我国风电发展中存在的问题及未来发展模式探讨

雷 栋，摆念宗

(中国大唐集团科学技术研究院有限公司西北电力试验研究院，陕西 西安 710021)

随着生态环境的恶化和化石能源的日益枯竭，全球能源结构正在发生重大变革，世界各国都在大力推进能源的转型[1-2]。全球能源转型的基本趋势是实现化石能源体系向低碳能源体系的转变，最终进入以可再生能源为主的可持续能源时代。面对国际能源格局和国内能源结构形势，我国提出了能源革命发展战略，大力推进能源转型。

在能源革命新形势下，清洁能源的发展对于推进能源革命极其重要。大力发展清洁能源，大幅增加生产供应，是优化能源结构、实现绿色发展的必由之路。到2030年，我国非化石能源占能源消费比重要达到20%，新增能源需求主要依靠清洁能源满足。风电作为最主要的清洁能源之一，需要结合大数据、互联网、云计算等信息技术，创新发展模式，大力促进我国能源革命，为构建现代能源体系发挥重要作用。

1 风电发展现状

近年来，随着风电技术水平的不断提高，世界各国风电装机容量迅速增长，图1所示为近年来全球风电的装机容量。截止2017年底，全球风电累计装机容量已达539.1 GW。其中，中国、美国、德国装机容量分别位居前三。虽然近年来新增装机容量有所下降，但风电行业依然处于高速发展阶段。到2020年，预计全球累计风电装机容量达840 GW。

图1 全球历年风电装机容量

近年来我国风电发展呈现高速发展趋势，图2所示为我国近年来的风电装机容量。截止2017年底，我国累计风电装机容量已达188.4 GW，占全球风电总装机容量的35%。受风电开发资源减少、政府限制审批等因素影响，2017年风电新增装机19.66 GW，同比下降15.9%，但是新增容量仍然位居全球第一，占全球新增风电容量的37%。

图2 我国历年风电装机容量

随着风电的迅速发展，我国风电技术水平也不断提升。风机单机容量不断增加，风机机型种类多样，低风速风机技术不断进步，风机控制技术不断提高，风电场集控中心、大数据平台、故障诊断技术等不断应用， 这些都大大促进了我国风电行业的健康发展，为我国清洁能源的发展提供了持续的动力。虽然取得了骄人的成绩，但是我国风电产业在发展过程中也暴露出一些问题，风电开发模式粗放、风电设备可靠性差、风电场运维管理水平差、风电技术研发能力弱等，都给风电行业的健康发展带来诸多挑战。

2 风电发展中存在的问题

经过20多年的发展，我国风电行业已经积累了相当丰富的经验，但仍然存在很多问题。

1)开发模式粗放。由于国际形势和国内政策的支持，我国风电近些年的开发模式都是以“大规模、集中式”为主。各个发电企业为了抢夺资源，风电开发都采取了“大干快上”的方式。这种粗放的开发模式，表面上显著增加了风电装机容量，但实际缺乏科学合理的规划布局，导致风电场后期运维问题不断、设备故障频发，浪费了良好的风能资源。

2)风资源勘查不科学。风电场选址的最基本条件是要有能量密度高、风向稳定的风能资源，具体风电场内风机的选址还应根据风资源评估参数、风电场宏观选址和微观选址等考量。因此，风电场选址对于风电场的建设是至关重要的[3]。而我国风电开发中，存在严重的风资源勘察不科学、不准确、盲目性等特点。具体问题包括测风塔数量不足、测风塔代表性不足、测风数据不可靠、测风塔维护不到位、测风数据丢失、复杂地形勘查不到位、风机选型不合理等。山西某风电场由于微观选址不合理，部分机位发电量差，最终选择重新进行风机机位优化。

3)风电优化设计水平参差不齐。由于风电的大规模开发，风电场设计需求急剧增加，传统的大型设计院和一些小型设计机构都涌入风电行业。一方面，由于人员配置不足、任务繁重，设计院的设计水平难以提高，设计方案缺乏个性化；另一方面，一些设计院本身缺乏经验，设计水平有限。这导致风电设计出现风资源评估水平不高、风机选型技术落后、选型和风资源不匹配、部分微观选址流于形式、山区丘陵风电设计粗糙、风电消纳和送出工程缺乏研究等各类问题。国内风电项目呈现了许多问题案例，如风资源评估结果与实际差别大、机位点布置在当地敏感区或保护区、风机选型频繁变更机型等。

4)发电设备可靠性有待提高。近年来我国风电装备制造产业发展迅速，但风电设备可靠性技术水平仍有待提升。变桨系统故障、通讯系统故障、变频器故障、液压系统故障、大部件损坏、传动链失效等，都严重影响风电机组的正常运行和发电水平。通过对一些风电企业安全生产情况的排查，发现新能源企业存在较高的现场风险，包括湍流影响、基础质量隐患、安全链隐患、主控系统、覆冰、化学腐蚀、风机消防隐患、齿轮箱质量及润滑隐患、发电能力低等问题，具体统计如图3所示。

图3 风电设备严重问题数量统计

5)风电核心技术水平薄弱。经过多年的探索和发展，我国基本掌握了大容量风电机组的制造技术，风机叶片、齿轮箱、发电机等部件均已实现国产化，同时具备一定的自主研发能力。但是，在风机核心技术方面，如风机主控系统、叶片翼型设计等仍然依赖国外生产厂家，基础研发能力依然薄弱。目前，风机控制系统PLC主要采用的Bachmann、ABB、Mita、Beckhoff、SSB、DEIF均为为国外生产厂家，风机叶片也主要依赖国外的翼型设计，整机设计、关键零部件设计等仍是风电产业发展的最大瓶颈。

另外，风电开发企业和设备制造企业之间也存在技术壁垒。整机制造企业普遍存在对业主的技术封锁，通信协议、控制权限、后台数据等均未对业主开放。因此，业主很难利用运行数据对风机进行进一步优化改造。同时，对于整机制造商而言，也难以轻易获得风机的相关运行数据，从而对风机进行优化设计。

6)风电场信息化市场混乱。随着大数据、互联网、云计算等信息技术的发展，信息化也成为风电行业的研究热点。集控中心、生产管理平台、远程诊断系统等，均成为各个企业争相开展的业务亮点。然而，由于缺乏统一的标准规范和架构体系，风电信息化市场目前处于鱼龙混杂的状态。目前，各个发电企业都开发了信息化平台，但普遍缺少顶层设计。很多集控中心缺少统一的体系架构，集团级集控、区域集控、省级集控由于供应厂商不同，平台架构和功能划分等均不一样，难以实现互联互通。目前，大多数风电场集控中心主要用于数据的远程监测，一定程度减少了现场运行人员的数量，实现了“少人值守”的目标。但这离真正实现风电场的智能化和“无人值守”目标还有很大的差距。

7)风电场运维管理水平落后。相比于火电厂的标准化管理模式，目前国内风电场的运维管理水平普遍较低。除了运维人员少、检修消缺任务重等原因，工程遗留问题多、技术资料缺乏、人员技术水平有限、故障处理不当、定期工作不到位等，都会导致现场运维管理水平降低。

8)风电后服务水平差。随着出质保期的风电场越来越多，风电场的后服务是未来风电产业的一个巨大市场。目前，多数风电场采取“质保期厂家运维，质保后外委运维”的模式。部分风机厂家由于熟练运维人员缺乏，因此缩短新进人员培训周期，导致现场风机维护水平下降。有的风机厂家将运维工作外委给第三方运维公司，但由于缺乏对机型的掌握程度，运维水平也有待提高。目前也有部分发电企业培养自己的运维检修人员，以便自己维护设备提高发电水平。

9)风电弃风限电问题依然存在。一直以来，弃风限电都是制约我国风电行业健康发展的一大难题。图4所示为2017年和2018年全国风电限电地区的弃风率[4-5]。2017年全国平均弃风率12%，2018年全国平均弃风率7%，弃风率同比下降5%。整体限电率出现显著下降，但是新疆(29%，22.9%)、甘肃(33%，19%)、内蒙古(15%，10.3%)的限电情况依然严峻。同时，原来无弃风的贵州和山东，2018年也出现了不同程度的弃风限电情况。

图4 全国风电限电地区弃风率

3 风电未来发展模式

随着能源革命的深入开展，新能源将成为能源革命的主战场，风电也将担当重要角色。面对发展中存在的诸多问题，风电必须创新发展理念，积极应对未来“新”电力系统挑战[6]。

1)风电开发“精细化”。随着风能资源和土地资源的日益稀缺，分布式风电得到迅速发展，风电开发模式逐渐转向“精细化”。风电前期精细化，保证有足够数量的测风塔和有效的测风数据，充分论证风资源水平，细化微观选址和风机选型，充分比对不同机型优劣，选择最优机型和机位点；建设施工精细化，严格管控工程质量，杜绝遗留问题；风电场运维精细化，充分借助大数据、人工智能等信息化手段，准确掌握设备状态，制定措施，提高发电水平。目前，已有企业对在役风电场进行二次开发，精细化设计，加密风机排布。

2)风电开发“分散化”。能源的分散化和就地消纳，是能源发展长期的主题[7]。2017年6月，国家能源局发布《关于加快推进分散式接入风电项目建设有关要求的通知》，要求加快推动分散式风电开发，风电开发布局快速向中东部和南部转移。近几年，大叶片、高塔筒技术不断提升，针对未来低风速领域的巨大市场，设备厂家纷纷推出新的机型，满足低风速区风电场的需求。随着低风速风机技术不断取得进步，分散化、低风速将逐渐成为陆上风电发展的趋势。

3)风电开发“海洋化”。我国海上风能资源丰富，具有巨大的开发前景。海上风电项目一般分为滩涂、近海以及深海风电场。目前我国海上风电实质开发的区域仍主要集中在滩涂及近海风电区域[8]。与陆上风电不同，海上风电紧邻电力负荷中心，消纳前景非常广阔。经过多年的稳步发展，我国海上风电目前已进入大规模开发阶段。截至2018年11月底，我国海上风电累计装机已达360万kW，核准容量超过1 700万kW，在建约600万kW[9]，海上风电发展十分迅速。

目前，海上风电还存在一系列问题[9-10]，风资源评价基础工作较弱、建设成本高、建设周期长、施工难度大、运维困难、标准体系不完善等。海上风电未来发展中，需要吸取陆上风电的经验教训，因地制宜，合理有序开发；同时，针对目前存在的问题，加快海上风电成本下降，研究风电机组大型化技术，推进近海规模化和深远海示范化发展[9]，实现海上风电的健康持续发展。

4)风电核心技术“国产化”。目前，风电设备一些核心技术和部件仍然依靠进口，如风电控制系统PLC、风机叶片设计、润滑油脂等。大力开展技术研发，推进核心技术国产化，才能激发技术创新和产品创新。而作为风电开发企业，也应当努力掌握风电设备关键技术，为风电场的运行维护、技术改造、提质增效提供有力支撑。

5)风电场“智能化”。智能化是能源发展未来的趋势。风电场智能化，就是要推动风电与控制技术、信息技术、通信技术等的深度融合，实现风电的智能化开发、智能化运维、智能化监控以及智能化管理。2018-06-08日，工信部发布了《工业和信息化部办公厅关于组织开展2018年制造业与互联网融合发展试点示范工作的通知》，明确鼓励新能源设备上云，开展设备建模、功率预测、调度优化等服务，提高发电效率、降低运维成本，提高并网效率。

智能化风电场可以运用大数据和云平台，对风电场进行微观选址、优化设计、故障诊断、资产管理、运维管理；同时，通过建立统一的管控平台，以风电机组运行大数据为基础，结合互联网和云计算等技术，能够完成对区域内风电场的远程控制，实现风电场“无人值班、少人值守、集中监控、智能运行”的目标。随着产业体系的不断完善和技术水平的不断提高，智能化将成为未来风电发展的主要方向。

6)能源“综合化”。综合能源系统，就是整合不同形式的能源资源，满足多元化需求，实现能源的高效利用。构建综合能源系统，能够大大提高可再生能源的开发利用，同时提升传统一次能源利用效率。综合能源系统可以突破开发模式，按照用户按照用户需求、自身能力、区域特性，因地制宜，实现“模块化选择，个性化构建”。

综合能源系统的本质是多能互补。风电作为未来重要的能源供给形式，需要积极探索能源综合化利用模式，研究与其他形式能源的协调优化技术，努力构建高效的综合能源系统。

7)电力系统“绿色化”。未来电力系统将由传统的化石能源为主转变为可再生能源为主，最终构建成一个低碳的新电力系统。但由于风电、光伏等可再生能源的不确定性，电力系统将面临巨大的挑战[6]。新能源消纳能力不足，电网转动惯量减小、调频能力下降，动态无功支撑能力不足，系统稳定问题，这些都给电网带来巨大的难题。但随着控制技术、信息技术、互联网技术、智能电网、智慧电厂、分布式能源、综合能源等技术水平的深入研究，电力系统也将不断发展、不断进步，为用户提供更加优质、更加清洁的能源。风电作为未来电力系统的重要组成部分，需要不断进行技术创新、模式创新，为构建安全、稳定、可靠、高效的绿色电力系统贡献力量。

4 结 语

新能源作为我国能源革命的主战场，随着技术的不断进步，将扮演越来越重要的角色。我国风电已进入了平稳发展期，主旋律由规模发展向质量发展转变，为推进风电发展，必须创新风电发展模式，积极开展关键技术研究，使风电朝着精细化、智能化、综合化方向发展。