风力发电机组整机研发技术现状及发展趋势

风力发电机组整机研发技术现状及发展趋势

0风电成为全球最能源是经济发展的基础，也是人类社会生存的重要基础。我国是一个能源生产大国,同时也是能源消耗大国,在能源结构中,长期以来主要依赖火电。为了改变能源过分依赖火电的局面,在“十五”期间,我国提出改善能源结构,鼓励发展新能源。在各种新能源中,风电的开发成本最低,具有大量开发的应用价值。2005年,我国通过《可再生能源法》,风电迎来了加速发展期。“十一五”期间,国家发改委制定的《可再生能源发展“十一五”规划》明确指出“以风电场的规模化建设带动风电产业化发展,促进风电技术进步,提高风电装备国产化制造能力,降低风电成本,增强风电的市场竞争力”。因此,在“十一五”期间,风电得到了跨越式发展:2008年,我国风电新增装机615.4万kW,位列全球第二,总装机容量达到1200.2万kW,全球排名第4;2010年,风电新增装机1892.8万kW,超越美国成为全球最大的风电市场。就风电整机研发来讲,截至“十一五”末,通过消化吸收引进技术、委托设计、与国外联合设计和自主研发等方式,我国整机制造商掌握了1.5~3.0MW风电机组的产业化技术,配套的关键零部件,如叶片、齿轮箱、发电机等的制造能力已接近国际水平,满足主流机型的配套需求。然而,风电整机研发技术的发展没有与产业规模化程度相匹配,在跨越式发展背后,遇到了许多问题和瓶颈,如风机质量问题、风电并网问题等。根据科技部制订的《风力发电科技发展“十二五”专项规划》,我国将逐渐向风电强国转型。在转型过程中,整机研发技术是一个很重要的组成部分,决定了未来风电技术的发展方向。1全球风电应用状况风力发电机组系统(Windenergyconvertersystem)是一种将空气中的动能转换成电能的能量转换装置,通常由叶片、轮毂、传动链系统(主轴承、主轴、齿轮箱等)、发电机、变流器、控制系统、电气系统、塔架等子系统和子部件组成。目前在全球应用最为广泛的是兆瓦级水平轴风力发电机组系统。根据全球风能协会发布的《Globalwindstatistics》,截至2012年底,全球新增装机、累计装机情况及全球各国风电装机前10名排名情况分别如图1~图4所示。由图1和图2可知,2012年全球风电新增装机4471万kW,连续4年保持在4000万kW左右,全球风电开始进入一个新的平稳发展期。新增装机前10名分别为美国、中国、德国、印度、英国、意大利、西班牙、巴西、加拿大、罗马尼亚(图3)。截至2012年底,全球风电累计装机达2.8243亿kW,同比增长18.7%,其中中国、美国、德国、西班牙、印度、英国、意大利、法国、加拿大、葡萄牙的累计装机容量位居世界前10名(图4)。图5为全球海上风电发展情况。由图5可知,2012年,全球新增海上风电装机约129万kW,累计装机约541万kW,同比增长31.4%。其中欧洲新增116.6万kW,比2011年增长了33%,累计装机规模达500万kW,是全球海上风电发展的主要区域。到2012年底,英国海上风电累计装机达到295万kW,位居世界第一位。我国海上风电装机约39万kW,仅次于英国和丹麦,位居世界第三位。2012年海上风电新增装机前6名的国家分别为英国、比利时、中国、德国、丹麦及日本。与陆上风电相比,全球各国海上风电的进展较缓慢,增长率稳中有升。2中国航风机场的开发技术2.1国内风电机组主流品种和主要品种截至2012年底,我国有20多家风电整机企业已形成批量或者小批量生产能力。这些企业通过技术引进、消化吸收、联合设计和自主研发等手段,已掌握了1.5~3.0MW风电机组的整机设计技术,其中,1.5MW和2MW整机设计已成熟,成为国内陆上风电机组的主流机型;并且在引进技术基础上,自主创新,开发出了适应中国风资源和气候特征的风电机组,如1.5MW和2MW低温型风电机组、高原型风电机组、低及超低风速风电机组。另外,也有企业对2.5MW和3MW风电机组进行了样机试制和小批量装机,5MW和6MW风电机组也有多家企业完成样机试制,更高功率等级的风电机组,如10MW机组也已处于概念设计阶段。在关键零部件设计方面,如叶片、齿轮箱和发电机的设计和生产能力也取得了一定进步,国产化程度较高,满足目前主流机型的需求。2.2与国外云机公司的技术差距2.2.1自主研发能力与国外公司设计能力我国风电整机企业在进入风电行业前期,其技术来源主要依靠技术引进或者联合设计,经过几年的发展,已具有一定自主研发能力,但在设计经验方面与国外仍有一定差距,开发新机型的能力普遍偏弱,一般采取与国外公司(如GH、Aerodyn等公司)进行联合设计开发。另外,设计软件全部依赖于国外,如用于整机设计的软件GH-Bladed、FAST、FLEX5等均由国外公司提供,没有形成自己的开发软件。2.2.2国外风电机组运行依赖的情况部分关键零部件与国外技术水平基本接近,如叶片、发电机等,但与风电机组配套的轴承、变流器、变桨系统、主控系统与国外差距较大,主要依赖于进口。虽然目前也有国产化的部件,如变流器、变桨系统等,但其质量和可靠性仍然有待提高。2.2.3设备运行过程中出现的质量问题风电机组整机是一个大的系统集成,在集成过程中不仅要满足其功能性要求,更要对每个细节进行质量控制。根据现有运行情况,许多风电场的机组由于质量问题而无法完成整机240h的运行考核。在运行过程中,一些风电机组出现质量问题,如叶片折断、齿轮箱漏油、轮毂裂纹等。国外整机企业具有丰富的系统集成和运行经验,以及规范的质控体系。2.2.4基于测试结果的机组优化设计风电机组完成样机试制后,需要对样机的各种运行性能进行综合分析和判断,如对发电性能、载荷情况、电能质量、噪声等进行测试和分析,结合测试数据和风机出现的各种问题;对机型进行整改和设计优化,使批量装机后的机组不出现批量问题,保证机组在风场投运后处于最佳状态运行。这需要一个很长的测试过程。目前,我国整机测试大部分由第三方认证公司完成,许多整机企业缺少测试的平台和手段;而国外整机企业非常关注样机的测试技术,形成了完整的测试流程,具有完善的测试手段和丰富的测试经验。3中国低能耗行业发展中存在一些问题3.1风电机组在国外的质量检测问题我国风电产业从2003年开始跨越式发展,前期主要以引进消化吸收为主,但关键技术依赖于国外,风电机组的检测体系不健全,在国产化过程中出现了一系列质量问题,如叶片折断、主轴断裂、变流器爆炸、螺栓断裂、齿轮箱漏油、控制失灵以及飞车等。3.2风电机组在风电领域的研发和制造我国风电机组研发技术源于欧美,整机企业主要通过购买设计图纸和技术、生产许可或者与国外公司合资等方式进入风电领域。2006年~2009年期间,有80多家整机制造商进行风电机组研发和制造。在前期技术引进时,大多针对于1.5MW机组,存在不同整机厂家购买相同设计技术的情况,造成其竞争的筹码仅为价格,即所谓的技术同质化竞争。在技术同质化竞争下,我国风电机组的价格几乎每年以1000元/kW的速度下降。3.3限电弃风损失风电弃风限电现象是风电发展中所面临的一个大难题,2011年中国风电“弃风”比例超过12%,相当于损失330万t标煤,风电企业因为限电弃风损失达50亿元以上,约相当于风电行业盈利的50%;2012年全国弃风电量约200亿kW·h,限电弃风损失达100亿元以上。受弃风限电的影响,风电机组的利用小时数出现同比下降,2012年,风电设备利用小时数全国平均为1890h,较2011年下降30h,个别省(区)风电利用小时数下降到1400h左右。4中国低效机技术的发展趋势4.1大型化发展将成为企业的主要课题目前国内1.5MW风电机组利润逐年下降,大功率机组作为新的利润增长点,成为整机企业着力开拓的新市场。风力发电科技发展“十二五”规划明确提出,在“十二五”期间,鼓励整机企业掌握7MW风电机组及关键零部件设计、制造和产业化技术,10MW海上风电机组的研发也被列入规划中。在政策的引导和市场需求导向影响下,“十二五”期间功率等级大型化发展将成为未来整机技术的发展趋势。另外,从中国低风速市场的需求来看,大型化的另外一个发展趋势是,同功率等级的风电机组风轮直径越来越大,如1.5MW风电机组的风轮直径从技术引进之初的77m,发展到82m、89m,目前还出现了风轮直径为93m的风电机组。4.2以风场项目和平台为重心的低风速风场设计风电机组技术引进时,设计标准均参考欧洲标准。中国幅员辽阔,地形地貌复杂,因此,整机设计时需针对中国特定场址条件进行技术改进,即对风电机组进行个性化设计。针对中国北方风场,进行整机设计时需重点关注抗低温、抗风沙和冰雪,研制低温型风电机组;针对东南沿海风场,设计时重点关注台风和盐雾,研制抗台风型风电机组;针对西南地区的高原风场,设计时重点关注高海拔、太阳辐射、凝露等特点,研制高原型风电机组。针对低风速风场,为了使得风场具有开发价值,必须采用更长叶片,同时保证机组研制成本不会增加太多,这意味着研发时需要对整机进行降载控制,降低关键零部件的载荷,研制低风速甚至超低风速型风电机组。“十二五”期间,国家规划了许多年平均风速为6~6.5m/s的低风速风场,以及隶属于云南、贵州的高原风场。市场的驱动和机组技术差异竞争的需要,将促使未来整机逐渐趋向于个性化设计。4.3高效低功率wsf风电机组近年来,高速双馈传动链技术占市场的主导地位。风电机组趋大型化发展,特别是5MW及以上功率等级的风电机组,采用现有高速双馈技术和低速直驱技术均存在或多或少的技术难点。因此,功率等级为5MW及以上的风电机组,将会应用新的传动链技术。高速双馈和低速直驱技术的折中,将成为更多整机企业的选择,如高速永磁技术、中速永磁传动技术、液力耦合传动技术等,其中高速永磁技术和中速永磁技术已被多家整机厂家所采用。4.4海上风电进展缓慢风力发电科技发展“十二五”规划提及,“十二五”末,我国海上风电装机容量将达到500万kW,2020年将达到3000万kW。但受价格政策不明确、海域使用协调难度大、技术研发和施工技术等因素制约,目前我国海上风电进展缓慢。截至2012年底,我国海上风电总装机容积仅为38.96万kW,市场需求空间较大,将会给整机企业带来新的机遇,未来会有更多的整机企业加快对5MW、6MW或者更高功率等级的风电机组的研发。4.5碳纤维叶片后机体的研制风电机组功率等级越大,整机重量越重。为了减小开发成本,减小整机重量是研发的重要关注点。目前已有叶片厂家采用碳纤维技术生产叶片,与玻璃纤维叶片相比,具有重量轻、坚固等特点。采用碳纤维叶片后,可以降低整机重量。另外,整机设计时出现了新的载荷优化控制技术,如采用独立变桨控制技术降低风电机组疲劳载荷,采用非线性补偿控制减小特定工况的极限载荷,基于雷达测风的控制技术也在研究之中。可以预见,未来整机设计将会应用新技术减小风电机组的重量和载荷。4.6风电机组功能风电机组运行在空旷的野外,为了使风电机组安全运行,避免意外事故带来的不利影响,一些风电场开发商对机组功能提出了新要求,如要求风电机组具有自动消防功能、防盗监视功能、风电功率预测功能、风电机组状态监测功能、叶片主动除冰功能等。风电机组的新功能将会不断完善,供开发商选择。4.7机械系统的可靠性风电机组的设计寿命为20年,且其运行环境恶劣,在寿命周期内,承受巨大的交变载荷,这就要求风电机组的机械系统具有高的疲劳可靠性。另外,根据现有的运行经验,电气系统是故障率最高的子系统。在整机设计时,需加强可靠性和可