我国大型风电机组技术发展情况

中国农业机械化科学研究院 ■ 沈德昌

截至2013年底，国内约30家大型风电机组整机制造企业已向国内外风电市场提供了合格的大型风电机组整机产品。2013年在我国风电场建设中，国产风电机组的市场占有率达到94%，大幅超过外资企业。其中，在国内新增总装机占比中，金风科技的份额最大，占23.31%；联合动力第二，占9.25%；广东明阳第三，占7.99%。通过对我国大型风电机组发展情况的分析，归纳出我国大型风电机组技术主要呈现如下特点。

1 水平轴风电机组是主流

水平轴风电机组的应用已近100年。由于水平轴风电机组的风轮具有风能转换效率高、传动轴较短、控制和制动技术成熟、制造成本较低、并网技术可靠等优点，近年来大型并网水平轴风电机组得到快速发展，使大型双馈式和直驱永磁式等水平轴风电机组成为国内大型风电场建设所需的主流机型，并在国内风电场建设中占到100%的市场份额。

2 垂直轴风电机组有所发展

大型垂直轴风电机组因具有全风向对风、变速装置及发电机可置于风轮下方或地面等优点。近年来相关研究和开发也在不断进行并取得一定进展，单机试验示范正在进行，在美国已有大型垂直轴风电机组在风电场运行，但在我国还无垂直轴风电机组产品在风电场成功应用的先例。

3 风电机组单机容量持续增大

近年来，国内风电市场中风电机组的单机容量持续增大，2012年新安装机组的平均单机容量达1.65 MW， 2013年为1.73 MW。2013年我国风电场安装的最大风电机组为6 MW。

随着单机容量不断增大和利用效率的提高，国内主流机型已从2005年的750～850 kW增加到2014年的1.5～2.5 MW。

近年来，海上风电场的开发进一步加快了大容量风电机组的发展。我国华锐风电的3 MW海上风电机组已在海上风电场批量应用。3.6、4、5、5.5、6和6.5 MW的海上风电机组已陆续下线或投入试运行。目前，华锐、金风、联合动力、湖南湘电、重庆海装、东方汽轮机、广东明阳和太原重工等公司都已研制出5～6.5 MW的大容量海上风电机组产品。

4 变桨变速功率调节技术得到全面应用

由于变桨距功率调节方式具有载荷控制平稳、安全高效等优点，近年在大型风电机组上得到广泛应用。结合变桨距技术的应用及电力电子技术的发展，大多数风电机组制造厂商采用了变速恒频技术，并开发出变桨变速风电机组，在风能转换效率上有了进一步完善和提高。从2012年起，国内定桨距并网风电机组已停止生产，在全国安装的风电机组全部采用了变桨变速恒频技术。2 MW以上的风电机组大多采用3个独立的电控调桨机构，通过3组变速电机和减速箱对桨叶分别进行闭环控制。

5 双馈异步发电技术仍占主导地位

外资企业如丹麦Vestas公司、西班牙Gamesa公司、美国GE风能公司、印度Suzlon公司及德国Nordex公司等，都在生产双馈异步发电型变速风电机组。

我国内资企业如国电联合动力、广东明阳、华锐风电、东方气轮机、上海电气、远景能源、重庆海装、浙江运达和浙江华仪等骨干企业也在批量生产双馈式变速恒频风电机组。2013年我国新增风电机组中，双馈异步发电型变速风电机组的比例约占69%。目前，我国华锐风电研发的3 MW双馈异步发电型变速恒频风电机组已在海上风电场批量应用，6 MW的该类型风电机组已试运行；国电联合动力6 MW的该类型风电机组已安装试验。

6 直驱式、全功率变流技术得到迅速发展

无齿轮箱的直驱方式能有效减少由于齿轮箱问题而造成的机组故障，可有效提高系统运行的可靠性和寿命，减少风电场维护成本，因而逐步得到市场青睐。我国新疆金风科技有限公司与德国Vensys公司合作研制的1.5 MW直驱式风电机组，已有上千台在风电场安装。金风科技有限公司研制的2.5 MW直驱式风电机组已批量投放国内外市场。

金风科技在2011、2012和2013年连续3年成为我国风电市场的第一大供应商。同时，我国湘电公司的2 MW直驱风电机组也已大批量进入市场，5 MW该类型风电机组也已安装运行。最近北车风电公司也向国内市场推出3 MW直驱永磁风电机组。其他如华创风能、东方电气、广西银河艾迈迪、航天万源、潍坊瑞其能、包头汇全稀土、江西麦德公司、山东鲁能等制造企业也研制了直驱永磁风电机组。2013年我国风电场新增大型风电机组中，直驱永磁式风电机组约占31%。

7 各种全功率变流风电机组得到应用

随着直驱永磁式风电机组的增多及高速齿轮箱配高速永磁风电机组的出现，全功率变流技术得到了广泛发展和应用。应用全功率变流的并网技术，使风轮和发电机的调速范围扩展到0～150%的额定转速，全功率变流技术对低电压穿越简单先进的解决方案可提高机组的风能利用范围。

近年由于全功率变流技术的成熟，部分企业选择了由齿轮箱驱动同步发电机或鼠笼发电机搭配全功率变流器的传动链形式。主要分为两类：一类是在1 MW以下的机组中采用通过齿轮箱驱动电励磁同步电机搭配全功率变流器的形式，如重庆海装与久和能源的850 kW机组，以及航天万源的900 kW机组；另外一类是在2.5 MW以上的机组中采用通过齿轮箱驱动永磁同步发电机或鼠笼发电机搭配全功率变流器的形式，比如金风的3 MW机组、明阳的3 MW超紧凑机组和南车的2.5 MW机组，国际厂商的机型如Vestas公司的V112、西门子公司的SWT-3.6-120和Gamesa公司的G10X-4.5等风电机组。上述全功率变流风电机组也代表了今后的发展趋势。

8 低风速地区风电设备研发取得进展

针对我国大多数地区处于低风速区的实际情况，国内企业通过技术创新研发出有针对性的风电机组产品及解决方案，最明显特征是风轮叶片更长、塔架更高、捕获风能资源更多。以1.5 MW风电机组为例，2012年新增机组中，超60%为风轮直径86 m及以上的风电机组，有的1.5 MW机组甚至采用了直径为93 m以上的风轮，例如国电联合动力推出了直径为96 m的1.5 MW机组。国内提供1.5 MW风电机组的30余家企业中，已有10多家具备直径为90 m以上风轮机型的供应能力。近期，丹麦Vestas公司向中国市场推出风轮直径为110 m的V110-2.0 MW风电机组。为适应低风速区的需要，金风公司2 MW低速风电机组的风轮直径达到115 m，而2.5 MW低速风电机组的风轮直径甚至达到121 m。这些低速风电机组在我国南部省份的分散式风电场中发挥了较好的作用。

9 大型风电机组关键部件的性能日益提高

我国在大型风电机组关键部件方面也取得明显进步。其中，南京高速齿轮箱厂、重庆齿轮箱厂、大连重工减速机厂、杭州前进齿轮箱厂和德阳二重等主要齿轮箱制造企业，以及中材科技、连云港中复连众、保定惠腾等叶片制造企业的供货能力都很充足，质量已有明显提高；国内已能生产长达48.8 m 与3 MW风电机组配套的大尺寸叶片，长度超过70 m与6 MW风电机组配套的叶片也已下线；永济电机厂、兰州电机厂生产的发电机等产品批量大，质量有很大提高。从2013年上海第七届风能展的情况看，我国已形成风电设备的产业链，为今后的快速发展奠定了稳固的基础。我国在某些基础结构件、铸锻件等领域已具有优势，不仅能满足国内市场需求，而且已向国际市场供货。

北京科诺伟业能源科技有限公司、深圳禾旺电气、合肥阳光电源有限公司、北京清能华福风电技术有限公司、天津瑞能电气、金风天诚科创、龙源电气、九州电气等10多家企业已具备MW级风电机组变流器的研发、生产和供货能力。

10 叶片技术发展情况

随着风电机组尺寸的增大，叶片的长度也变得更长，为了使叶片的尖部不与塔架相碰，设计的主要思路是增加叶片的刚度。为了减少重力和保持频率，则需降低叶片的重量。好的疲劳特性和减振结构有助于保证叶片长期的工作寿命。

额外的叶片状况检测设备将被开发并安装在风电机组上，以便在叶片结构中的裂纹发展成致命损坏前或风电机组整机损坏前警示操作者。对于陆上风电机组来说，不久以后，这种检测设备就会成为必备品。

为了增加叶片的刚度并防止它由于弯曲而碰到塔架，在长度大于50 m的叶片上将广泛使用强化碳纤维材料。

为了方便MW级叶片的道路运输，某些公司已研究将叶片制作成两段的技术。例如使叶片由内、外两段叶片组成，靠近叶根的内段由钢制造，外包玻璃钢壳体形成气动形状表面。

2014年11月，中材科技(阜宁)风电叶片有限公司出产首支最长77.7 m大型海上风电叶片正式下线，叶片重28.8 t，是亚洲自主制造的首支最长叶片，也是世界第三长叶片；原型叶片将配套金风160/6.0 MW风电机组，扫风面积达20106 m2，相当于3个标准足球场面积，一次性顺利通过GL监督的叶片静力试验验证。

2014年，德国EUROS公司已为日本7 MW海上风电机组完成了长81.6 m的叶片测试。

11 风电场建设和运营的技术水平日益提高

随着投资者对风电场建设前期的评估工作和建成后运行质量越来越高的要求，国外已针对风资源的测试与评估开发出了许多先进测试设备和评估软件。在风电场选址方面已开发了商业化的应用软件；在风电机组布局及电力输配电系统的设计上也开发出了成熟软件。近来，我国还对风电机组和风电场的短期及长期发电量预测开展研究，取得了进步，预测精确度可达90%。

12 恶劣气候环境下风电机组的可靠性受到重视

由于我国北方具有沙尘暴、低温、冰雪、雷暴，东南沿海具有台风、盐雾，西南地区具有高海拔等恶劣气候特点，使风电机组受恶劣气候环境的影响很大，包括增加维护工作量，减少发电量，严重时还导致风电机组损坏。因此，在风电机组设计和运行时，必须具有一定的防范措施，以提高风电机组抵抗恶劣气候环境的能力，减少损失。因此，近年来我国的风电机组研发单位在防风沙、抗低温、防雷击、抗台风、防盐雾等方面着手开发了适应恶劣气候环境的风电机组，以确保风电机组在恶劣气候条件下的风电场能可靠运行，提高发电量。

13 低电压穿越技术得到应用

随着风电机组单机容量的不断增大和风电场规模的不断扩大，风电机组与电网间的相互影响已日趋严重。若电网发生故障迫使大面积风电机组因自身保护而脱网，将严重影响电力系统的运行稳定性。因此，随着接入电网的风力发电机容量不断增加，电网对其要求越来越高，通常情况下要求发电机组在电网故障出现电压跌落的情况下不脱网运行，并在故障切除后能尽快帮助电力系统恢复并稳定运行，也就是说，要求风电机组具有一定低电压穿越能力。

随着风力发电装机容量不断增大，我国的电网系统运行导则对风电机组的低电压穿越能力做出了规定。目前，我国的MW级风电机组在电网电压跌落情况下，能采取相应应对措施，确保风电系统安全运行并实现低电压穿越。目前，我国已有30多家企业的风电机组产品具备了低电压穿越性能，约有30多种机型通过了中国电力科学院的低电压穿越性能试验。

14 海上风电技术成为重要发展方向

在我国，随着海上风电场规划规模的不断扩大，各主要风电机组整机制造厂都积极投入大功率海上风电机组的研制工作。华锐率先推出3 MW海上风电机组，并在上海东海大桥海上风电场批量投入并网运行。华锐公司江苏盐城海上风电机组研发基地制造的6 MW海上风电机组，已于2011年10月在江苏射阳县临港产业区完成首台机组的吊装。金风公司在江苏大丰县建设的海上风电机组研发基地研制的6 MW直驱式海上风电机组已下线。湖南湘电收购了荷兰达尔文公司，合作研发的5 MW海上直驱永磁风电机组已投入试运行。重庆海装在国家科技部支持下，成立了“海上风力发电工程技术研发中心”，形成了全套产业链的整合，完成了5 MW海上风电机组的研发。国电联合动力研制的6 MW海上风电机组已安装试运行。2014年11月，明阳风电大容量SCD 6.5 MW 超紧凑海上风电机组在江苏如东国家实验风电场吊装成功；上海电气－西门子4 MW海上风电机组下线。与此同时，远景能源4 MW、东方汽轮机5.5 MW、太原重工5 MW海上风电机组等也先后研制成功。株洲南车已着手研制6 MW直驱永磁同步风力发电机组。

到2020年底，全国规划建设总容量达3000万kW的海上风电场。蓬勃崛起的海上风电场建设是未来风能技术更新发展的驱动力，这一发展趋势已不可逆转。