2009-2012年中國風電機組技術發展趨勢分析

一、風電設備發展的國際趨勢

從國際風電設備技術發展趨勢看，主要體現在容量大小、漿矩變化、驅動方式、控制技術等主要方面。

1、單機容量增大

單機容量越大，單位千瓦的造價越低。正是基于經濟效益的優勢，單機容量逐步提高成為國際風電設備發起站的主要趨勢之一。

20世紀末，風電機組主流規格在歐洲是750千瓦，美國是500千瓦。進入21世紀，主流機型已經達到1500千瓦。譬如丹麥的新建風場的單機容量都在1000千瓦，德國在北海建設的風場的單機功率在5000千瓦。

目前，世界主要風機制造商都提出要在2010年實現10000千瓦的計劃。美國已經研制成7000千瓦的風機。

2、定槳矩向變槳矩的變化

以前的槳葉采用固定模式，現逐步發展為變槳矩模式。利用變槳矩調節技術，葉片的安裝角可以根據風速的變化而改變，氣流的攻角在風速變化時可以保持在一定的合理范圍。當風速大于額定風速時，仍可以保持穩定的輸出功率。

目前市場上的失速型風電機組一般采用雙繞組結構(4極/6極)的異步發電機，雙速運行。

在高風速段，發電機運行在較高轉速上，4極電機工作；在低風速段，發電機運行較低轉速上，6極電機工作。雙速運行的優點是控制簡單，可靠性好。缺點是由于轉速基本恒定，而風速經常變化，因此風力機經常工作在風能利用系數（Cp）較低的點上，風能得不到充分利用。

近年來發展起來的變速風電機組一般采用雙饋異步發電機或多極同步發電機。雙饋電機的轉子側通過功率變換器（一般為雙PWM交直交型變換器）連接到電網。該功率變換器的容量僅為電機容量的1/3，并且能量可以雙向流動，這是這種機型的優點。多極同步發電機的定子側通過功率變換器連接到電網，該功率變換器的容量要大于等于電機的容量。變速運行風電機組通過調節發電機轉速跟隨風速變化，能使風力機的葉尖速比接近最佳值，從而最大限度的利用風能，提高風力機的運行效率。

4、驅動方式

從風輪到發電機的驅動方式大致分為三種：第一種是通過多級增速箱驅動雙饋異步發電機，簡稱為雙饋式。第二種是風輪直接驅動多極同步發電機，簡稱為直驅式（或無齒輪箱式）。第三種是單級增速裝置加多極同步發電機技術，簡稱為混合式?；旌鲜皆O計旨在融合雙饋式和直驅式機組的優點而避免其缺點。芬蘭 WinWind公司已開發出容量1.1MW，葉輪直徑56米的混合式風電機組。

從國際上的趨勢看，直驅式風力機由于具有傳動鏈能量損失小、維護費用低、可靠性好等優點，在市場上正在占有越來越大的份額。

二、國際接軌是我國風電機組發展的必然趨勢

1、現狀分析：與先進水平差距明顯

我國從20世紀70年代開始研制大型并網風電機組，直到1997年在國家“乘風計劃”的支持下，才真正從科研走向了市場。我國風力發電機組的研發能力嚴重不足，基本還處于跟蹤和引進國外先進技術的階段。而且，國產產品大多是“定槳定速’技術的，只相當于國際上20世紀90年代中期的水平。但就是這樣的技術我們還沒有自主開發的產品。一方面，國內風電技術基礎薄弱，核心技術缺乏。由于我國風電設備制造起步較晚，雖然采取了測繪仿制、合資生產或購買許可證國內組裝等技術途徑，但未能掌握風電機組總體設計的核心技術。同時，開發中的測試、試驗標準與規范極不健全。雖然我國對風電機組的測試技術作過一些研究，但不夠系統，技術標準、產品認證工作滯后，而且沒有風電設備的國家試驗風場。另一方面，技術發展滯后，創新能力不足。目前，我國風電產業技術還沒有達到國外主流機型的技術水平，正在開發的機型已經是國外相對成熟的技術。而風力發電機組技術發展非常迅速，更大功率、更先進技術和新的設計理念不斷涌現，部分技術國內剛剛掌握就已經落后于國際主流技術。

2、國際風電發展的啟示

回顧國際風電發展歷程，大致可以分為三個階段：

第一階段：1977-1987年。這個階段的主要成就是證明風力是可以發電的，風的很多特點是可以被人類利用和控制的。其中，丹麥和美國的研究成果最多，風機容量也從幾十千瓦發展到百千瓦。

第二階段：1987-1997年。風電技術逐步成熟，風電產業成規模的發展，并建立了穩定的商業模式。涌現出了近10家技術較為成熟的優秀制造企業，單機容量從百千瓦提高到幾百千瓦，變槳風機技術成熟并進入市場，與失速風機在競爭中共同發展。另外，風機的單位千瓦造價從1000美金降到700美金。

第三階段：1997-現在。兆瓦級風機成主要趨勢，海上風電逐步推廣。隨著單機容量提高，為應對極限載荷和疲勞載荷的挑戰，新的直驅變速變槳和雙饋變速變槳逐步成為兆瓦級風機的主流技術。

我國的風電發展大致比國際先進水平晚10-15年，可以分為四個階段：

第一階段：1986-1990年。尚處于探索和示范階段，其特點是項目規模小，單機容量小，也是從幾十千瓦開始。

第二階段：1991-1995年。示范項目取得成效并逐步推廣階段，就是在該階段的1994年，新疆風能公司迎來了第一個發展機遇--德國政府"黃金計劃"援助，即提供進口德國風電機組費用2/3的無償援助，進8臺總容量為4050千瓦的風電機組，使得風電場容量增加到6100千瓦，在我國也首次出現 500千瓦的產品。

第三階段：1996-2004年。新疆風能公司迎來了第二次發展機遇--國家在"九五"期間決定推進大型風電機組的國產化研制，公司進行了以科研人員入股成立有限公司作為科研項目承擔主體的機制創新。1998-2000年，研制出10臺國產化率34%-96%的600千瓦風電機組，并催生了在國內市場處于絕對領先地位的新疆金風科技股份公司。

第四階段：2005-現在。2005年2月28日，第十屆全國人大常委會第十四次會議通過了《中華人民共和國可再生能源法》，2006年11月，《促進風電產業發展實施意見》出臺。在一系列扶持政策的依托下，出現了包括東方電機、大連重工、湘電股份、沈陽工業大學、哈爾濱動力、航天安迅能等一大批具有較強技術背景和綜合技術實力的企業，國內風電產業風起云涌，進入群雄逐鹿階段。

結合前面的國際經驗分析，我國風電產業起步晚10年，目前的綜合階段仍比國外落后10-15年。1997年時，國外已經形成了較為清晰的競爭格局，而我國目前的競爭才剛剛開始，更加激烈的競爭場面將后續上演。

3、趨勢展望：國際接軌是必然趨勢

借鑒國際風電發展的經驗，除了政府扶持等外部因素外，技術創新成為行業發展的核心內生性因素。風電作為全球一體化的產業，技術創新的核心就是國際化接軌。單機大容量、變槳矩、變速恒頻、直驅式是國際風電技術的主要趨勢，也是我國風電產業技術發展的必然趨勢。

國內風電機組制造企業面臨著技術路線從定槳定速提升到變槳變速，單機功率從百千瓦級提升到兆瓦級的雙重壓力，技術路線跨度較大關。今后，我國大力發展大型風電機組的重點是掌握大型風力發電機組核心關鍵技術，包括總體設計、總裝技術及關鍵部件的設計制造技術等，整機技術路線將以目前歐洲國家流行的變槳變速的雙饋異步發電型、低速永磁同步發電型為主。

從我國風電技術發展的現狀看，以金風科技為代表的企業已經基本實現了600kW、750kW和800kW風力發電機組的國際化接軌。依靠國外技術和自主創新，國內的部分企業在兆瓦級水平上也已經具有了較強的競爭力。

三、風力發電技術的發展方向和特點

風能是非常重要并儲量巨大的能源，它安全、清潔、充裕，能提供源源不絕，穩定的能源。目前，利用風力發電已成為風能利用的主要形式，受到世界各國的高度重視，而且發展速度最快。

風力發電有三種運行方式：一是獨立運行方式，通常是一臺小型風力發電機向一戶或幾戶提供電力，它用蓄電池蓄能，以保證無風時的用電；二是風力發電與其他發電方式（如柴油機發電）相結合，向一個單位或一個村莊或一個海島供電；三是風力發電并入常規電網運行，向大電網提供電力，常常是一處風電場安裝幾十臺甚至幾百臺風力發電機，這是風力發電的主要發展方向。

在風力發電系統中兩個主要部件是風力機和發電機。風力機向著變漿距調節技術、發電機向著變速恒頻發電技術，這是風力發電技術發展的趨勢，也是當今風力發電的核心技術。下面簡單介紹這兩方面的情況。

1、風力機的變漿距調節

風力機通過葉輪捕獲風能，將風能轉換為作用在輪轂上的機械轉矩。

變距調節方式是通過改變葉片迎風面與縱向旋轉軸的夾角，從而影響葉片的受力和阻力，限制大風時風機輸出功率的增加，保持輸出功率恒定。采用變距調節方式，風機功率輸出曲線平滑。在額定風速以下時，控制器將葉片攻角置于零度附近，不做變化，近似等同于定漿距調節。在額定風速以上時，變漿距控制結構發生作用，調節葉片攻角，將輸出功率控制在額定值附近。變漿距風力機的起動速度較定漿距風力機低，停機時傳遞沖擊應力相對緩和。正常工作時，主要是采用功率控制，在實際應用中，功率與風速的立方成正比。較小的風速變化會造成較大的風能變化。

由于變漿距調節風力機受到的沖擊較之其它風力機要小得多，可減少材料使用率，降低整體重量。且變距調節型風力機在低風速時，可使槳葉保持良好的攻角，比失速調節型風力機有更好的能量輸出，因此比較適合于平均風速較低的地區安裝。變距調節的另外一個優點是，當風速達到一定值時，失速型風力機必須停機，而變距型風力機可以逐步變化到一個槳葉無負載的全翼展開模式位置，避免停機，增加風力機發電量。變距調節的缺點是對陣風反應要求靈敏。失速調節型風機由于風的振動引起的功率脈動比較小，而變距調節型風力機則比較大，尤其對于采用變距方式的恒速風力發電機，這種情況更明顯，這樣不要求風機的變距系統對陣風的響應速度要足夠快，才可以減輕此現象。

2、變速恒頻風力發電機

變速恒頻風力發電機常采用交流勵磁雙饋型發電機。它的結構類似繞線型感應電機，只是轉子繞組上加有滑環和電刷，這樣一來，轉子的轉速與勵磁的頻率有關，從而，使得雙饋型發電機的內部電磁關系既不同于異步發電機又不同于同步發電機，但它卻具有異步機和同步機的某些特性。交流勵磁雙饋變速恒頻風力發電機不僅可以通過控制交流勵磁的幅值、相位、頻率來實現變速恒頻，還可以實現有功、無功功率控制，對電網而言還能起無功補償的作用。

交流勵磁變速恒頻雙饋發電機系統有如下優點：

第一、允許原動機在一定范圍內變速運行，簡化了調整裝置，減少了調速時的機械應力。同時使機組控制更加靈活、方便，提高了機組運行效率。

第二、需要變頻控制的功率僅是電機額定容量的一部分，使變頻裝置體積減小，成本降低，投資減少。

第三、調節勵磁電流幅值，可調節發出的無功功率；調節勵磁電流相位，可調節發出的有功功率。應用矢量控制可實現有、無功功率的獨立調節。

四、我國發展大型風電機組的研制開發目標和方向

針對“十一五”期間我國風電產業發展方向、規劃安排和重點任務，以及現有的技術狀況，今后我國大力發展大型風電機組的重點將是，努力掌握大型風力發電機組核心關鍵技術，包括總體設計、總裝技術及關鍵部件的設計制造技術等，整機技術路線將以目前歐洲國家流行的變槳變速的雙饋異步發電型、低速永磁同步發電型為主。具體研制開發目標和方向大體是：研制開發符合依托工程張北風電場氣候條件的2.5兆瓦級變速變槳距風力發電機組；國產化率達80%以上，葉片、電控與變流器、發電機、齒輪箱等關鍵零部件立足國內研制開發；滿足認證機構的設計認證；整機和關鍵零部件樣機性能達到同類產品國際先進水平；形成有自主知識產權和整機及關鍵部件的設計制造能力。

五、風機技術發展趨勢及競爭格局

1、技術發展趨勢：

相對于其他的能源，風電是一種新的技術。不過，現代風電場已具備成熟的技術，建造過程相對簡單，而其設計和運營卻相對復雜。這一行業用到了多種發展成熟的科學技術，包括航空設計、重型鋼板工程學、玻璃和木材的環氧化合物（用于飛機、輪船和汽車）以及電場檢測和控制等。經過多年的應用及發展，帶有三葉片、帶變速驅動器、偏航軸承的風機成為當今的主流。風電技術的發展趨勢主要表現在以下幾個方面：

（1）風力發電機組的單機容量繼續增大

20 年前，風電機組單機容量僅為25 千瓦，今天商業化機組的容量一般為750-2500KW。未來海上機組的容量將更大，目前德國已經生產出5MW 的機組，10MW 以上的機組正在研發中。

（2）海上風電悄然興起

海上風電場是國際風電發展的新領域。開發海上風電場的主要動機是因為海上風速更高且更易預測，海上風電場的發電量比陸地高出20%-40%。且隨著風力發電的迅速發展，土地資源稀缺性已經有所顯現。

（3）變槳和變速更具發展優勢

因為變槳距調節提供了更好的輸出功率品質，因此變槳距調節是大型風力發電機的最佳選擇。而通過控制發電機的轉速，能夠使風力發電機的葉尖速比接近最佳值，提高風力發電機的運行效率。

（4）直接驅動和混合驅動技術的市場份額迅速擴大

齒輪傳動不僅降低了風電轉換效率和產生噪音，同時是造成機械故障的主要原因，而且為了減少機械磨損需要潤滑清洗等定期維護。采用無齒輪箱的直驅方式雖然提高了電機的設計成本，但卻有效地提高了系統的效率以及運行可靠性。因此，直接驅動和混合驅動技術的市場份額迅速擴大。

2、競爭格局：

（1）國內市場進口設備、金風科技一統天下

我國自1958 年開始風力發電機組的開發，70 年代末，浙江機電院、上海電力院等單位開發了我國第一臺現代工業概念的18KW 風力發電機組。1983 年，我國引進了3 臺55 千瓦Vestas 風力發電機組，從此打開國門，吸收引進國外的先進技術。通過技術交流與合作，我國于90 年代先后成功開發55KW、120KW、200KW、300KW 風力發電機組。本世紀初開始，金風科技600KW、浙江運達250KW 風力發電機組大批量進入市場。目前，新疆金風、浙江運達、大連重工750KW 機組開發成功并投入市場，金風科技、大連重工正在積極開發1.2MW 的機組。與國際風力發電巨頭相比，我國風力發電機組公司生產能力不足，產品質量也難望其項背。2005 年風力發電新增裝機容量中，進口產品占據了70%的市場份額。而在剩下的30%市場份額中，金風科技一支獨秀，占據了26.4%的市場份額，留給國內其他企業的市場份額不到3%。

（2）我國風電機組的競爭將更加激烈

2005 年，國家發改委1204 號文件出臺，對風電建設管理提出具體要求，明確指出，風電設備國產化率要達到70%以上（國外公司在國內投資建廠也算國產化設備），不滿足設備國產化率要求的風電場不允許建設，進口風電設備要照章納稅。

中國政府風電設備本地化的意志無疑希望打破進口設備一統天下的局面。為應對這一政策的變化，國外的優勢龍頭企業紛紛在國內設立獨資或合資企業大舉進入中國市場。

2005 年6 月，世界最大的風力發電設備生產廠商丹麥維斯塔斯風力發電公司獨資設立的維斯塔斯風力發電設備（中國）有限公司在天津開發區正式投產。該公司一期投資3000 萬美元，年產600 片風機葉片。2007 年進行二期擴建，可達到年產1200 片風機葉片的生產能力（80 萬千瓦），同時還將進行第二期和第三期生產開發。目前，維斯塔斯計劃在天津開建發電機廠及機艙和輪轂裝配廠，形成整機準備能力。

而幾乎同時，全球第二大Gamesa 公司也于2005 年在中國投資建廠。該廠生產風力發電整機，投資遠大于維斯塔斯中國公司，2006年形成年產50 萬千瓦的裝機容量，2007年形成年產70 萬千瓦的裝機容量。西班牙建筑和可再生能源集團Acciona 與中國航天科技集團公司（CASC）在江蘇南通成立合資公司，近期有望達到400 臺“AW-1500”型風電機組、總發電容量60 萬千瓦的生產能力。這將相當于Acciona 風電機組總產量的三分之一，Acciona還計劃于2007 年底在內蒙古開辦一座類似工廠。除Vestas 、Gamesa、Acciona 外，美國通用電氣（General Electric）和德國諾德集團（Nordex）也計劃在中國制造風力發電設備。同時，風電急速發展的態勢也讓更多的國內“淘金者”蜂擁而至。2005 年8月，國家發改委1593 號文件出臺，提出加快風電設備本地化有關意見，明確表示重點支持新疆金風科技股份有限公司和大連重工·起重機械廠。然而，除傳統的企業之外，湘潭電機集團有限責任公司、東方電氣集團東方汽輪機廠、哈爾濱電站集團、上海電氣公司、中國運載火箭技術研究院、天威保變等企業也紛紛宣布從國外引進技術開發1-1.5MW 的風力發電機組。按照各產商的擴產計劃，僅Gamesa、Acciona、金風科技三家廠商的生產能力就能滿足我國整體風機需求，總體而言，未來，我國風電設備行業的競爭將更趨激烈。