文 | 高俊云 王首成

基于風能資源有效利用的風電機組大型化個性化分析

文 | 高俊云 王首成

“十二五”期間，我國風電產(chǎn)業(yè)得到了跨越式發(fā)展，截止到2014年底，我國風電機組累計裝機容量已達114609MW，新增裝機和累計裝機兩項數(shù)據(jù)均居世界首位，風能已成為我國能源結構中的重要組成部分。

目前，我國正處在逐漸由風電大國向風電強國轉型的關鍵時期。這就要求在風資源的有效利用和大功率風電機組研發(fā)、風電機組的設計制造，關鍵配套件和主控系統(tǒng)可靠性等核心技術上必須有所創(chuàng)新和突破。

我國風電整機技術發(fā)展現(xiàn)狀

截至2014年底，我國具有批量或者小批量生產(chǎn)能力的風電整機企業(yè)共20余家。通過技術引進、消化吸收、聯(lián)合設計和自主研發(fā)等方式，這些企業(yè)已基本掌握了1.5MW至3MW 風電機組的整機設計技術。同時，與整機研發(fā)配套的產(chǎn)業(yè)鏈也逐步成熟，葉片、齒輪箱、發(fā)電機、主控系統(tǒng)等設計和制造水平都取得了長足進步。目前，1.5MW機組和2MW 機組整機設計技術及配套件供應已相對成熟，成為國內陸上風電機組的主流機型。一些企業(yè)在引進消化吸收的基礎上，通過自主創(chuàng)新，開發(fā)出了適應中國風資源和氣候特征的風電機組，由技術同質化引發(fā)的不正當價格競爭正逐步扭轉。另外， 2.5MW和3MW風電機組已進入小批量裝機，5MW和6MW風電機組也有多家企業(yè)完成樣機試制并投入試運行，更高功率等級的風電機組，如10MW機組也已處于概念設計階段。

風電機組大型化

一、整機大型化趨勢明顯

隨著風電機組設計制造技術的不斷成熟，風電產(chǎn)業(yè)對風能利用率的要求不斷提高，整機大型化成為風電發(fā)展的必然趨勢。2005年以前，750kW以下是市場的主流機型，2005年至2008年，兆瓦級機型逐漸成為主流機型，期間1.5MW機組開始研制并投入運行。2008年到現(xiàn)在，逐步進入多兆瓦級時代，1.5MW至3MW的風電機組占領了主要市場，5MW、6MW海上風電機組也安裝運行。風力發(fā)電科技發(fā)展“十二五”規(guī)劃明確提出，在“十二五”期間，鼓勵整機企業(yè)掌握7MW風電機組及關鍵零部件設計、制造和產(chǎn)業(yè)化技術，10MW海上風電機組的研發(fā)也被列入規(guī)劃中。

多年來，1.5MW風電機組一直是風電市場的主力機型。近年來，隨著大機組時代的到來，通過對大容量機組的研究與使用，2MW機組的新增裝機容量逐年提高，2MW與1.5MW機組成為新增裝機主要機型。近三年，1.5MW新增裝機容量占比逐年降低，2014年1.5MW新增裝機容量占全國風電機組新增裝機容量由2013年的51%下降到46%，而2MW新增裝機容量占全國風電機組新增裝機容量則由2013年的31.6%提高到41%，平均裝機功率呈逐年增長的趨勢。

二、風電機組大型化的優(yōu)勢

隨著技術和供應鏈的不斷成熟，大型風電機組越來越顯示出顯著的市場競爭力和發(fā)展優(yōu)勢。相對于較低容量的機組而言，更大型的風電機組一是有效降低了投資成本；二是有效提高了發(fā)電量；三是在相同規(guī)模的風電場中安裝大容量機組，可以有效減少機組數(shù)量，從而減少后續(xù)的維護工作量，有效降低運維成本，提高管理效率。

以安裝10臺風輪直徑88m的1.5MW機組和5臺風輪直徑113m的3MW機組為例進行對比（總裝機容量相同），若按直線排布，相鄰機組前后距離為風輪直徑5倍估算，10臺1.5MW機組前后距離為3915m，而5臺3MW機組前后距離僅為2260m。由于機位和基礎減少了一半，占地面積也大幅減少，隨著單位面積征地費用的不斷上漲，征地面積降低將有效降低風電場征地費用。同時，運維成本也大幅降低。若在相同的距離上排布機組，3MW機組的前后距離可達風輪直徑的8.7倍。這能大大減小尾流帶來的發(fā)電量降低和湍流加大對機組運行所產(chǎn)生的影響。

三、海上風電開發(fā)加快了整機大型化步伐

根據(jù)國家新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，“十二五”末，我國海上風電裝機容量將達到500萬千瓦，2020年將達到3000萬千瓦。海上風電具有風能資源好、對環(huán)境影響較小、不占用土地資源等優(yōu)點，將成為中國風電未來的主要方向。由于海上風電機組基礎結構復雜，施工難度大，造價高昂，尤其適合大容量風電機組的安裝，以有效降低單位千瓦的基礎造價和機組的維修費用。但受海域使用協(xié)調難度大、技術研發(fā)和施工技術等因素制約，目前我國海上風電進展較為緩慢。根據(jù)中國可再生能源學會風能專業(yè)委員會（CWEA）發(fā)布的《2014年中國風電裝機容量統(tǒng)計》，截至2014年底，我國已建成海上風電項目共計657.88MW，其中，潮間帶風電裝機容量達到434.48MW，近海風電裝機容量為223.4MW。

海上風電市場較大的發(fā)展空間，將會給整機企業(yè)帶來新的機遇，目前國內已有多家整機廠推出了5MW及以上級別的海上風電機組，未來會有更多的整機企業(yè)加快對更高功率等級的風電機組的研發(fā)。

四、風電機組大型化需要解決的技術難題

風電機組的大型化并不僅僅是結構尺寸、塔筒高度的簡單放大，會面臨一系列的設計和制造技術難題，如長葉片的強度、剛度保證問題，載荷控制問題、結構優(yōu)化問題等。目前，采用先進控制技術降低機組載荷正越來越成為風電機組的研究熱點之一。如獨立變槳（IPC）控制技術、塔架動態(tài)推力消減控制技術、基于雷達測風的預測控制技術等，其目的都是為了降低關鍵零部件的極限載荷和疲勞載荷，在保證機組可靠性的基礎上，合理控制整機重量的增加。

風電機組大型化的發(fā)展，也必然伴隨風電技術的不斷創(chuàng)新。技術創(chuàng)新是大型風電機組不斷發(fā)展的主要特征，掌握機組核心設計和制造技術的大型制造企業(yè)的全方位優(yōu)勢將逐步顯現(xiàn)。為了開發(fā)具有真正自主知識產(chǎn)權的大型風電機組，必須攻克高升力翼型葉片設計、先進智能控制算法開發(fā)、控制策略優(yōu)化、載荷和部件優(yōu)化、整機重量降低、關鍵部件制造和可靠性提高及整機集成等一系列的新課題。

風電機組個性化

一、機組個性化趨勢

我國幅員遼闊，地形地貌復雜，各地風資源差異性較大。因此，整機設計時需針對特定場址條件進行適應性技術改進，即對風電機組進行個性化設計。近年來，隨著市場競爭的加劇和設計技術的進步，用戶的個性化需求不斷上升。如針對北方風電場，需研制低溫型風電機組，使其具有抗低溫、抗風沙和冰雪的性能；針對東南沿海風電場，需研制抗臺風型風電機組，使其具有抗高溫、抗臺風和防鹽霧的性能；而針對西南地區(qū)的高原風電場，需研制高原型風電機組，使其能適應高海拔、高太陽輻射、凝露等氣候特點。一些公司還開發(fā)了風電機組個性化開發(fā)系統(tǒng)，可依據(jù)實際風況、自然環(huán)境、用戶具體需求等為風電場定制最適合的機型。

此外，從葉片設計、傳動鏈布置形式、塔筒結構、控制系統(tǒng)等方面推出了許多新的個性化技術。如為了降低長葉片產(chǎn)生的氣動噪聲，在葉片表面加裝渦流發(fā)生器或后緣鋸齒形設計；為降低塔筒制造成本，設計出了混凝土與鋼結構的混合型塔筒；傳動鏈布置在傳統(tǒng)的單軸承、雙軸承結構形式的基礎上，推出了緊湊型、一入多出等新型結構；結合雙饋式、直驅式風電機組的特點，推出了兼顧二者優(yōu)勢的中高速半直驅風電機組。

近年來，我國整機制造商對開發(fā)適合不同運行環(huán)境的風電機組越來越重視，推出了多款低溫型、高原型、防臺風型等針對特定風電場量身定制的風電機組，提高了風電機組的環(huán)境適用性。如太原重工1.5MW至3MW系列低溫型機組、海裝2MW高原型機組、明陽1.5MW抗臺風型機組等，個性化設計已成為風電整機設計的趨勢之一。

二、風輪直徑不斷加大

據(jù)統(tǒng)計，全國范圍內年平均風速在5m/s至7m/s的低風速資源面積，占全國風能資源區(qū)的68%，且接近用電負荷中心，并網(wǎng)條件較好。隨著高風速優(yōu)質風能資源開發(fā)趨于飽和受到“棄風”的影響，低風速風能資源的開發(fā)越來越受到關注。為使低風速風電場具備開發(fā)價值，低風速機組必須采用更長的葉片，以吸收更多風能。目前，國內已有多種低風速機型投入使用，1.5MW低風速機組的最大風輪直徑已達100m，2MW低風速機組的最大風輪直徑已達121m。隨著葉片長度和掃風面積的增加，切入風速和額定風速都明顯下降。如風輪直徑100m的1.5MW機組，其切入風速為2.8m/s，額定風速為9m/s。年平均風速為5.5m/s時，年等效小時數(shù)大于2000h，大大提高了風能資源的利用率。圖1為不同風速下三種1.5MW低風速機組的年等效小時數(shù)對比（假設年平均風速為Weibull分布，形狀參數(shù)k=2.0）。當年平均風速為6.5m/s時，風輪直徑100m的1.5MW機組比風輪直徑88m的1.5MW機組年發(fā)電量提高約16.1%。

圖1　不同風速下三種1.5MW低風速機組的年理論等效小時數(shù)對比

結語

隨著我國風電產(chǎn)業(yè)的技術進步和風電整機供應鏈的不斷成熟，風電機組單機容量越大，單位千瓦的造價和機組運維費用就越低，風能資源的利用率也越高。目前國內并網(wǎng)運行的風電機組最大達6MW，而從2012年開始，國內外都有公司啟動了8MW到10MW風電機組的開發(fā)，適應風電場各種環(huán)境條件的個性化風電機組也不斷投入運行，如聯(lián)合動力推出了UP2000－121超低風速機組，Gamesa推出了G132－3.3MW低風速機組，Vestas推出了葉輪直徑達164m的8MW半直驅永磁風電機組。因此，以單機容量逐步增大和提高機組環(huán)境適應性為標志的風電機組大型化、個性化將成為風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要趨勢。

（作者單位：太原重工股份有限公司技術中心）