双碳目标下风电设备及技术发展趋势_刘万平.pdf

12023.06.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYINDUSTRY PERSPECTIVE产业观察2023.05.DQGY双碳目标下风电设备及技术发展趋势/中国电器工业协会风力发电设备分会、金风科技股份有限公司 刘万平中国电器工业协会风力发电设备分会、机械工业北京电工技术经济研究所 果岩/随着国家“碳达峰碳中和”目标的确立，为我国风电在内的可再生能源带来的新的挑战和广阔发展前景，预计至 2030 年，我国风电、光伏装机容量将达 12 亿 kW，与此同时，风电设备与技术的发展也将面临新的挑战和机遇。本文重点介绍了中国风电产业历史与现状，风电设备的进化和演绎，结合碳中和形势下，分析并提出了风电设备创新方向的有关意见和建议。关键词：双碳；风电；设备；创新2023一、中国风电历史和现状（一）我国风电产业发展各阶段回顾从早期探索阶段到快速成长阶段的演变（19852007 年）。中国风电早期探索始于 20 世纪 70 年代，1972 年成功研制 18kW 风电机组，实现我国风电机组研制史上零的突破；之后，陆续通过引进、消化、吸收国外技术进行技术探索，同时借助双加工程、国债项目、乘风计划等政策扶持进行产业探索。2003 年开始，随着国家一系列顶层政策的设计，风电行业快速发展壮大，同时风电装备的制造能力和国产化率不断提升。从高速发展阶段到稳步增长阶段的过程（2008 年 至今）。自 2008 年开始，中国风电进入高速发展阶段，与风电相关政策及法律法规进一步完善，风电整机制造能力和国产化率大幅度提升，风电2023-06期电器工业杂志排版设计和印刷发排2.indd 12023-06期电器工业杂志排版设计和印刷发排2.indd 12023/7/5 下午1:462023/7/5 下午1:4622023.06.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYINDUSTRY PERSPECTIVE产业观察场建设容量连续 3 年几乎呈翻倍增长。20112013 年，行业发展进入调整期，行业恶性竞争加剧、风电设备质量问题频发、电网消纳难和弃风现象严重等问题受到广泛关注。此阶段之后，业内人士更加重视“度电成本”以及完善的售后和运维。20142020 年，中国风电产业步入稳步增长阶段，发展模式正在向重效益、重质量、重电量方向转变。关键发展阶段回顾：风电平价时代。2021 年，风电正式迈入“十四五”周期，正式开启“平价新时代”。风电行业发展由补贴鼓励到平价驱动上网，标志着我国风电产业已经迈向成熟，风电开始从“补充能源”向“替代能源”转变。“十四五”是碳达峰的关键期、窗口期，为实现 2030 年非化石能源占比 25%的目标，风电行业发展必须紧跟国家能源结构优化导向，“规模化+高质量”平衡发展，成为行业发展主旋律。（二）风电产业发展面临现状清 洁 能 源 转 型 是 全 球 主 基调，各国政策引导风电发展，风电在未来 10 年依然属于政府大力推动的快速增长的行业。发展可再生能源已是全球共识，全球 136 个国家、115 个地区、235 个主要城市和 2000 家顶尖企业中的 682 家制定了碳中和目标，碳中和目标已覆盖全球 88%的温室气体排放和 90%的世界经济体量和 85%的世界人口。欧美能源大国支持风电发展政策持续，但随着陆上风电开发逐渐饱和，规划引导转向海上风电；亚太、东欧、中东及非洲等新兴市场政策规划支持力度明显，成为未来 10 年风电增长亮点。国家“双碳”目标出台，确定“十四五”风电更大规模发展的政策基调。“十四五”是碳达峰关键窗口期，新能源将迎来更大规模、更高速度的发展，各项政策紧密落地，为资源开发与新能源消纳提供保障；可再生能源消纳纳入地方政府考核，双碳行动方案推进，地方政府在可再生能源发展的重视和支持力度、决策影响力、参与深度均加强；项目落地形式将呈现多元化，一体化和多能互补项目落地远超行业预期，发电侧储能趋势逐渐明朗，零碳方案需求快速增长。二、中国风电设备的进化和演绎2023-06期电器工业杂志排版设计和印刷发排2.indd 22023-06期电器工业杂志排版设计和印刷发排2.indd 22023/7/5 下午1:462023/7/5 下午1:4632023.06.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYINDUSTRY PERSPECTIVE产业观察从 零 开 始 蹒 跚 起 步。20 世纪 7090 年代，中国风电机组自主研制和生产能力几乎是空白，主要是在政府资助下从国外引进成熟型号，容量以 55600kW 为主，引进型号主要包括：Vestas V15-55/11 机型（55kW）、Bonus 150/30、Bonus 450、TACK 600、Jacobs 48/600，大部分均为定桨失速型控制机组。国产并网型机组从无到有。1996 年，科 技 部 实 施“乘 风 计划”，设立“九五”期间项大型机组国产化技术攻关专题，通过消化进口机组技术并对核心部件进行国产化，陆续实现了 600kW 及750kW 机组的国产化生产能力，并实现部分核心部件的自主设计和自主开发。兆 瓦 级 机 组 全 面 国 产 化。2005 年，中国可再生能源法颁 布，行 业 逐 渐 进 入 发 展 快 车道。风电设备国产化率以及技术水平不断提升，主力机型逐步由千瓦级定桨定速机型升级为兆瓦级变桨变速机型。同时，头部企业逐步掌握整机设计能力，单机容量不断提 升。20102020 年，平 均 单 机容量从 1.5MW 提升 2.6+MW；其中，2014 年 1.52MW 机组装机占比持平，2017 年 2MW 以下机组占比已不足 10%。机 组 大 型 化 支 撑 LCOE 下降。随着行业发展和去补贴化，需 要 风 电 行 业 具 有 足 够 竞 争 力的 LCOE 水平，为此国内外主机厂主力产品随着时间推移逐步大型化，LCOE 水平也随之降低；20202022 年国内市场陆上机组叶轮直径从 16X 上升到 19X，机组容量从 4MW 级别上升到 6MW级 别，并 已 经 出 现 710MW 级别机组；国内海上机组最大已经达到叶轮直径 250+m、机组容量1315MW；国际机型陆上机组达到 17X-6X 水平。大型化趋势：大叶轮和高塔架。随着中国风能资源开发和利用范围不断扩大，东南区域及沙2023-06期电器工业杂志排版设计和印刷发排2.indd 32023-06期电器工业杂志排版设计和印刷发排2.indd 32023/7/5 下午1:462023/7/5 下午1:4642023.06.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYINDUSTRY PERSPECTIVE产业观察漠、戈壁以及荒滩等地区资源开发成为重要趋势，机组的技术发展趋势也顺应该需求逐步呈现大叶轮和高塔架趋势。就叶轮直径而言，2008 年均值 70m，2013 年提升至约 90m 级别，2022 年已经达200m 级别，相应的单位千瓦扫风面积也提升至 4.5m2/kW 及以上，以足够高的满发小时数确保合理的度电成本。大趋势：大叶轮和高塔架。随着中国风能资源开发和利用范围不断扩大，中国东南部区域的低风速资源开发成为重要趋势，机组的技术发展趋势也顺应该需求逐步呈现大叶轮和高塔架趋势。就塔架高度而言，自 2013 年业内开始尝试钢混塔结构以来，高柔钢塔及混塔技术不断推高塔基高度，国内塔架的标杆高度从 2015年 120m（钢 柔 塔）提 升 至 2021年 166m（钢混塔）。智能化及并网友好。2014 年之后，风电行业进入稳步增长阶段，中国风资源开发的版图不断扩大，风电场兴建时气候及地形特征愈发复杂多样，使得机组安全运行的挑战日益提升；为此，行业内厂家纷纷推出各种智能感知及控制技术，监控机组状态，预防极端事件。对标汽车行业的自动化等级，国内头部企业机组智能化水平已进入 2.0时代并正在迈向 3.0 时代。三、碳中和形势下风电设备创新方向（一）风电机组创新方向（1）整机技术路线陆地逐步集中在中速和双馈领域，海上则比较明显向中速路线集中。（2）硬件降载技术硬 件 降 载 技 术 主 要 聚 焦 于IPC、激光雷达、叶片净空、尾流控制和塔架阻尼器。1）激光雷达技术与 IPC 技术具有一定相互替代性，部分厂家重点发展激光雷达技术，而其他厂家重点发展 IPC 技术，部分厂家 IPC已经批量应用。2023-06期电器工业杂志排版设计和印刷发排2.indd 42023-06期电器工业杂志排版设计和印刷发排2.indd 42023/7/5 下午1:462023/7/5 下午1:4652023.06.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYINDUSTRY PERSPECTIVE产业观察2）尾流控制，各家在宣传和投标中均称可应用，但目前 JF 和MY 的开发进度较靠前，叶片净空技术类似。3）二阶阻尼器各家产品均已比较成熟，开始批量应用，但一阶阻尼器仅部分厂家开发。（3）新结构&新材料1）分片钢塔技术：当前各厂家均开始批量投标 160+市场，其中有自研方案、华斯壮格构式方案以及荷兰 Mecal 方案；2）QT500 材 料：不 少 厂 家均 采 用 类 似 Vestas 方 案，目 前Vestas 和 GE 出现小批量问题，部分厂家自主开发 QT500 材料。3）滑动齿轮箱：部分厂家已经在进行样机测试，滑动主轴承上有少量头部厂家开发并进入小批量。4）国产化主轴承：SRB 多家已国产化，DRTRB 轴承有部分厂家批量应用国内品牌；TRB 轴承部分已小批量。三排柱变桨轴承各家均批量应用。5）偏航集电环：部分厂家已经批量运行，其他厂家也在积极试验。（4）整机布局&吊装运维技术1）E-TOP 机舱：部分厂家陆地已小批量装机，海上各家均在开发 E-TOP 方案。2）吊装运维技术：免吊车更换大部件技术，陆地齿轮箱更换普遍采用吊车更换。目前仅有少数厂家开发了免吊车更换大部件工装，并已完成设备的测试。部分头部厂家目前主要针对海上机组，处于开发状态。3）叶片吊装技术：主要方案包括主推为盘车+水平单叶片吊装方案，陆地机组各家以斜插方案为主。但应对未来 180+塔架高度，水平单叶片方案应成为基本配置。（二）电力系统创新方向电 力 系 统 发 展 趋 势。基 于“双碳”顶层设计，国家相关部门于 2021 年提出以新能源为主体的新型电力系统建设远景；2022 年4 月 22 日，国家电网公司牵头并联合 31 家发电、新能源、装备制造业等单位成立了新型电力系统技术创新联盟，决定碳中和成败的技术创新“国家队”从此而诞生。新型电力系统有别于目前的以火电为主要电源的常规电力系统，旨在解决各种电源形式的协调发展问题和新能源电源的主体地位问题，并以社会用能形式的深度电气化，最终实现“双碳”战略目标。新型电力系统挑战。以新能源为主体的新型电力系统发展趋势已经形成，在电源侧、电网侧、负荷侧和调度侧正发生着深刻变化，电力系统的安全稳定性裕度不断降低，系统安全稳定性问题和电力电量的实时平衡问题开始成为新2023-06期电器工业杂志排版设计和印刷发排2.indd 52023-06期电器工业杂志排版设计和印刷发排2.indd 52023/7/5 下午1:462023/7/5 下午1:4662023.06.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYINDUSTRY PERSPECTIVE产业观察型电力系统的两大痛点问题。新型电力系统特征。不稳定新能源比例高、电力电子装备比例高、网源荷储耦合模式多样化、多种能源互补模式多样化；大云物移智链等现代信息/通信技术将被广泛应用，五大特征不仅确定了系统侧对电源的新需求，同时也在推动着相关技术的发展。对此，电压源型风电机组、风光储一体机、低频风电机组、直流风电机组等方面将成为风电技术下一步创新方向。1）电压源型风电机组：解决弱电网适应性等并网问题，将是替代同步发电机的有力竞争者。2）风光储一体机：以构造稳定电源为重点目标，在调峰调频服务、综合优化等技术细节上均存在价值。3）低频风电机组：海上风电除了高压交流和柔性直流外，低频风电机组能够为这种技术路线解决电源侧技术瓶颈。4）直流风电机组：直流风电机组技术能够为全直流海陆风电场、直流分散式接入等场景提供全新的电源解决方案。新架构概念。风电领域，只关注单个产品在并网终端的电网友好性已经成为“过去式”，已经不符合新型电力系统发展需要，产品集在系统中的最终表现才是新能源电源厂家需要面对并解决的硬指标。大基地接入、超高压交&直流送出、风火打捆、独立电网、沙漠送出、跨境输电、供电&供能一体化等多种场景下，如何让风电机组产品集合体能够解决或助力新型电力系统两大痛点问题的解决，需要系统层面的技术创新，构建不同于传统概念的新型整机拓扑架构，甚至于完全颠覆传统的技术概念。1）架构新概念：为突破机组设计时比例放大法则（即 Scaling Rule）中质量呈三次方增大的局限2023-06期电器工业杂志排版设计和印刷发排2.indd 62023-06期电器工业杂志排版设计和印刷发排2.indd 62023/7/5 下午1:462023/7/5 下午1:4672023.06.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYINDUSTRY PERSPECTIVE产业观察性，多叶轮机组概念是一个值得重点关注的方向；同时，2 叶片机组概念以更高的 CoE 优势重回人们视野。2）海上风电新概念：深远海漂浮式机组不断尝试半潜式等概念，包括将多叶轮和两叶片与漂浮式概念的组合创新。3）面向未来：高空风电机组作为颠覆性概念，在国外同行中进行过多年系统可行性验证；未来，或许会成为主流技术路线。四、风电电气系统创新技术数字孪生系统。结合机组关键部件的在线实测数据，动态获得机组的剩余寿命；结合高性能感知系统、高精度数字孪生引擎和全寿期智能决策系统，实现机组真正意义的全生命周期闭环控制；综合考虑电价、电网、风参、载荷、运行策略发挥机组的真正潜力，实现从发电量最优到发电收益最优。电机技术。永磁电机低成本和高可靠性的兼顾，是（齿箱+电机）集成式中速机组的关键技术挑战之一。难 点 和 挑 战：中 速 电 机 转子磁钢已经占据电机采购价格的35%，随着稀土磁体价格涨势的不确定性，对电机总成本影响会更加明显；如何减少磁钢用量和牌号要求是提高产品市场竞争力的关键；同时轴电压抑制方案的有效性和免维护性也是减少大部件质量损耗的关键。关键技术：采用安全的极限气隙设计原则，减小气隙磁阻和磁钢的用量；陆上机组采用直接风冷技术，降低磁钢温度和磁钢牌号；采用定子多槽+4 套绕组的设计方式，提高定子冷却效率、降低短路扭矩（增加齿轮箱寿命）；绝缘端盖和碳纤维碳刷的轴电压抑制方案的预研，提高海上机组的MTBF 指标。变流技术。自主研发搭载高功率密度模块的三电平变流器，实现高压大功率三电平变流器性能（额定功率效率 97.92%）及可靠性（MTBF 超过 30000h）；变流器智能运维方面，通过高速光纤通信技术实现中控到机组的快速数据传输，结合变流器在线实测数据，实现变流器在线健康评估，智能预警孤岛及整机故障。并网技术。当前我国新能源渗透率比例为 12%，国际方面以澳洲为代表约为 20%30%。随着新能源比例增加，传统的随网型（grid following）风机将不能稳定接入电网。到 2060 年，我国新能源比例预计高达 70%，传统随网型风机难以支撑电网稳定运行。依托于解决国际澳洲项目并网技术难题经验，应开展构网型（grid forming）风机技术研究和开发。构网型风机具有更好的弱电网适应性，可适应 SCR 1.1 的电 网 强 度，提 供 更 强 的 电 网 支撑，更快的频率支撑响应能力，提供主动阻尼，以及更好的宽频振荡抑制能力，同时具备独立组网自同步能力。构网型（电压源型，grid forming）风机技术是未来新能源为主体电力系统电源侧关键解决方案之一。五、结束语2023 年 是 党 的 二 十 大 胜 利召 开 之 后 的 开 局 年，也 是 实 施“十四五”规划的重要一年。随着三年疫情的结束，重大工程、重大项目相继启动，稳定宏观经济、助企纾困等各项政策措施逐步落地见效。作为能有效拉动经济的风电开发，越来越获得各个地方政府的认同和青睐。风电行业运行环境将持续改善、市场需求有望进一步回升。但以俄乌冲为代表的国际地缘政治冲突加剧、全球流动性宽松以及金融市场投机炒作等多种因素交织作用，保持风电行业经济平稳运行的压力依然存在。2023 年及未来，一方面，投资商热情持续增长，行业总体增速将大幅提高。另一方面，以中字头央企为首的能源巨头和大型制造企业纷纷进入风电开发和整机制造，风机价格的内卷进入白热化，降成本将成为整机和零部件厂家技术创新的首要任务乃至生死关，新技术的快速应用及新平台机型的不断推出将会成为新常态。DQGY2023-06期电器工业杂志排版设计和印刷发排2.indd 72023-06期电器工业杂志排版设计和印刷发排2.indd 72023/7/5 下午1:462023/7/5 下午1:46