回顾丨中国风电技术40年进展及趋势！

3.1.2风电机组造价

在风电场造价中，风电机组的设备造价占比最高，风电机组的价格变化幅度也最大。在过去几年中，风电机组的价格随着风电市场经历了周期性变化，但总的趋势是下降的。2008年之前，由于风电市场急剧扩张，风电机组的产能增加赶不上风电场的扩展速度，产品供不应求，风电机组价格逐年上升;2008年以后，风电机组的供需情况出现逆转，风电机组的产能出现过剩，价格也一路走低，但这种状况在2012～2013年趋于平稳(如图6所示)。目前，风电机组的价格比2008年的最高点下降了38%，到2014年，风电机组价格与2013年基本持平。长期来看，随着风电机组技术的不断创新和进步，风电机组的每千瓦价格将逐渐走低。

3.1.3海上风电技术

由于陆地上经济可开发的风资源越来越少，全球风电场建设已出现从陆地向近海发展的趋势。与陆地风电相比，海上风电风能资源的能量效益比陆地风电场高20%～40%，还具有不占土地资源、风速高等特点，适合大规模开发。而且由于海上风能资源最丰富的东南沿海地区毗邻用电需求大的经济发达地区，可以实现就近消纳，降低输送成本，所以我国海上风电发展潜力巨大。

相对于陆上风电，海上风电需突破的技术问题更复杂，表3为海上风电机组运行环境的复杂程度。海上风资源特殊性、浮动式风力机组基础、洋流、波浪等震荡作用形式及台风等极端气候所造成的复杂力学问题，以及盐雾、潮湿的环境适应性问题，为海上风电机组设计带来巨大挑战。

开发海上风电技术需主要解决两大关键技术内容：一是海上风电机组设计技术，二是海上风电机组支撑平台技术。除此之外，还应解决关键零部件、关键原材料方面的问题。

1)海上风电机组设计技术。

与陆上相比，海上平均风速较高，湍流水平低，风剪切较小，且风电机组的设计不受噪音限制。因此，海上风电机组有其设计特点，如风轮直径更大、额定风速更低、轮毂高度相对降低、转速则更高，甚至有两叶片、单叶片的设计概念出现。对于海上风电场而言，由于海上较低的湍流水平，风电机组之间的尾流干扰也与陆上的情况不同，其尾流模型的建立和风电机组排布优化显得更加重要。

防腐蚀设计是海上风电机组设计的重要方面。海上的高盐雾、高湿度环境使含盐雾的水汽很容易通过机舱缝隙进入机舱内部，对风电机组的零部件造成腐蚀。海上风电机组的主要防腐蚀方法有防腐涂装、密封和使用耐腐蚀材料等。

由于海上风电机组的维修和维护远比陆上风电机组困难，必须进行有针对性的可靠性和可维护性设计。可靠性设计技术包括机械系统裕度设计、电气系统冗余设计、电气原件降额设计、发电机冷却方式设计、变流器可靠性增强设计、状态监测与故障诊断技术等;可维护性设计技术包括满足可维护性设计准则的结构设计和大部件维护专用设备研制等。

此外，台风对我国东南沿海的影响频繁且广泛，其对海上风电场的破坏力很大，可能造成叶片断裂、塔筒折断、机舱罩倾覆等重大损失。为了抵御台风的破坏，对台风路径海域的海上风电机组还必须进行增强设计，并且优化台风期间的控制策略。

2) 海上风电支撑平台技术

与陆上风电机组相比，海上风电机组首先在支撑形式方面有很大不同。海上风电机组主要采用重力混凝土式、桩式和漂浮式3大类支撑结构。

海上风电机组除了具有陆上风电机组的非定常气动和气动弹性等共性问题外，其海上运转环境还带来其特有的力学问题。与海上石油平台等不同，风电机组高耸的固定式支撑结构倾覆力矩巨大，再加上地基冲刷与海床液化等，使得这种流-固-土耦合机理的揭示和特性分析亟待解决。此外，我国海床地质条件特殊，大陆架淤沙厚度达几十到几百米。近海风电机组基础依靠沙土摩擦力承载和抗拔，为风电机组基础的安全性设计带来极大挑战，国内外对此还缺乏研究。

漂浮式海上风电机组将是深海风能利用的主要方式。相对固定式风电机组，漂浮式风电机组增加了浮式基础和锚泊系统，其载荷条件和动力学响应更为复杂。海上风电机组运动和风、浪、流等是相互作用相互耦合的，恶劣海况下海上风电机组将处于大幅度运动中，旋转风轮又对塔架和漂浮结构的运动产生极大影响。这种运动是一种多自由度(甚至是超过10个自由度)的运动。海上风电机组系统是一个极其复杂的气动-气动弹性-水动载荷与结构响应的多学科耦合问题，恶劣海况下甚至会造成结构的迅速破坏。

3) 关键零部件。

随着风电机组容量不断增加，根据风电机组研制需求，应大力加强叶片技术、传动链技术、控制系统技术和大容量变流器技术的研发和产品研制。在零部件供应链上着力做好以下工作：一是调整零部件生产企业的投资结构，加大对紧缺关键零部件如主轴轴承、变流器等产品研发的投入，逐步提升零部件的自给能力;二是建立零部件生产与风电系统技术进步的衔接机制，提高零部件企业自身适应研发技术更新的能力;三是加强零部件生产过程的质量控制，构建合格的零部件供应体系。

随着风电机组尺寸的增大，叶片将越来越长。在确保叶片大型化的同时，如何优化载荷、减轻重量、提升环境适应性、友好性和运输便利性将成为未来10年内叶片技术发展的主要方向。为此，应大力研发风电机组叶片的监测控制技术、新型结构、碳纤维和高模高强玻璃纤维等新型材料，采用可回收利用的热塑性叶片树脂基体等新材料、新工艺很可能成为风电叶片技术的发展方向之一。

目前齿轮箱的结构基本采用国外技术，对功率分流方式、均载形式等关键技术缺乏深入研究和成熟经验。因此，未来10年需加强以上方面的研究，争取在降低增速比、行星轮均载柔性轴设计和降低噪声方面实现技术突破。采用轴承新结构、新材料、新工艺，以解决轴承寿命、承载能力、可靠性等问题。

风电机组发电机技术的主要方向是改善并网性能、降低重量。随着全功率变换技术的进步和成本的下降，更广泛地应用通过全功率逆变器并网的发电机。随着超导材料在技术和成本方面取得突破，未来我国可能在10MW及以上的风电机组发电机中应用高温超导技术。从目前的趋势看，3～5MW风电机组将采用中压发电机，而更高兆瓦级的风电机组将普遍采用高压发电机，风电机组容量的增长要求变流器的功率密度不断增加，同时各种风场环境也要求系统有很高的可靠性和方便的维护性，需要采用功率等级更高的半导体器件和模块。

随着直驱风电机组的大型、超大型化，需要考虑发电机和变流器的统一优化设计，进一步提高电传动系统的功率密度和效率。目前塔架高度普遍为60～80m，未来大型风电机组的塔架高度将有可能继续增长，从而增加发电量收益。架在进一步加高的过程中，需要重新进行更为复杂系统的载荷计算，同时也要考虑其他可行的解决方案。此外，随着海上风电开发的进行，位于潮间带及近海风电场的机组塔架的防腐性能将会受到更大考验。需针对未来海上风电建设方向和条件，完善风电塔架和基础防腐技术方案，延长使用寿命，达到20年以上的设计要求。

4) 关键原材料。

风电机组生产所需的原材料包括钢、铝、铜、混凝土、玻璃纤维、碳纤维、环氧树脂、永磁材料等。相关研究和数据显示，钢材用量约占机组总重量的90%，可以判断未来很长一段时期，我国的钢材产量能够支撑风电产业的发展。碳纤维复合材料代表了未来叶片材料的主要发展方向，随着风电机组叶片的大型化和轻量化，未来风电叶片的生产将更多地使用碳纤维。因此，要根据各阶段风电叶片技术及产业的发展需求，着力加大研发力度，加快碳纤维的生产供应能力。永磁材料需求将随着直驱风电机组市场规模的扩大而快速增加。以目前中国已探明的稀土资源储量和产量增长趋势来判断，保证未来风电产业所需的永磁材料供应充足，但成本可能会持续上涨。这3类材料的供应应得到更多关注。

3.2 风电并网和消纳方面的技术

中国风电开发具有“大规模、高集中、远距离”的显著特点。大型风电基地所在地区负荷水平较低、电力系统规模较小、风电就地消纳能力十分有限，不能满足风电开发的要求，一些地区限制风电出力的情况严重，电网消纳和送出能力与发电量无法平衡，“弃风”情况比较严重。风电开发应根据灵活高效接入、调度、输送和消纳大规模风电的要求，结合电力系统运行管理和电力体制机制的改革创新，按照能源转型和构建风电与电力系统协调发展的总体要求，大力开发应用“电网友好型”风电并网技术、风电场功率预测预报技术、优化调度技术、远距离输电技术和大容量储能技术。

1) “电网友好型”风电并网技术。

2020年前，开发应用“电网友好型”风力发电并网技术，通过对风电机组实施技术规范、并网检测和型式认证等措施，使风电机组/风电场普遍具备更加良好的电网适应能力，包括(基于功率预测的)有功功率变化率控制、无功功率调节、低电压穿越(LVRT)能力、频率调节和抗干扰能力等，配置合理的二次系统、相关控制系统，使风电场具备可测、可控、可调的能力，实现风电与电网及其他常规电源的协调发展。

2) 风电场功率预测预报技术。

随着风电装机容量的增加，风电场功率预测将成为电力系统不可或缺的组成部分。研究部署风电功率预测预报技术，提高超短期和短期风电功率预测的精度，为电力系统的经济调度运行提供更精确的服务，以促进最大限度地接收风电量。2020年前，研发和应用的重点是充分运用各种成熟的统计预报技术，重点开发应用研发陆地风电场的超短期预报(4h以内)和短期预报(48h以内)系统。组织电网调度机构、气象部门、风电场共同建立集中式与分散式相结合的风电场功率预测业务体系。2020～2030年，继续提高风电场功率预测预报精度，研发应用月、季、年尺度的中长期风电功率预测技术，完善海洋风电预测预报服务体系，建立满足各类、各时段需求的风电场功率中长期预报业务体系。到2030年以后，风电场功率预测预报技术全面普及应用，使风电场功率预测预报成为智能调度体系的重要支撑。

3) 风电接入和远距离输电技术

风电的大规模集中开发和远距离输送，特别是海上风电场的输电方式，除采用传统的交流输电方式、继续完善电网设施和运行技术外，逐步更多采用柔性直流、高压直流、超导和低频输电等新型输电方式。2020年前，加快普及应用动态无功补偿、串补/可控串补、可控高抗、自动电压控制(AVC)等先进技术，提升风电外送能力、提高安全稳定水平。对海上风电场，近期可采用适合小容量、近距离海上风电场的交流传输并网方式。随着逐步建设额定容量达到几十万kW且离岸距离较远时的大型海上风电场，加快开发应用柔性直流输电技术。2020年后，有效解决现有特高压输电工程的制约因素，发挥最大效率和经济性优势，使特高压输电逐步成为风电大规模开发的有力保障。在2030年后，争取实现超导电力技术在风电接入和输送领域的应用。

4) 电网优化调度技术。

电网优化调度控制技术是电力系统建设的重要部分，对提高资源优化配置能力具有重要作用。风电等波动性可再生能源的大规模开发对发展智能调度技术提出了更高要求。应加强风电场风电机组的运行统计和分析工作，准确掌握风电运行特点，积极开展风电调度技术和策略研究，不断提高风电调度精细化水平。结合智能电网技术的开发应用，未来电网调度控制技术将向一体化分布协调控制、智能分析控制、经济优化控制等方向发展。2020年前，基本建立风电机组/风电场之间互联互通的数据收集和调度控制体系，建立风电场集中预测、控制与调度中心，实现风电优先高效调度的自动化。到2030年，随着智能电网建设初具规模，实现一体化分布协调控制关键技术，控制范围覆盖和环节扩大到完整电力系统，实现风电调度的智能化，显著提高大规模波动性电源和整个电力系统的运行控制能力，实现风电等新能源发电的灵活高效接入、输送与消纳。

5) 大容量储能技术。

在电力系统中引入大容量储能装置，不仅可以有效减小风电对系统的冲击和影响，提高风电出力与预测的一致性，保障电源电力供应的可信度，还可降低电力系统的备用容量需求，提高电力系统运行的经济性，同时提高电力系统接纳风电的能力。应重视和发挥储能系统的多种功能，科学选择、规划、使用储能系统，在负荷侧和电源侧均引入储能系统。储能技术中，抽水蓄能应用最广泛，化学电池储能技术进步最快，应优先发展液流电池和锂电池技术。

2020年以前，大规模储能主要依靠抽水蓄能;2020年以后，实现电池储能的规模化集成技术瓶颈的突破和成本下降，开始规模化应用，其中液流、锂离子、钠硫电池具有规模化应用前景。预计到2020年，以锂离子电池、钠硫电池、液流电池为代表的大容量化学储能装置容量达到数十MW甚至数百MW，转换效率达到90%，将在集中式调峰、调频、应急，以及分布式负荷管理领域得到广泛应用。2030年，化学储能、压缩空气储能系统在经济性方面和抽水蓄能机组相当，有望与其共同实现规模化应用。

4、结语

综上所述，我国风电技术在近10年间取得了显著的进步，风电装机容量和产能均位居世界首位，成为风电产业大国。但是，我国还不是风电技术强国，目前我国风电机组存在运行效率低、故障率高、可靠性差等问题，致使风能的实际利用率、风场盈利能力与预期还有很大差距。究其原因，一方面是因为国内在大型风电机组研究方面的起步较晚，目前仍处于技术跟踪阶段;另一方面是国内过于重视产业化，对基础性研究投入不够，缺乏稳定持续的研究队伍，产品的可靠性还不能达到较好的水平。

为了使我国风电产业摆脱对国外技术引进的长期依赖，促进我国风电产业可持续发展，真正掌握核心的陆上和海上大型风电机组设计与研发的关键技术成为我们必须尽快解决的关键任务，也是我国由风电大国走向风电强国的必由之路。因此，必须着力提高风电技术的原始创新能力，真正形成风电技术的自主创新体系。

总之，风电是一个前景广阔的事业，风力发电技术仍需要不断发展升级，我国已成为世界风电行业的重要部分，我们仍需继续努力，为实现风电中国梦而不懈奋斗。

原标题丨《我国风电技术进展及趋势》

作者丨姚兴佳，刘颖明，宋筱文

单位丨中国可再生能源学会风能专委会

沈阳工业大学风能技术研究所

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