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2009-2012 年中国风电机组技术发展趋势分析正文目录一、风电设备发展的国际趋势 从国际风电设备技术发展趋势看,主要体现在容量大小、浆矩变化、驱动方式、控制技术等主要方面。1、单机容量增大单机容量越大,单位千瓦的造价越低。正是基于经济效益的优势,单机容量逐步提高成为国际风电设备发起站的主要趋势之一。20 世纪末,风电机组主流规格在欧洲是 750 千瓦,美国是 500 千瓦。进入 21 世纪,主流机型已经达到 1500 千瓦。譬如丹麦的新建风场的单机容量都在 1000 千瓦,德国在北海建设的风场的单机功率在 5000 千瓦。目前,世界主要风机制造商都提出要在 2010 年实现 10000 千瓦的计划。美国已经研制成 7000 千瓦的风机。2、定桨矩向变桨矩的变化以前的桨叶采用固定模式,现逐步发展为变桨矩模式。利用变桨矩调节技术,叶片的安装角可以根据风速的变化而改变,气流的攻角在风速变化时可以保持在一定的合理范围。当风速大于额定风速时,仍可以保持稳定的输出功率。目前市场上的失速型风电机组一般采用双绕组结构(4 极/6 极)的异步发电机,双速运行。在高风速段,发电机运行在较高转速上,4 极电机工作;在低风速段,发电机运行较低转速上,6 极电机工作。双速运行的优点是控制简单,可靠性好。缺点是由于转速基本恒定,而风速经常变化,因此风力机经常工作在风能利用系数(Cp)较低的点上,风能得不到充分利用。近年来发展起来的变速风电机组一般采用双馈异步发电机或多极同步发电机。双馈电机的转子侧通过功率变换器(一般为双 PWM 交直交型变换器)连接到电网。该功率变换器的容量仅为电机容量的 1/3,并且能量可以双向流动,这是这种机型的优点。多极同步发电机的定子侧通过功率变换器连接到电网,该功率变换器的容量要大于等于电机的容量。变速运行风电机组通过调节发电机转速跟随风速变化,能使风力机的叶尖速比接近最佳值,从而最大限度的利用风能,提高风力机的运行效率。4、驱动方式从风轮到发电机的驱动方式大致分为三种:第一种是通过多级增速箱驱动双馈异步发电机,简称为双馈式。第二种是风轮直接驱动多极同步发电机,简称为直驱式(或无齿轮箱式)。第三种是单级增速装置加多极同步发电机技术,简称为混合式。混合式设计旨在融合双馈式和直驱式机组的优点而避免其缺点。芬兰 WinWind 公司已开发出容量 1.1MW,叶轮直径 56 米的混合式风电机组。从国际上的趋势看,直驱式风力机由于具有传动链能量损失小、维护费用低、可靠性好等优点,在市场上正在占有越来越大的份额。二、国际接轨是我国风电机组发展的必然趋势 1、现状分析:与先进水平差距明显我国从 20 世纪 70 年代开始研制大型并网风电机组,直到 1997 年在国家“ 乘风计划”的支持下,才真正从科研走向了市场。我国风力发电机组的研发能力严重不足,基本还处于跟踪和引进国外先进技术的阶段。而且,国产产品大多是“定桨定速’ 技术的,只相当于国际上 20 世纪 90 年代中期的水平。但就是这样的技术我们还没有自主开发的产品。一方面,国内风电技术基础薄弱,核心技术缺乏。由于我国风电设备制造起步较晚,虽然采取了测绘仿制、合资生产或购买许可证国内组装等技术途径,但未能掌握风电机组总体设计的核心技术。同时,开发中的测试、试验标准与规范极不健全。虽然我国对风电机组的测试技术作过一些研究,但不够系统,技术标准、产品认证工作滞后,而且没有风电设备的国家试验风场。另一方面,技术发展滞后,创新能力不足。目前,我国风电产业技术还没有达到国外主流机型的技术水平,正在开发的机型已经是国外相对成熟的技术。而风力发电机组技术发展非常迅速,更大功率、更先进技术和新的设计理念不断涌现,部分技术国内刚刚掌握就已经落后于国际主流技术。2、国际风电发展的启示回顾国际风电发展历程,大致可以分为三个阶段:第一阶段:1977-1987 年。这个阶段的主要成就是证明风力是可以发电的,风的很多特点是可以被人类利用和控制的。其中,丹麦和美国的研究成果最多,风机容量也从几十千瓦发展到百千瓦。第二阶段:1987-1997 年。风电技术逐步成熟,风电产业成规模的发展,并建立了稳定的商业模式。涌现出了近 10 家技术较为成熟的优秀制造企业,单机容量从百千瓦提高到几百千瓦,变桨风机技术成熟并进入市场,与失速风机在竞争中共同发展。另外,风机的单位千瓦造价从 1000 美金降到 700 美金。第三阶段:1997-现在。兆瓦级风机成主要趋势,海上风电逐步推广。随着单机容量提高,为应对极限载荷和疲劳载荷的挑战,新的直驱变速变桨和双馈变速变桨逐步成为兆瓦级风机的主流技术。我国的风电发展大致比国际先进水平晚 10-15 年,可以分为四个阶段:第一阶段:1986-1990 年。尚处于探索和示范阶段,其特点是项目规模小,单机容量小,也是从几十千瓦开始。第二阶段:1991-1995 年。示范项目取得成效并逐步推广阶段,就是在该阶段的 1994年,新疆风能公司迎来了第一个发展机遇--德国政府“黄金计划“援助,即提供进口德国风电机组费用 2/3 的无偿援助,进 8 台总容量为 4050 千瓦的风电机组,使得风电场容量增加到 6100 千瓦,在我国也首次出现 500 千瓦的产品。第三阶段:1996-2004 年。新疆风能公司迎来了第二次发展机遇--国家在“九五“ 期间决定推进大型风电机组的国产化研制,公司进行了以科研人员入股成立有限公司作为科研项目承担主体的机制创新。1998-2000 年,研制出 10 台国产化率 34%-96%的 600 千瓦风电机组,并催生了在国内市场处于绝对领先地位的新疆金风科技股份公司。第四阶段:2005-现在。2005 年 2 月 28 日,第十届全国人大常委会第十四次会议通过了《中华人民共和国可再生能源法》,2006 年 11 月,《促进风电产业发展实施意见》出台。在一系列扶持政策的依托下,出现了包括东方电机、大连重工、湘电股份、沈阳工业大学、哈尔滨动力、航天安迅能等一大批具有较强技术背景和综合技术实力的企业,国内风电产业风起云涌,进入群雄逐鹿阶段。结合前面的国际经验分析,我国风电产业起步晚 10 年,目前的综合阶段仍比国外落后10-15 年。1997 年时,国外已经形成了较为清晰的竞争格局,而我国目前的竞争才刚刚开始,更加激烈的竞争场面将后续上演。3、趋势展望:国际接轨是必然趋势借鉴国际风电发展的经验,除了政府扶持等外部因素外,技术创新成为行业发展的核心内生性因素。风电作为全球一体化的产业,技术创新的核心就是国际化接轨。单机大容量、变桨矩、变速恒频、直驱式是国际风电技术的主要趋势,也是我国风电产业技术发展的必然趋势。国内风电机组制造企业面临着技术路线从定桨定速提升到变桨变速,单机功率从百千瓦级提升到兆瓦级的双重压力,技术路线跨度较大关。今后,我国大力发展大型风电机组的重点是掌握大型风力发电机组核心关键技术,包括总体设计、总装技术及关键部件的设计制造技术等,整机技术路线将以目前欧洲国家流行的变桨变速的双馈异步发电型、低速永磁同步发电型为主。从我国风电技术发展的现状看,以金风科技为代表的企业已经基本实现了600kW、750kW 和 800kW 风力发电机组的国际化接轨。依靠国外技术和自主创新,国内的部分企业在兆瓦级水平上也已经具有了较强的竞争力。三、风力发电技术的发展方向和特点 风能是非常重要并储量巨大的能源,它安全、清洁、充裕,能提供源源不绝,稳定的能源。目前,利用风力发电已成为风能利用的主要形式,受到世界各国的高度重视,而且发展速度最快。风力发电有三种运行方式:一是独立运行方式,通常是一台小型风力发电机向一户或几户提供电力,它用蓄电池蓄能,以保证无风时的用电;二是风力发电与其他发电方式(如柴油机发电)相结合,向一个单位或一个村庄或一个海岛供电;三是风力发电并入常规电网运行,向大电网提供电力,常常是一处风电场安装几十台甚至几百台风力发电机,这是风力发电的主要发展方向。在风力发电系统中两个主要部件是风力机和发电机。风力机向着变浆距调节技术、发电机向着变速恒频发电技术,这是风力发电技术发展的趋势,也是当今风力发电的核心技术。下面简单介绍这两方面的情况。1、风力机的变浆距调节风力机通过叶轮捕获风能,将风能转换为作用在轮毂上的机械转矩。变距调节方式是通过改变叶片迎风面与纵向旋转轴的夹角,从而影响叶片的受力和阻力,限制大风时风机输出功率的增加,保持输出功率恒定。采用变距调节方式,风机功率输出曲线平滑。在额定风速以下时,控制器将叶片攻角置于零度附近,不做变化,近似等同于定浆距调节。在额定风速以上时,变浆距控制结构发生作用,调节叶片攻角,将输出功率控制在额定值附近。变浆距风力机的起动速度较定浆距风力机低,停机时传递冲击应力相对缓和。正常工作时,主要是采用功率控制,在实际应用中,功率与风速的立方成正比。较小的风速变化会造成较大的风能变化。由于变浆距调节风力机受到的冲击较之其它风力机要小得多,可减少材料使用率,降低整体重量。且变距调节型风力机在低风速时,可使桨叶保持良好的攻角,比失速调节型风力机有更好的能量输出,因此比较适合于平均风速较低的地区安装。变距调节的另外一个优点是,当风速达到一定值时,失速型风力机必须停机,而变距型风力机可以逐步变化到一个桨叶无负载的全翼展开模式位置,避免停机,增加风力机发电量。变距调节的缺点是对阵风反应要求灵敏。失速调节型风机由于风的振动引起的功率脉动比较小,而变距调节型风力机则比较大,尤其对于采用变距方式的恒速风力发电机,这种情况更明显,这样不要求风机的变距系统对阵风的响应速度要足够快,才可以减轻此现象。2、变速恒频风力发电机变速恒频风力发电机常采用交流励磁双馈型发电机。它的结构类似绕线型感应电机,只是转子绕组上加有滑环和电刷,这样一来,转子的转速与励磁的频率有关,从而,使得双馈型发电机的内部电磁关系既不同于异步发电机又不同于同步发电机,但它却具有异步机和同步机的某些特性。交流励磁双馈变速恒频风力发电机不仅可以通过控制交流励磁的幅值、相位、频率来实现变速恒频,还可以实现有功、无功功率控制,对电网而言还能起无功补偿的作用。交流励磁变速恒频双馈发电机系统有如下优点:第一、允许原动机在一定范围内变速运行,简化了调整装置,减少了调速时的机械应力。同时使机组控制更加灵活、方便,提高了机组运行效率。第二、需要变频控制的功率仅是电机额定容量的一部分,使变频装置体积减小,成本降低,投资减少。第三、调节励磁电流幅值,可调节发出的无功功率;调节励磁电流相位,可调节发出的有功功率。应用矢量控制可实现有、无功功率的独立调节。四、我国发展大型风电机组的研制开发目标和方向针对“十一五”期间我国风电产业发展方向、规划安排和重点任务,以及现有的技术状况,今后我国大力发展大型风电机组的重点将是,努力掌握大型风力发电机组核心关键技术,包括总体设计、总装技术及关键部件的设计制造技术等,整机技术路线将以目前欧洲国家流行的变桨变速的双馈异步发电型、低速永磁同步发电型为主。具体研制开发目标和方向大体是:研制开发符合依托工程张北风电场气候条件的 2.5 兆瓦级变速变桨距风力发电机组;国产化率达 80%以上,叶片、电控与变流器、发电机、齿轮箱等关键零部件立足国内研制开发;满足认证机构的设计认证;整机和关键零部件样机性能达到同类产品国际先进水平;形成有自主知识产权和整机及关键部件的设计制造能力。五、风机技术发展趋势及竞争格局 1、技术发展趋势: 相对于其他的能源,风电是一种新的技术。不过,现代风电场已具备成熟的技术,建造过程相对简单,而其设计和运营却相对复杂。这一行业用到了多种发展成熟的科学技术,包括航空设计、重型钢板工程学、玻璃和木材的环氧化合物(用于飞机、轮船和汽车)以及电场检测和控制等。经过多年的应用及发展,带有三叶片、带变速驱动器、偏航轴承的风机成为当今的主流。风电技术的发展趋势主要表现在以下几个方面:(1)风力发电机组的单机容量继续增大20 年前,风电机组单机容量仅为 25 千瓦,今天商业化机组的容量一般为 750-2500KW。未来海上机组的容量将更大,目前德国已经生产出 5MW 的机组,10MW 以上的机组正在研发中。(2)海上风电悄然兴起海上风电场是国际风电发展的新领域。开发海上风电场的主要动机是因为海上风速更高且更易预测,海上风电场的发电量比陆地高出 20%-40%。且随着风力发电的迅速发展,土地资源稀缺性已经有所显现。(3)变桨和变速更具发展优势因为变桨距调节提供了更好的输出功率品质,因此变桨距调节是大型风力发电机的最佳选择。而通过控制发电机的转速,能够使风力发电机的叶尖速比接近最佳值,提高风力发电机的运行效率。(4)直接驱动和混合驱动技术的市场份额迅速扩大齿轮传动不仅降低了风电转换效率和产生噪音,同时是造成机械故障的主要原因,而且为了减少机械磨损需要润滑清洗等定期维护。采用无齿轮箱的直驱方式虽然提高了电机的设计成本,但却有效地提高了系统的效率以及运行可靠性。因此,直接驱动和混合驱动技术的市场份额迅速扩大。2、竞争格局:(1)国内市场进口设备、金风科技一统天下我国自 1958 年开始风力发电机组的开发, 70 年代末,浙江机电院、上海电力院等单位开发了我国第一台现代工业概念的 18KW 风力发电机组。 1983 年,我国引进了 3 台55 千瓦 Vestas 风力发电机组,从此打开国门,吸收引进国外的先进技术。通过技术交流与合作,我国于 90 年代先后成功开发 55KW、120KW、 200KW、300KW 风力发电机组。本世纪初开始,金风科技 600KW、浙江运达 250KW 风力发电机组大批量进入市场。目前,新疆金风、浙江运达、大连重工 750KW 机组开发成功并投入市场,金风科技、大连重工正在积极开发 1.2MW 的机组。与国际风力发电巨头相比,我国风力发电机组公司生产能力不足,产品质量也难望其项背。2005 年风力发电新增装机容量中,进口产品占据了 70%的市场份额。而在剩下的 30%市场份额中,金风科技一支独秀,占据了 26.4%的市场份额,留给国内其他企业的市场份额不到 3%。(2)我国风电机组的竞争将更加激烈2005 年,国家发改委 1204 号文件出台,对风电建设管理提出具体要求,明确指出,风电设备国产化率要达到 70%以上(国外公司在国内投资建厂也算国产化设备),不满足设备国产化率要求的风电场不允许建设,进口风电设备要照章纳税。中国政府风电设备本地化的意志无疑希望打破进口设备一统天下的局面。为应对这一政策的变化,国外的优势龙头企业纷纷在国内设立独资或合资企业大举进入中国市场。2005 年 6 月,世界最大的风力发电设备生产厂商丹麦维斯塔斯风力发电公司独资设立的维斯塔斯风力发电设备(中国)有限公司在天津开发区正式投产。该公司一期投资 3000 万美元,年产 600 片风机叶片。2007 年进行二期扩建,可达到年产 1200 片风机叶片的生产能力(80 万千瓦),同时还将进行第二期和第三期生产开发。目前,维斯塔斯计划在天津开建发电机厂及机舱和轮毂装配厂,形成整机准备能力。而几乎同时,全球第二大 Gamesa 公司也于 2005 年在中国投资建厂。该厂生产风力发电整机,投资远大于维斯塔斯中国公司,2006 年形成年产 50 万千瓦的装机容量,2007 年形成年产 70 万千瓦的装机容量。西班牙建筑和可再生能源集团 Acciona 与中国航天科技集团公司(CASC)在江苏南通成立合资公司,近期有望达到 400 台“AW-1500”型风电机组、总发电容量 60 万千瓦的生产能力。这将相当于 Acciona 风电机组总产量的三分之一,Acciona 还计划于 2007 年底在内蒙古开办一座类似工厂。除 Vestas 、Gamesa、Acciona 外,美国通用电气(General Electric)和德国诺德集团(Nordex)也计划在中国制造风力发电设备。同时,风电急速发展的态势也让更多的国内“淘金者” 蜂拥而至。2005 年 8 月,国家发改委 1593 号文件出台,提出加快风电设备本地化有关意见,明确表示重点支持新疆金风科技股份有限公司和大连重工·起重机械厂。然而,除传统的企业之外,湘潭电机集团有限责任公司、东方电气集团东方汽轮机厂、哈尔滨电站集团、上海电气公司、中国运载火箭技术研究院、天威保变等企业也纷纷宣布从国外引进技术开发 1-1.5MW 的风力发电机组。按照各产商的扩产计划,仅 Gamesa、Acciona 、金风科技三家厂商的生产能力就能满足我国整体风机需求,总体而言,未来,我国风电设备行业的竞争将更趋激烈。
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