近些年来,全球的风力发电行业发展十分迅速,发展前途可观,各个国家都十分重视风力发电技术,风电机组装机容量不断的提高,即使在全球经济衰退的大背景下,在制造业行业中整个风电累计装增量的增长率依然遥遥领先。由于我国的能源短缺问题、环境污染问题非常严重,风电技术由于清洁、可靠、无需进口的优势成为了发展的重点项目。我国可以开发的陆地风能资源大约分别为253GW,海洋风能资源大约为750GW。
在风电的设计生产制造与运行控制技术方面,西班牙在2009年安装了第一台4.5MW风电机组,该风电机组由本土制造商生产,机组的叶轮直径为128m,采用了中速齿轮箱和永磁同步发电机及全功率变流器设计,实现了叶片变桨独立控制,明显提高了机组的可利用率及常规使用的寿命。欧洲在海上风电产业技术方面的发展处于全世界领头羊,拥有的核心技术包括无齿轮直驱及混合驱动技术、双馈齿轮驱动技术等,美国风电设备制造商GE已经研发一种被称之为“动态无功控制”的闭环风电场电压控制技术。
在风力发电初始阶段,采用较多的为低效率的定桨距恒速恒频风力机,风能利用率较低。随着风力发电技术日趋成熟,出现了比较先进的变速恒频风力发电系统(VSCF),最大限度的提高了风能利用率。变速恒频风力发电机应用的主流机组为双馈式感应异步发电机(DFIG)和直驱永磁同步风力发电机(PMSG)。与DFIG相比,直驱永磁同步风力发电机组可靠性、故障率、机械损耗等降低,机组的运行寿命延长。
风电电源在应用中需注重与电网的协同运行,相关的研究包括电网风电接纳能力、风电机组低电压穿越能力等,但这些研究相对独立,对于技术之间的相互影响及制约作用等处于研究的空白阶段。
1986年山东荣成风电场的成功并网代表着我国风电开发建设的开始,至今我国风力发展技术的开发与应用研究已经过了30多年,实现了从无到有、由弱变强质的飞跃。在技术探讨研究之初主要由相关高等院校及科研机构进行理论、原理样机方面的研究,之后出现了一批风力发电技术企业如新疆金风科技股份有限公司,企业在国家政策的引导、扶持下,通过技术引进与创新加快了我国风力发电的速度,完善了风力发电相关产业链,技术创新方面取得了新的突破。
2006年1月1日实施了《可再生能源法》,我国的风电进入了高速的黄金发展时期,2009年颁布了《新能源产业规划》、《风电“十二五”发展规划》,推进了河北、蒙西、甘肃、新疆等9个大型风电基地建设,风机的装电量突破了2000万千瓦。2012年我国成为全世界风电市场的领头羊,2015年我国风电行业达到了“亿千瓦”,依据相关的行业统计数据可知,在过去的2006-2017年的11年间,我国的风电装机容量发展迅速,年平均增长率达到了46%。2018年风电发电3660亿千瓦时,2019年中国风电发电大幅度增长到4057亿千瓦时,同比增长10.85%;2020年上半年全国风电发电量为2379亿千瓦时,同比增长10.91%。
自2010年起弃风现象开始显现。此后的2011年和2012年全国平均弃风率逐年上升。进入2015年弃风限电问题再次上演“疯狂”一幕,国家能源局公布的数字显示全国平均弃风率达到15%,全年的弃风电量达到339亿千瓦时,直接电费损失超过180亿元。2019年国家积极地推进风电无补贴平价上网项目建设,全面实施风电项目竞争配置工作机制,建立健全可再次生产的能源电力消纳新机制,结合电力改革推动分布式可再次生产的能源电力市场化交易等,全方面促进可再次生产的能源高水平质量的发展。截止2019年弃风电量166亿kWh,全国弃风率下降至4%;而新疆下降至14%,甘肃下降至8%,均创历史新低。
总体来说,在风电装备的制造领域我国技术不停地改进革新,2009年我国的新增风电装机国产化率已达85%以上,国产的0.15万千瓦、0.2万千瓦机组慢慢的变成了应用的主流机组。2010年之后研发了海上0.4万千瓦等机型,并在应用中取得良好效果。当前我国已形成了涵盖研发技术、整机制造、开发建设、标准和检测认证体系以及市场运维的完整的风电产业链体系,在叶片设计、塔筒结构、控制管理系统等方面研发了新技术,我国陆地主流机型由1.5兆瓦向2～2.5兆瓦发展;适用于海上的7兆瓦风电机组也已经有了实验样机。全球风能理事会(GWEC)发布的《全球风电市场-供应侧报告2019》显示,2019年全球共安装了来自33个制造商的22893台风机,新增装机量超过63GW,创造了风电行业供应侧的历史上最新的记录。在全球风机制造商前十五强中有八家中国公司。
我国风力发电技术发展过程中还存在诸多问题,如变速恒频运行技术、风电机组的大型化技术、变桨距控制技术等还未取得重大的突破,大型风电机组几乎全部依靠进口,风电机组欠佳的低电压穿越、高电压穿越、阻尼控制等特性导致电机在应用中水土不服,脱网事故频发;弃风率较高,当前我国的风电技术在基础理论、状态检测、感知技术及整机技术等领域与发达国家相比还存在着差距,仍需针对相应的问题进行创新,加强研发技术。此外,国产机组的风电场与国外相比机组的可利用率较低,一些国产机组在运行中主轴问题、电机故障、齿轮箱故障等发生的频率较高,风电机组的整机设计软件与我国的资源条件不相匹配;与先进的欧洲国家相比,海上风力资源的风电场选址技术、风力资源测量分析技术落后。与风电场相关的输送、消纳配套产业高质量发展滞后,存在风电入网送出难问题。
继续研发大容量机组,提升机组单机容量。风电机组的单机容量升高可降低机组运行中的成本,提升机组运行的规模效应。为了适应大容量的风电机组,要实现机组结构设计的轻盈化、柔性和紧凑性,如设计直驱动系统,采用高新复合材料加长风机叶片等。2020年7月12日,国内首台10兆瓦海上风电机组在三峡集团福建福清兴化湾二期海上风电场成功并网发电。这是目前我国自主研发的单机容量亚太地区最大、全球第二大的海上风电机组,刷新了我国海上风电单机容量历史纪录。
风电技术发展的新趋势。针对我国风电技术中存在的问题,风电技术的未来发展的新趋势大多分布在在双馈异步发电技术,直驱式、全功率变流技术,低电压穿越技术,全功率变流技术,提升大型机组核心部件性能,加大大容量直驱风电机组的研发。在机组运行将引入智能控制技术,如研究改进的神经网络最佳功率跟踪控制策略,整机设计中融入智能控制技术。通过风电技术的研发及创新应用,确保我国风电系统和电网的稳定、安全运行。
加快海上风电发展速度。海上风速大且稳定,海上风电场年平均利用小时可达3000h以上,年发电量可比陆上高出50%,但我国海上风电的发展相对落后,根本原因有以下四个方面:一是我国企业不具备发展海上风电的核心技术;二是我国的海上风电的运维成本比较高,需要投入大量的资金建设海上风电项目;三是海上风电的并网送出机制并不完善;四是海上风电在运行管理中需要涉及海洋管理部门、渔业部门等多个领域,协调管理机制不完善。但是由于海上风电具有风能资源丰富、利用小时数高,不占用土地、消纳方便等优点,还需要发展海上风电技术。
近年来,由于我国陆上风电的建设技术已日趋成熟,国家风电发展政策逐渐向海上发电倾斜;此外海上风电资源更为广阔。在我国东部沿海的海上,其可开发风能资源约达7.5亿千瓦,不仅资源潜力巨大且开发利用市场条件良好。据国家能源局统计多个方面数据显示,2013年以来我国海上风电市场占有率稳步提升,2013年海上风电累计装机容量为45万千瓦,仅占总体的0.58%,到2020年上半年增长至699万千瓦,占总体的3.22%。预计未来,海上风电市场占有率将逐步提升。近几年我国海上风电发展速度有所提升,发展速度需进一步加快。
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