟的可再生能源，在減排溫室氣體、應對氣候變化的新形勢下，越來越受到世界各國的重視，并已在全球大規模開發利用。“十一五”到“十二五”期間，我國風電經歷了飛速發展的10年，成為國內繼火電、水電之后的第三大電源。2015年我國風電新增裝機量達36萬kW，累計裝機量為101萬kW，排名從世界第5位躍升至第4位；截至2015年底，我國風電累計并網容量達1.45億kW，占全國發電裝機容量的9.6%。

隨著風電市場規模的迅速擴大，我國風電設備制造技術進一步提高，一個具有競爭力的較為完整的產業鏈體系已初步形成，涵蓋原材料加工、零部件制造、整機制造、開發建設、技術研發、標準和檢測認證體系等各個環節。風電機組設備制造基本上實現了系列化、標準化和型譜化，機型涵蓋雙饋、直驅和混合式，單機容量從1.5 MW迅速發展到目前最大的6 MW級，并實現了從陸地風電到海上風電的跨域。

我國風電技術水平不斷提高，通過引進消化吸收和再創新，基本掌握了風電行業關鍵核心技術，并且在適合低風速風況和惡劣環境風電機組開發方面取得了突破性進展，處于全球領先地位，在大容量機組開發上也實現了與世界同步。這些成就，既保證了我國風電產業的持續快速發展，也為我國風電產業實現從大到強的跨越式發展奠定了基礎。

風電產業已經成為我國少數具有國際競爭力的高新技術產業之一，這也讓我國迎來歷史上難得的在風電領域與國際領先水平并駕齊驅的機會和形勢。在高速發展過程中，我國建立起了具有國際先進水平的風電產業體系，具有自主知識產權的技術產品遠銷20多個國家和地區。此外，風電產業每年還吸引超過千億元的投資，提供近50萬個就業崗位，發揮著良好的社會綜合效益。

隨著“一帶一路”和“中國制造2025”等國家戰略的實施，我國風電制造企業也加快了高端裝備制造“走出去”的步伐，為我國風電技術的廣泛應用開辟了更為廣闊的市場，帶來了良好的發展機遇。

1　我國風電技術的進展

1.1發展歷程

我國開展風電技術研發已有40多年的歷史，特別是經過近十年來的發展，快速走上了產業化的道路。早在20世紀80年代，我國就通過國家科技項目陸續支持研制過離網型和并網型風電機組，單機容量從15 kW到200 kW，但絕大部分未實現批量生產。

“九五”和“十五”期間，政府組織實施“乘風計劃”、國家科技攻關計劃，以及國債項目和風電特許權項目，支持建立了首批6家風電整機制造企業，進行風電技術的引進和消化吸收，其中部分企業掌握了600 kW和750 kW單機容量定槳距風電機組的總裝技術和關鍵部件設計制造技術，初步掌握了定槳距機組總體設計技術，實現了規模化生產，邁出了產業化發展的第一步。特別需要說明的是，“十五”期間，通過對國家“863”計劃“兆瓦級變速恒頻風電機組”重大招標項目的支持，我國完成了具有完全自主知識產權的1 MW 雙饋式變速恒頻風電機組和1.2 MW 直驅式變速恒頻風電機組的研制，并于2005年并網發電，成功實現了兆瓦級變速恒頻風電機組從無到有的重大突破，標志著我國風電技術跨入兆瓦級時代。

2006年，我國政府實施了《可再生能源法》，風電正式進入大規模開發應用的階段。“十一五”期間，科技部針對我國風電整機技術水平低、自主研制能力差、產業不完整、可持續發展能力弱等亟待解決的重大問題，在已有1.0 MW雙饋式和1.2 MW直驅式兩種機型大功率風電機組設計、制造技術的基礎上，由國家科技支撐計劃立項，支持了“大功率風電機組研制與示范”重大項目，規劃了風電整機成套設備、關鍵零部件、海上風電、標準規范體系等4個主要研究方向，由全國23家單位共同承擔，基本囊括了當時行業內的骨干企業和科研單位。項目直接推動了中國風電配套產業鏈及其產品創新機制的建立、發展和完善[1]。

隨著國家陸續制定出臺了促進風電等可再生能源發展的相關法規和扶持政策，眾多國內外企業大舉投入中國風電制造業，大多瞄準了風電整機制造，通過引進生產許可證、建立合資企業、開展自主研發或聯合研發等手段，研制兆瓦級以上風電機組產品。據不完全統計，在2008年，進入風電整機制造業的國內企業一度多達80家，其中包含大量國有或國有控股的制造企業，涉及電力設備、航空航天和重工機械設備制造企業。這些大型企業利用自身相關技術和工業基礎，通過聯合設計或引入戰略合作方從事發展風電機組的整機設計和制造。代表企業(產品)有：金風(1.5 MW/750 kW)、運達風電(1.5 MW)、東方電氣(1.5 MW)、華銳(1.5 MW)、國電聯合動力(1.5 MW)、廣東明陽(1.5 MW)、上海電氣(1.25 MW)等。

經過一定時期的風電機組技術引進和產業化生產，國內風電整機制造企業對風電技術的復雜性和對產品研發挑戰的認識日益深入，越來越多的企業形成了“在技術引進的基礎上加快消化吸收進程、增強自主研發能力”的共識，這些企業大部分在引進的基礎上進行了國產化的工作，并針對我國風資源的特點進行了適應性開發。另外，積極引進Bladed等國外先進的風電機組輔助計算設計工具，更多地采用聯合設計和自主研制開發新產品。代表企業(產品)有：金風(1.5 MW直驅)、浙江運達(1.5 MW雙饋)、上海電氣(2 MW雙饋 )、重慶海裝(2 MW雙饋)、華銳(3 MW雙饋)等。

國有大型企業和民營企業與國內大學和研究機構合作自主研發機型，也取得了豐碩的成果。大學研究機構把依托國家科研項目形成的科研成果轉讓給企業，并為企業提供持續的研發和技術支持，形成高效的風電產—學—研聯合發展機制。如沈陽華創依托沈陽工業大學風能技術研究所的技術研發基礎，在1 MW機組研制的基礎上研制出具有自主知識產權的機組，包括1.5～7 MW之間的三大系列數十種系列化機組產品。

目前，我國整機制造能力經過10年來的快速發展，開發出若干具有自主知識產權的機型，并得到風場的大規模應用和長時間的驗證；3 MW及以下兆瓦級機組總體設計及零部件制造技術已經成熟，正在開發更大單機容量的系列化產品。1.5 MW、2 MW風電機組的供應能力充足，3 MW風電機組已批量運行，5～6 MW風電機組也已投入運行。

上海電氣3.6 MW、湘電風能5 MW、東方電氣5.5 MW、海裝風電5 MW、太原重工5 MW等海上風電機組陸續下線安裝。在國家“863”計劃支持下，華創7 MW和運達5 MW海上風電機組研發進入新階段。截至2015年底，我國海上風電機組供應商達到10家，累計裝機容量達到100 MW以上的機組制造商有上海電氣、華銳風電、遠景能源、金風科技。目前我國單機容量最大的是6 MW機組，除了原有聯合動力和明陽風電的產品，金風科技也在2015年新增吊裝一臺6 MW機組。

1.2技術研發

1.2.1基礎研究

近年來，國家各類科技計劃和基金項目對風電技術的基礎研究給予了較多資助，表1為國家“973”計劃、國家“863”計劃和國家科技支撐計劃資助的風電研發項目和課題的部分統計數據。

表1　國家科技計劃資助的部分風電研究項目

國家重點基礎研究發展計劃(“973”計劃)迄今共立項資助了4個以風電研究為主題的項目。其中，“大型風電機組的空氣動力學基礎研究”項目，針對兆瓦級風電機組葉片在空氣動力學、氣動彈性、氣動噪聲等基礎方面的科學問題進行了探索，形成了兆瓦級風電機組葉片的自主設計能力。“大型風電機組的關鍵力學問題研究及設計實現”項目，針對多兆瓦級風電機組整機在氣動載荷、非線性氣動彈性、海上風電機組水動載荷與支撐結構等方面開展了研究，形成了多兆瓦級海上大型風電機組整機的自主設計能力。“大規模風力發電并網基礎科學問題研究”項目，針對大規模風電的電力系統，開展遠距離、大規模、高集中度的風電并網問題的基礎理論和核心技術研究。國家高技術研究發展計劃(“863”計劃)在風電機組專用翼型設計、整機和關鍵部件開發、風電場電氣控制、海上風電場建設、海上風電場送電與并網等方面對多個課題給予了資助。

據不完全統計，自2005年以來，國家自然科學基金資助的風能相關項目為370項，研究內容涵蓋了風能利用的各個領域和方面。從項目年度分布來看(見圖1)，2010～ 2014年的資助項目占2005～ 2014年資助總項目數的81%，說明風能利用的科學和技術基礎研究近年來得到了極大的重視。

圖1　國家自然科學基金資助的風電研究項目數量年度分布

從學術期刊論文的發表情況看，我國研究人員在風電機組性能計算、葉片設計、風特性分析、載荷分析、結構動力學分析、噪聲分析、運行控制、傳動鏈、變電和并網、發電量預測、儲能技術、風場微觀選址、海上固定式基礎和浮式平臺等多個方面發表了大量學術論文，研究主題幾乎涵蓋了風能利用技術的各個方面。

在我國風電產業大規模快速發展的背景下，風能利用研究受到國家和各科研機構的更多關注和支持，研究隊伍逐年壯大，且形成了各自相對穩定的研究方向。南京航空航天大學、華北電力大學、汕頭大學、中科院工程熱物理所、中科院電工所、中國電力科學研究院、清華大學、西北工業大學、中國空氣動力研究與發展中心、上海勘探設計研究院、上海交通大學、浙江大學、蘭州理工大學、華中科技大學、河海大學、沈陽工業大學、南京工業大學、內蒙古工業大學、長沙理工大學等多家科研機構形成了自己的風能研究方向和人才隊伍。

1.2.2企業研發

圖2為2015年我國風電整機企業新增裝機容量的統計數據[2]。這些整機企業的新增裝機容量超過了我國2015年新增風電裝機容量的90%，研發水平代表了我國風電機組產品研發的技術實力。

圖2　2015年中國風電整機制造企業新增裝機容量(單位：萬kW)

圖3　2015年中國風電整機制造企業累計裝機份額

金風科技2015年躋身世界第一大風電整機供應商，擁有北京、新疆和德國三地研發中心，具備較完備的自主研發能力。其最突出的技術特點是直驅永磁技術。金風科技根據不同的地理氣候條件，進行差異化設計，形成了適用于高低溫、高海拔、低風速、沿海等不同運行環境的風電機組系列產品。該公司的成熟代表機型1.5 MW、2.5 MW和3 MW系列，均采用直驅永磁技術，其中，3 MW系列部分風電機組還采用了混合傳動技術，目前其海上6 MW直驅永磁機組也已進入樣機運行階段。

國電聯合動力技術有限公司研發以產品平臺為主線，已完成或正在開展1.5 MW、2 MW、3 MW、6 MW、12 MW產品平臺研究。該公司于2012年研制了3 MW直徑為108 m和120 m的陸上機組并推向市場；6 MW海上風電機組于2010年開始設計開發，樣機于2013年5月實現并網發電，目前正在進行測試并積累運行數據，在此基礎上已啟動了適用于臺風、低風速等海上區域的6 MW機組研究。

遠景能源近年來在風電機組市場的占有率持續上升，技術特色是著力打造“智能風電機組”概念，其陸上風電機組注重低風速機型的開發。“智能風電機組”概念融合智能控制技術、智能傳感、云計算、大數據和能源管理等技術，運用當代信息技術推動風電系統的技術革新。此外，該公司還開發了基于智能傳感網和云計算的智慧風場全生命周期管理系統，迅速在海外取得了較好的市場業績。

明陽風電也是特別注重技術研發投入的企業，陸續建成了歐洲丹麥研發中心、美國北卡研發中心、上海海上工程研發中心，目前已開發抗臺風型、抗低溫型、高原型、潮間帶型、低風速及海上型等適合各類風況的1.5～6.5 MW系列風電機組產品，首創推出全球領先的超緊湊型(SCD)雙葉片半直驅型陸上及近海風電機組系列，同時，超大型海上8～12 MW風電機組正在研發中。

1.3零部件制造

我國風電零部件制造企業也日益壯大，生產供應體系日益健全。自上世紀90年代我國發展大型風電以來，主要依靠傳統工業企業或中外合資企業逐步形成了一批主要零部件制造企業。傳統工業企業，如齒輪箱和發電機制造企業，大都是國內從事該類產品研發生產的國有大型重工企業，憑借原有的生產和科研基礎，逐步探索開發風電零部件產品。

隨著風電產業的快速發展，一大批企業積極從事風電零部件的開發生產，進一步擴大完善了生產供應體系。國內葉片、齒輪箱、發電機等部件的制造能力已接近國際先進水平，能夠滿足主流機型的配套需求，并開始小批量出口。軸承、變流器和控制系統的研發也取得了重大進步，并開始批量供應國內市場。塔筒、輪轂、機艙等部件的生產能力完全滿足國內市場需求，并向國際市場供貨。此外，大型風電機組關鍵零部件的制造水平也有所提高，國內葉片制造商已能生產出72 m、配套6 MW機型的大尺寸葉片。配套5 MW、6 MW等大型風電機組的齒輪箱、發電機和軸承也開始投入使用。

1.3.1葉片

隨著我國風電市場和技術的快速發展，國內有接近20家葉片制造企業具備生產上千套兆瓦級風電葉片的能力，產量可滿足國內風電市場的需求。但只有幾家企業具備一定的自主研發能力，大部分企業的葉片研制技術主要還是依靠購買國外技術的方式獲取。因此，對關鍵核心技術并非完全掌握，距離針對我國實際風資源特點開展國產化風電葉片自主研制還存在一定差距。目前，國內具有代表性的風電葉片制造企業包括：中材科技風電葉片股份有限公司、中復連眾復合材料集團有限公司、南車時代新材、上海艾朗等。

1.3.2齒輪箱

近3年我國齒輪箱的產量以年均增長率超過100%的速度快速增長，我國制造的大型風電齒輪產量不僅滿足市場的需求，而且還具有相當大的產量富余度。從市場需求來看，國內齒輪箱供應已經極度飽和，產能已數倍于需求量。目前，國內具有代表性的風電齒輪箱制造企業包括：南高齒、重慶齒輪箱有限責任公司、杭州前進齒輪箱集團、華銳重工等企業。

1.3.3發電機

目前，我國生產的風電機組發電機完全能夠滿足國內風電產業的需要。國內具有代表性的發電機制造企業包括：永濟電機廠有限公司、株洲南車電機股份有限公司、東方電機股份有限公司、西安盾安電氣有限公司、蘭州電機有限責任公司、上海電機廠有限公司、湘潭電機廠有限公司、南京汽輪機長風新能源有限公司等。

1.3.4軸承

目前，國內的風電機組軸承制造企業主要包括：洛陽軸承集團技術中心有限公司、瓦房店軸承集團有限責任公司、浙江天馬軸承廠和徐州羅特艾德回轉支承有限公司等。這些企業已在批量生產1.5～3.0 MW風電機組主軸軸承、變槳軸承和偏航軸承，產品處于批量應用階段。

1.3.5變流器和整機控制系統

國內風電變流器和控制系統企業因價格和售后服務優勢，業績增長比較明顯。禾望電氣憑借其源于艾默生體系的技術和研發團隊優勢，在風電變流器領域斬獲頗豐，目前居于本土變流器供應商排名第一的地位。合肥陽光、天誠同創(金風)、景新、科諾偉業、南瑞、海得新能源等企業在風電變流器的業務也迅速擴大。國產1.5 MW、2 MW變流器已批量生產，能滿足國內風電整機配套的需要。風電主控系統約65%的市場份額被大的本土整機制造商的關聯企業所占據，剩下的市場份額主要集中于天津瑞能、成都阜特、科諾偉業等企業[3]。

1.4小結

綜上所述，我國風電設備產業鏈已形成，為今后的快速發展奠定了基礎。從產能來看，我國風電整機供應商可滿足國內市場每年3000萬kW以上的安裝需求，關鍵零部件對國外依賴度逐漸降低。我國在風電整機和關鍵零部件的產能方面不但完全有能力滿足國內市場需求，而且已經初步具備了出口競爭力，能夠持續向國際市場供貨。

2　面臨的問題

2.1新技術急于規模應用，風險極大

在國內市場需求和競爭的推動下，我國風電設備制造業技術升級進程加快，但與成熟的歐美風電技術相比，還存在不小的差距。近年來，我國風能利用方面科技投入有所加大，并向實際應用和基礎研究兩方面或兩方面相結合上延伸，出現了一定的創新，在有些方面也有一定原創性。但畢竟我國風電行業起步較晚，大部分整機企業在最初都是購買圖紙直接生產，若要在消化吸收引進技術的基礎上實現真正的創新和突破，還需要大量的基礎研究、科學實驗和長期的經驗積累。然而一些新開發的技術和理念，如大機組、大葉片、低風速、高海拔機組等系統化技術在還不完善的情況下就急于批量應用，對可能存在的風險考慮不夠。

部分廠家片面追求機組單機容量大、新機型下線速度快、急于批量安裝的效果，而對引進技術的消化吸收和再創新能力、產品質量重視不夠，對風電機組整體設計、載荷優化計算、控制策略優化、并網性能等核心技術掌握不夠，導致部分風電機組質量不穩定，出現了較多嚴重的風電機組質量事故，成為風電發展的隱患。比如某葉片廠家在多個批次的葉片供貨中出現質量問題，導致所涉批次的葉片在多個風場運行后出現大面積質量事故并被要求更換，企業在承受巨額更換葉片成本的同時，還負擔了大量的葉片更換吊裝費用，使企業財務蒙受了巨大的損失，該事件還導致該企業銷售訂單斷崖式下滑，企業經營困難幾近破產。類似例子還包括一些齒輪箱制造企業。

另外，隨著國內海上風電市場的興起，國內整機制造商紛紛試水，在未完全掌握核心技術和經歷足夠樣機運行考驗的情況下急于上馬海上項目的風險極大。由于海上風場運行環境和風場難于進入等因素，海上風電對風電機組的可靠性和技術條件要求更為嚴格。相比陸上風電，海上風電機組安裝于風—海浪—洋流耦合環境下，載荷工況更為復雜、防腐要求更高；而且不同海域，如北方海域的浮冰、南方海域的臺風等惡劣氣候不盡相同，使海上機組的設計技術更為復雜。國內企業僅經過短時間的發展，在未完全掌握陸上風電機組核心技術的情況下，就倉促進入海上風電領域，可能會付出慘重的代價。

2.2并網和消納困難

由于“三北”地區遠離電力負荷中心，受本地區可調節電源少、電力裝機嚴重過剩、外輸通道建設滯后、電網運行機制智能化程度低等因素影響，出現了嚴重的“棄風限電”問題。2015年，風電棄風限電形勢加劇，全年棄風電量達339億kWh，同比增加213億kWh；平均棄風率為15%，同比增加7%。從統計來看，2011～2015年我國棄風電量累計損失達到959億kWh，而三峽、葛洲壩兩座水電站在2015年的發電量一共是1048億kWh。

自從2010年棄風限電問題大規模出現以來，一直與我國風電產業的蓬勃發展如影隨形，并呈現愈演愈烈之勢，不斷侵蝕著風電產業的發展成果。棄風限電，既讓風電企業背負上沉重的資金壓力，限制了企業的科研投入及行業的長遠發展后勁，限制了風電產業和技術的健康持續發展，也增加了為實現建設“兩型社會”等戰略目標及兌現碳減排國際承諾的難度。

3　技術發展趨勢

為應對能源發展面臨的挑戰，我國政府已向國際社會承諾，到2020年單位國內生產總值CO2排放比2005年下降40%～45%，非化石能源占一次能源消費的比重達到15%左右；到2030年左右，CO2排放達到峰值且將努力早日達峰，非化石能源占一次能源消費比重提高到20%左右。越來越嚴格、甚至苛刻的全球氣候變化目標的提出，為中國進一步節能減排、努力發展新能源提出了更為緊迫的要求。在風電發展方面，我國將繼續落實陸上大型基地建設、陸上分散式并網開發和海上風電基地建設3條風電規劃路徑；結合《中國可再生能源發展路線圖2050》，2020年風電裝機總量將達2億kW[4]。隨著風電裝機容量的持續增大，風電機組單機容量大型化研制技術、海上風電技術、大規模風電并網技術等將成為行業發展的主要研究方向。

3.1風電機組技術

隨著我國風電市場的擴大，我國風電設備制造產業的發展速度超過了預期，在企業產能及企業數量短時期內膨脹的同時，出現嚴重的同質化競爭，以及重數量擴張輕產業升級的趨勢。為規范風電設備產業發展，國家也密集出臺了有關政策要求。對風電設備制造企業而言，必須加強從自主創新、重質量、重服務等方面著手，不斷促進風電經濟性的改善及產品可靠性的提升。因而在“十三五”期間，風能產業的發展從重產能、重市場擴張等創業階段的目標，轉向以產品技術的進一步升級為主要任務，強調不斷自主創新、提升產品質量、加強產品可靠性、降低成本等方面。

3.1.1單機容量

風電機組的成本約占風電開發總成本的70%，風能的大規模開發將有效降低風電成本，這種大規模開發要求風電機組的大型化。目前，風電機組尺寸的進一步大型化已成為風電技術的重要發展方向，并隨著海上風電開發得以加強，相關技術發展將成為未來風電技術的重要趨勢。

2015年，我國新增裝機的風電機組平均功率達到1837 kW，與2014年的1768 kW相比，增長3.9%；累計裝機的風電機組平均功率為1563 kW，同比增長4%。

2015年，我國新增風電裝機中，2 MW風電機組裝機市場份額首次超過1.5 MW機組，占全國新增裝機容量的50%。與2014年相比，1.5 MW機組市場份額下降了12%，而2 MW機組所占市場份額上升了9%；2.1～2.5 MW機組市場份額達到12%，其中主要以2.5 MW為主；2.6 ～3 MW機組市場份額達到2%。

2015年，我國累計風電裝機中，1.5 MW的風電機組仍占主導地位，占總裝機容量的56%，同比下降約5%；2 MW風電機組市場份額上升至28%，同比上升約6%。圖4 為1991～2015年我國新增和累計裝機的風電機組平均功率變化情況；圖5為2004～2015年1.5 MW和2 MW機組新增裝機容量的數據；表2 顯示了風電機組容量發展歷程及趨勢。

圖4　1991～2015年我國新增和累計裝機的風電機組平均功率

圖5　2004～2015年1.5 MW和2 MW機組新增裝機容量

表2　風電機組容量發展歷程及趨勢

目前，我國風電進入規模化發展階段，陸地風電開發穩步發展，海上風電逐步加速，風電機組的整體趨勢是單機容量的大型化。順應這一趨勢，加強基礎研究，逐步掌握大型風電機組的設計理念和科學的研究方法，開發適應我國特點的大型先進風電機組。從不同功率風電機組的研發方面考慮，開發應用3 MW以下風電機組輕量化和環境適應性技術，優化3～5 MW風電機組設計，開展5～10 MW海上風電機組設計和關鍵技術研究；2020年前，實現5 MW風電機組的商業化運行，完成5～10 MW海上風電機組樣機驗證，并對10 MW以上特大型海上風電機組完成概念設計和關鍵技術研究；2020～2030年，實現5～10 MW海上風電機組的商業化應用，完成特大型海上風電機組(10 MW以上)的樣機技術驗證。

3.1.2風電機組造價

在風電場造價中，風電機組的設備造價占比最高，風電機組的價格變化幅度也最大。在過去幾年中，風電機組的價格隨著風電市場經歷了周期性變化，但總的趨勢是下降的。2008年之前，由于風電市場急劇擴張，風電機組的產能增加趕不上風電場的擴展速度，產品供不應求，風電機組價格逐年上升；2008年以后，風電機組的供需情況出現逆轉，風電機組的產能出現過剩，價格也一路走低，但這種狀況在2012～2013年趨于平穩(如圖6所示)。目前，風電機組的價格比2008年的最高點下降了38%，到2014年，風電機組價格與2013年基本持平。長期來看，隨著風電機組技術的不斷創新和進步，風電機組的每千瓦價格將逐漸走低。

圖6　風電機組價格變化趨勢

3.1.3海上風電技術

由于陸地上經濟可開發的風資源越來越少，全球風電場建設已出現從陸地向近海發展的趨勢。與陸地風電相比，海上風電風能資源的能量效益比陸地風電場高20%～40%，還具有不占土地資源、風速高等特點，適合大規模開發。而且由于海上風能資源最豐富的東南沿海地區毗鄰用電需求大的經濟發達地區，可以實現就近消納，降低輸送成本，所以我國海上風電發展潛力巨大。

相對于陸上風電，海上風電需突破的技術問題更復雜，表3 為海上風電機組運行環境的復雜程度。海上風資源特殊性、浮動式風力機組基礎、洋流、波浪等震蕩作用形式及臺風等極端氣候所造成的復雜力學問題，以及鹽霧、潮濕的環境適應性問題，為海上風電機組設計帶來巨大挑戰。

開發海上風電技術需主要解決兩大關鍵技術內容：一是海上風電機組設計技術，二是海上風電機組支撐平臺技術。除此之外，還應解決關鍵零部件、關鍵原材料方面的問題。

1)海上風電機組設計技術。與陸上相比，海上平均風速較高，湍流水平低，風剪切較小，且風電機組的設計不受噪音限制。因此，海上風電機組有其設計特點，如風輪直徑更大、額定風速更低、輪轂高度相對降低、轉速則更高，甚至有兩葉片、單葉片的設計概念出現。對于海上風電場而言，由于海上較低的湍流水平，風電機組之間的尾流干擾也與陸上的情況不同，其尾流模型的建立和風電機組排布優化顯得更加重要。

防腐蝕設計是海上風電機組設計的重要方面。海上的高鹽霧、高濕度環境使含鹽霧的水汽很容易通過機艙縫隙進入機艙內部，對風電機組的零部件造成腐蝕。海上風電機組的主要防腐蝕方法有防腐涂裝、密封和使用耐腐蝕材料等。

由于海上風電機組的維修和維護遠比陸上風電機組困難，必須進行有針對性的可靠性和可維護性設計。可靠性設計技術包括機械系統裕度設計、電氣系統冗余設計、電氣原件降額設計、發電機冷卻方式設計、變流器可靠性增強設計、狀態監測與故障診斷技術等；可維護性設計技術包括滿足可維護性設計準則的結構設計和大部件維護專用設備研制等。

此外，臺風對我國東南沿海的影響頻繁且廣泛，其對海上風電場的破壞力很大，可能造成葉片斷裂、塔筒折斷、機艙罩傾覆等重大損失。為了抵御臺風的破壞，對臺風路徑海域的海上風電機組還必須進行增強設計，并且優化臺風期間的控制策略。

2)海上風電支撐平臺技術。與陸上風電機組相比，海上風電機組首先在支撐形式方面有很大不同。海上風電機組主要采用重力混凝土式、樁式和漂浮式3大類支撐結構。

海上風電機組除了具有陸上風電機組的非定常氣動和氣動彈性等共性問題外，其海上運轉環境還帶來其特有的力學問題。與海上石油平臺等不同，風電機組高聳的固定式支撐結構傾覆力矩巨大，再加上地基沖刷與海床液化等，使得這種流-固-土耦合機理的揭示和特性分析亟待解決。此外，我國海床地質條件特殊，大陸架淤沙厚度達幾十到幾百米。近海風電機組基礎依靠沙土摩擦力承載和抗拔，為風電機組基礎的安全性設計帶來極大挑戰，國內外對此還缺乏研究。

漂浮式海上風電機組將是深海風能利用的主要方式。相對固定式風電機組，漂浮式風電機組增加了浮式基礎和錨泊系統，其載荷條件和動力學響應更為復雜。海上風電機組運動和風、浪、流等是相互作用相互耦合的，惡劣海況下海上風電機組將處于大幅度運動中，旋轉風輪又對塔架和漂浮結構的運動產生極大影響。這種運動是一種多自由度(甚至是超過10個自由度)的運動。海上風電機組系統是一個極其復雜的氣動-氣動彈性-水動載荷與結構響應的多學科耦合問題，惡劣海況下甚至會造成結構的迅速破壞。

3)關鍵零部件。隨著風電機組容量不斷增加，根據風電機組研制需求，應大力加強葉片技術、傳動鏈技術、控制系統技術和大容量變流器技術的研發和產品研制。在零部件供應鏈上著力做好以下工作：一是調整零部件生產企業的投資結構，加大對緊缺關鍵零部件如主軸軸承、變流器等產品研發的投入，逐步提升零部件的自給能力；二是建立零部件生產與風電系統技術進步的銜接機制，提高零部件企業自身適應研發技術更新的能力；三是加強零部件生產過程的質量控制，構建合格的零部件供應體系。

隨著風電機組尺寸的增大，葉片將越來越長。在確保葉片大型化的同時，如何優化載荷、減輕重量、提升環境適應性、友好性和運輸便利性將成為未來10年內葉片技術發展的主要方向。為此，應大力研發風電機組葉片的監測控制技術、新型結構、碳纖維和高模高強玻璃纖維等新型材料，采用可回收利用的熱塑性葉片樹脂基體等新材料、新工藝很可能成為風電葉片技術的發展方向之一。

目前齒輪箱的結構基本采用國外技術，對功率分流方式、均載形式等關鍵技術缺乏深入研究和成熟經驗。因此，未來10年需加強以上方面的研究，爭取在降低增速比、行星輪均載柔性軸設計和降低噪聲方面實現技術突破。采用軸承新結構、新材料、新工藝，以解決軸承壽命、承載能力、可靠性等問題。

風電機組發電機技術的主要方向是改善并網性能、降低重量。隨著全功率變換技術的進步和成本的下降，更廣泛地應用通過全功率逆變器并網的發電機。隨著超導材料在技術和成本方面取得突破，未來我國可能在10 MW及以上的風電機組發電機中應用高溫超導技術。從目前的趨勢看，3～5 MW風電機組將采用中壓發電機，而更高兆瓦級的風電機組將普遍采用高壓發電機，風電機組容量的增長要求變流器的功率密度不斷增加，同時各種風場環境也要求系統有很高的可靠性和方便的維護性，需要采用功率等級更高的半導體器件和模塊。

隨著直驅風電機組的大型、超大型化，需要考慮發電機和變流器的統一優化設計，進一步提高電傳動系統的功率密度和效率。目前塔架高度普遍為60～80 m，未來大型風電機組的塔架高度將有可能繼續增長，從而增加發電量收益。塔架在進一步加高的過程中，需要重新進行更為復雜系統的載荷計算，同時也要考慮其他可行的解決方案。此外，隨著海上風電開發的進行，位于潮間帶及近海風電場的機組塔架的防腐性能將會受到更大考驗。需針對未來海上風電建設方向和條件，完善風電塔架和基礎防腐技術方案，延長使用壽命，達到20年以上的設計要求。

4)關鍵原材料。風電機組生產所需的原材料包括鋼、鋁、銅、混凝土、玻璃纖維、碳纖維、環氧樹脂、永磁材料等。相關研究和數據顯示，鋼材用量約占機組總重量的90%，可以判斷未來很長一段時期，我國的鋼材產量能夠支撐風電產業的發展。碳纖維復合材料代表了未來葉片材料的主要發展方向，隨著風電機組葉片的大型化和輕量化，未來風電葉片的生產將更多地使用碳纖維。因此，要根據各階段風電葉片技術及產業的發展需求，著力加大研發力度，加快碳纖維的生產供應能力。永磁材料需求將隨著直驅風電機組市場規模的擴大而快速增加。以目前中國已探明的稀土資源儲量和產量增長趨勢來判斷，保證未來風電產業所需的永磁材料供應充足，但成本可能會持續上漲。這3類材料的供應應得到更多關注。

3.2風電并網和消納方面的技術

中國風電開發具有“大規模、高集中、遠距離”的顯著特點。大型風電基地所在地區負荷水平較低、電力系統規模較小、風電就地消納能力十分有限，不能滿足風電開發的要求，一些地區限制風電出力的情況嚴重，電網消納和送出能力與發電量無法平衡，“棄風”情況比較嚴重。風電開發應根據靈活高效接入、調度、輸送和消納大規模風電的要求，結合電力系統運行管理和電力體制機制的改革創新，按照能源轉型和構建風電與電力系統協調發展的總體要求，大力開發應用“電網友好型”風電并網技術、風電場功率預測預報技術、優化調度技術、遠距離輸電技術和大容量儲能技術。

1)“電網友好型”風電并網技術。2020年前，開發應用“電網友好型”風力發電并網技術，通過對風電機組實施技術規范、并網檢測和型式認證等措施，使風電機組/風電場普遍具備更加良好的電網適應能力，包括(基于功率預測的)有功功率變化率控制、無功功率調節、低電壓穿越(LVRT)能力、頻率調節和抗干擾能力等，配置合理的二次系統、相關控制系統，使風電場具備可測、可控、可調的能力，實現風電與電網及其他常規電源的協調發展。

2)風電場功率預測預報技術。隨著風電裝機容量的增加，風電場功率預測將成為電力系統不可或缺的組成部分。研究部署風電功率預測預報技術，提高超短期和短期風電功率預測的精度，為電力系統的經濟調度運行提供更精確的服務，以促進最大限度地接收風電量。2020年前，研發和應用的重點是充分運用各種成熟的統計預報技術，重點開發應用研發陸地風電場的超短期預報(4 h以內)和短期預報(48 h以內)系統。組織電網調度機構、氣象部門、風電場共同建立集中式與分散式相結合的風電場功率預測業務體系。2020～2030年，繼續提高風電場功率預測預報精度，研發應用月、季、年尺度的中長期風電功率預測技術，完善海洋風電預測預報服務體系，建立滿足各類、各時段需求的風電場功率中長期預報業務體系。到2030年以后，風電場功率預測預報技術全面普及應用，使風電場功率預測預報成為智能調度體系的重要支撐。

3)風電接入和遠距離輸電技術。風電的大規模集中開發和遠距離輸送，特別是海上風電場的輸電方式，除采用傳統的交流輸電方式、繼續完善電網設施和運行技術外，逐步更多采用柔性直流、高壓直流、超導和低頻輸電等新型輸電方式。2020年前，加快普及應用動態無功補償、串補/可控串補、可控高抗、自動電壓控制(AVC)等先進技術，提升風電外送能力、提高安全穩定水平。對海上風電場，近期可采用適合小容量、近距離海上風電場的交流傳輸并網方式。隨著逐步建設額定容量達到幾十萬kW且離岸距離較遠時的大型海上風電場，加快開發應用柔性直流輸電技術。2020年后，有效解決現有特高壓輸電工程的制約因素，發揮最大效率和經濟性優勢，使特高壓輸電逐步成為風電大規模開發的有力保障。在2030年后，爭取實現超導電力技術在風電接入和輸送領域的應用。

4)電網優化調度技術。電網優化調度控制技術是電力系統建設的重要部分，對提高資源優化配置能力具有重要作用。風電等波動性可再生能源的大規模開發對發展智能調度技術提出了更高要求。應加強風電場風電機組的運行統計和分析工作，準確掌握風電運行特點，積極開展風電調度技術和策略研究，不斷提高風電調度精細化水平。結合智能電網技術的開發應用，未來電網調度控制技術將向一體化分布協調控制、智能分析控制、經濟優化控制等方向發展。2020年前，基本建立風電機組/風電場之間互聯互通的數據收集和調度控制體系，建立風電場集中預測、控制與調度中心，實現風電優先高效調度的自動化。到 2030年，隨著智能電網建設初具規模，實現一體化分布協調控制關鍵技術，控制范圍覆蓋和環節擴大到完整電力系統，實現風電調度的智能化，顯著提高大規模波動性電源和整個電力系統的運行控制能力，實現風電等新能源發電的靈活高效接入、輸送與消納。

5)大容量儲能技術。在電力系統中引入大容量儲能裝置，不僅可以有效減小風電對系統的沖擊和影響，提高風電出力與預測的一致性，保障電源電力供應的可信度，還可降低電力系統的備用容量需求，提高電力系統運行的經濟性，同時提高電力系統接納風電的能力。應重視和發揮儲能系統的多種功能，科學選擇、規劃、使用儲能系統，在負荷側和電源側均引入儲能系統。儲能技術中，抽水蓄能應用最廣泛，化學電池儲能技術進步最快，應優先發展液流電池和鋰電池技術。

2020年以前，大規模儲能主要依靠抽水蓄能；2020年以后，實現電池儲能的規模化集成技術瓶頸的突破和成本下降，開始規模化應用，其中液流、鋰離子、鈉硫電池具有規模化應用前景。預計到2020年，以鋰離子電池、鈉硫電池、液流電池為代表的大容量化學儲能裝置容量達到數十MW甚至數百MW，轉換效率達到90%，將在集中式調峰、調頻、應急，以及分布式負荷管理領域得到廣泛應用。2030年，化學儲能、壓縮空氣儲能系統在經濟性方面和抽水蓄能機組相當，有望與其共同實現規模化應用。

4　結語

綜上所述，我國風電技術在近10年間取得了顯著的進步，風電裝機容量和產能均位居世界首位，成為風電產業大國。但是，我國還不是風電技術強國，目前我國風電機組存在運行效率低、故障率高、可靠性差等問題，致使風能的實際利用率、風場盈利能力與預期還有很大差距。究其原因，一方面是因為國內在大型風電機組研究方面的起步較晚，目前仍處于技術跟蹤階段；另一方面是國內過于重視產業化，對基礎性研究投入不夠，缺乏穩定持續的研究隊伍，產品的可靠性還不能達到較好的水平。

為了使我國風電產業擺脫對國外技術引進的長期依賴，促進我國風電產業可持續發展，真正掌握核心的陸上和海上大型風電機組設計與研發的關鍵技術成為我們必須盡快解決的關鍵任務，也是我國由風電大國走向風電強國的必由之路。因此，必須著力提高風電技術的原始創新能力，真正形成風電技術的自主創新體系。

總之，風電是一個前景廣闊的事業，風力發電技術仍需要不斷發展升級，我國已成為世界風電行業的重要部分，我們仍需繼續努力，為實現風電中國夢而不懈奮斗。

[1] 中國可再生能源學會風能專業委員會. 2015年中國風電裝機容量統計簡報[EB/OL].http://www.cnenergy.org/xny_183/ fd/201604/t20160405_276532.html, 2016-04-05.

[2] 國家可再生能源中心. 中國可再生能源產業發展報告2015[M]. 北京:中國經濟出版社，2015.

[3] 李俊峰. 2012中國風電發展報告[M].北京:中國環境科學出版社, 2012.

[4] 國家發展和改革委員會能源研究所. 中國風電設備制造業產業化發展研究報告2008[R]. 北京, 2008.

2016-04-10

宋筱文(1984—)，男，本科、工程師，主要從事風力發電總體設計技術方面的研究。song_xiaowen@163.com