風力發電設備技術現狀與發展趨勢

劉平 張媛 莫堃 彭惺

(東方電氣集團科學技術研究院有限公司，四川 成都 611731)

1 風電發展環境分析

在“碳達峰·碳中和”的大趨勢下，我國電力結構調整加速，風電、太陽能等可再生能源裝機容量在電網中所占比重快速上升。按《關于促進新時代新能源高質量發展的實施方案》，我國到2030年風電、太陽能發電總裝機容量將達到12億kW以上。

在政策鼓勵、風電平價時代影響與新型材料應用發展背景下，我國風能產業快速發展，風電行業科技創新實力逐漸增強，正在全面趕超國外先進水平。首先表現在產品大型化加速演進。2010～2020年，陸上風電產品功率等級從1.5 MW上升至7 MW(風輪直徑從93 m上升至170 m以上等級)，如圖1所示，海上風電產品功率等級從3 MW上升至16 MW(風輪直徑從110 m上升至260 m)。與此同時，風電產品開發周期卻在縮短，從研制到投放市場的周期已由原來的2到3年縮短為不到1年。

大型風機發電能力更強，但故障率更高、運行成本更高，對風電技術提出了新要求。智慧風電技術可實現自動檢測、提前預測、快速響應，有效降低故障率、實現提質增效，逐漸成為行業技術發展的重點方向。智慧風電是風電技術發展與信息化技術發展結合的產物，是行業技術頂尖的研究之一。目前美國國家可再生能源實驗室提出了SMART戰略，GE公司布局了數字化風電場，遠景公司開發了能源互聯網平臺EnOS，上海電氣發布了“風云集控”系統，國內外先進企業均大力投入研究大數據、網絡平臺和人工智能等智慧化技術如何與風電技術結合，推進風電場生產運行效率、降低生產成本與運維成本，最終實現提升行業整體效率。

2 風電機組技術發展路線分析

目前廣泛應用的風電機型主要有雙饋、直驅和半直驅三種類型。其中雙饋式風電機組整體經濟性較好，但后期運維成本較高；直驅型風電機組效率高、壽命長、后期運維費用更低，但成本更高。未來預期折中融合雙饋和直驅二者低成本、高可靠性特點，是適應陸上和海上機組大型化的重要發展方向與選擇之一。

2.1 雙饋式風電機組

雙饋異步風機是市場上應用最多的風電機組，市場份額占比最高，其發電原理如圖2所示[2]。雙饋機型整體經濟性好，目前5 MW以下等級的雙饋機型技術性能穩定、供應鏈成熟、制造成本相對較低，但后期運維成本較高[3]。當前主流技術研究方向集中在低電壓穿越時的控制策略、高壓穿越控制策略和并網相關研究等，智能化控制相關研究貫穿其中。

圖2 雙饋式風力發電機組結構框圖

2.2 直驅型風電機組

直驅式風力發電機由多極電機與葉輪直接連接驅動，如圖3所示，與雙饋式風機比，減少了齒輪箱，體積更小，壽命提升，降低了運維成本[4]。但由于發電機和全功率變流器的存在，成本明顯增加。綜合計算來看，直驅型風電機組的購置與運行成本高于雙饋發電機組。

圖3 直驅型風力發電機組結構框圖

當前主流技術研究方向集中在減載調頻策略、扭振瞬態響應計算、并網相關研究等，智能化技術也在研究中起了重要作用。如國網與國家能源集團共同提出了一種基于dq軸旋轉坐標系的雙饋風機內電勢串級控制策略，可以提高雙饋風電機組穿越故障的能力[5]。浙江電力公司開發的基于PSASP自定義接口功能的直驅型風電機組簡化模型，實現了重要參數的優化工作[6]。

雖然雙饋發電機是未來主流機型，但在低速電機勵磁無功顯著增大的趨勢下，雙饋電機的主要優勢或將失去；其次，由于電力電子技術的飛速發展，變頻器成本大幅降低也進一步加劇了雙饋發電機優勢的喪失。在此情況下，其滑動電接觸可靠性低、維護工作量大的缺點就更加顯現出來。

2.3 半直驅風電機組

半直驅風機是在風電機組大型化發展過程中，融合雙饋與直驅電機特點形成的。其結構與雙饋風機近似，區別在于齒輪傳動比更低；與直驅機相比，發電機轉速更高，具體如圖4所示。半直驅機型折中融合雙饋和直驅二者低成本、高可靠性特點，是適應陸上和海上機組大型化的重要發展方向與選擇之一。預期未來幾年陸上會有更多的雙饋機型和緊湊型半直驅機型出現，海上會有越來越多的大中型半直驅、直驅風機投放市場。

圖4 半直驅型風力發電機組結構框圖[7]

近幾年，半直驅風電機組的技術研究方向主要集中在功率控制、運維技術研究等，智能化研究手段在其中起到了重要作用。如廣東電網提出的一種基于非線性魯棒H∞方法的半直驅風電機組有功功率控制方法，有效實現風力機組在額定功率控制狀態下和非額定功率的恒功率控制狀態下的有功功率控制[7]。

多樣化的機型發展是市場需求和競爭的產物，在價格壓力倍增的市場競爭環境下，各整機商互相學習借鑒，積極探索，努力研究符合市場需求的新機型，加速了風機技術路線的創新與融合。預期未來幾年陸上會有更多的雙饋機型和緊湊型半直驅機型出現，海上會有越來越多的大中型半直驅、直驅風機投放市場。

3 風力發電設備技術發展方向

3.1 大型化風電產品

由于風電開發成本和平價上網的雙重壓力，為降低度電成本、改善風電場經濟指標，加速開發大型化、長葉片、高塔筒風電產品將成為風電技術發展的必然選擇。國家發改委、國家能源局提出，到2030年，力爭實際應用并推廣200～300 m高空風力發電，10 MW及以上級別的大型風電機組關鍵零部件實現設計技術與制造技術突破，推動我國成為風電技術創新和產業發展強國。

根據全球風能理事會數據，過去十年全球風電單機容量較十年前平均增長了72%。除產品價格、質量等因素外，當前風機產品的競爭力主要體現在功率等級和風輪直徑。陸上風機功率等級從4 MW上升至7 MW，風輪直徑從150 m級上升至200 m級；海上風機功率等級從10 MW上升至16 MW，風輪直徑從180 m上升至260 m。

預計未來五到十年，陸上大中型雙饋機型和緊湊型半直驅機型、海上大中型半直驅風機產品是風電機組研發的主要方向。更大容量、更低成本的風電技術，將具有市場優勢。

3.2 智能化風電產品

近年來，隨著設計和工藝技術的改進，風機正朝著大容量、高性能、定制化、快速響應的方向飛速發展。但風機設計流程又非常復雜，需要力學、電控、機械、材料等多個學科通力協作，中間的每個環節都有其特有的專業性和難點痛點，而任何一個環節的滯后，都將引起整臺風機研發進度滯后，甚至任何一個環節達不到技術指標，都將導致新產品研發失敗。因此，未來的風電機組從設計、制造到運維，均將大量使用智能化和數字化相關技術，包括算法、荷載和軟件等設計技術，是未來重要研究方向。

目前，風機智能化、數字化工具方法貫穿風機的設計、制造與運維等各方面。設計方面，主要應用人工智能算法、MES系統等，提升設計精準度與后期制作關聯度；風機制造智能化方面，主要是推進數字化車間轉型、使用數字化設備，期間可使用數字孿生等系統，提升制造精準度與質量穩定性，中長期內降低成本；風機運維智能化方面，主要包括智慧風場建設與運行，包括通過機體預測、大數據維護等方式，對風機并網、穿越控制策略等方面實現智能化控制，在線監測數據、及時預測風險并提出預警、加以調整，期間可使用數字孿生等系統，降低運維人工成本、提升管理效率。

本文對風電設備智慧化設計技術部分選取風電葉片智能化快速變形設計平臺、風機塔筒集成式自動設計軟件為代表；對智慧風電制造部分，選取風力發電機組全生命周期追溯管理系統(包含全生命周期追溯，但重心落腳點在各生產零部件上)為代表；對智慧風電運維選取風電機組自動檢測與分析預測系統為代表。通過對各項技術的分析，描述智慧風電發展方向。

(1)風電葉片智能化快速變型設計平臺

葉片設計分為氣動外形設計和結構鋪層設計。氣動外形設計是解決選取葉片最佳幾何外形的問題，使風機在特定風速下輸出的能量最大。結構鋪層設計包括鋪層材料的選擇、決定橫截面的形式和結構幾何參數、鋪層方案，使葉片在滿足強度、剛度、穩定性要求的前提下成本最低。由此可以看出，葉片設計不是一蹴而就的，而是一個反復迭代、不斷優化的過程。

智能化葉片設計的詳細流程如圖5所示。首先，進行氣動外形設計和結構設計，并將原始設計數據進行手動換算后，在智能軟件中建立復合材料三維模型，計算出葉片的截面特性。然后基于這些結果，使用智能軟件創建梁單元模型，計算出載荷與塔尖距等。

圖5 智能化葉片設計流程

(2)風機塔筒集成式自動設計軟件

定制化、快速化設計是市場要求中的重要組成部分。尤其是風電機組塔筒，未來的趨勢是一個風場可能同時配置多種高度的塔筒，要求主機廠家設計人員必須提高設計效率。

風機塔筒集成式自動設計軟件可以從載荷輸入為源頭，采用編制程序進行設計計算并輔以友好的界面設計，集成三維軟件進行自動全部生成、模塊化生成模型等，進行可視化干涉檢查。二維圖的模板預開發式參數驅動設計，局部有限元強度分析并自動生成文檔，實現一體化集成設計。

風電塔筒設計流程可以分為4個步驟，分別是強度校核、參數計算、三維建模、二維出圖。用戶在得到載荷參數和工況條件之后，首先需要對初步設計參數進行強度校核，根據校核結果對筒體基本參數進行調整，并確定最終的設計尺寸；然后由基本的筒體參數，根據塔筒零部件之間的約束關系，計算得到其余零部件的幾何尺寸；然后利用完備的設計參數驅動模型模板并完成模型裝配，生成三維模型；最后完成二維出圖，對于參數化軟件，三維模型中的尺寸變化會直接反映在二維圖紙上。三個功能模塊采用一鍵式建模的技術路線，每個模塊的開發主要分為兩部分，一是建模板及參數化處理，需要塔筒的結構形式和組成零部件，統計基本參數，并依據幾何約束進行精簡；二是編程實現參數化驅動和裝配，根據用戶輸入的參數，對模板進行參數修改，以生成符合用戶設計的模型。

(3)風力發電機組全生命周期追溯管理系統

風力發電機組全生命周期追溯管理系統可以解決風機制造生產各過程中的數據與零部件溯源，可大幅提高風機生產數據追溯性，提高備品備件與運維效率，提高質量管理水平，實現各部門數據共享，提高管理水平，降低技術人員的工作強度，提高生產效率。

一套風力發電機組全生命周期信息追溯管理系統，主要以機組數字檔案為主線，融匯貫通各業務數據平臺，實現數據的共享、數據驅動的運維、質量的追溯。管理的數據流包括零部件制造數據、零部件檢驗數據、車間裝配數據、裝配質量數據、物流數據、現場吊裝數據、運維數據等。

風機產品零部件數量多、制造裝備過程中數據量巨大、各數據存儲的位置和使用的存儲平臺不同，且要求在整個風機生產制造過程中對信息查詢反饋快速，因此需要利用標識識別技術、數據自動化識別、篩選與存儲與平臺系統集成方案，如圖6所示，利用數據傳輸技術，結合數據同步、異步傳輸和離線處理方法，將各軟件進行一體化集成，從而實現數據高集成化、信息化歸檔和多維度統計分析。

圖6 系統業務關聯圖

(4)風電機組自動檢測與分析預測系統

要實現風電機組自動檢測與分析預測，需要開發一整套系統，包括螺栓松動監測采集系統、葉片狀態監測系統等，將監測數據進行存儲、可視化展現、建模、趨勢分析和預警分析，實現在線監測診斷功能，以便對葉片、螺栓等進行及時維護。

如圖7所示，系統技術包括算法平臺、螺栓監測診斷系統算法模型、葉片故障模態等，實現可根據故障模態修正模型，植入智慧風電智能診斷模塊。

圖7 螺栓預緊力監測系統硬件部署結構示意圖

與系統配套的，還需要研制應用于風機葉片的光纖振動加速度傳感器；針對葉片環境的惡劣性，使用專用光纖加速度傳感器。

3.3 深遠海漂浮式風電機組

深遠海的風力條件更佳，存在更大的開發潛力，是風電產業未來發展趨勢。漂浮式海上風電技術是深遠海風資源開發的關鍵。目前，歐洲、美國、韓國紛紛投資上億資金于漂浮式風電技術研發與漂浮式海上風電港口和電廠建造。預計到2030年，歐洲將取得相關技術的長足進步，英國、美國、韓國將實現部署浮動式海上風電。

(1)國際技術現狀

海上漂浮式風機最初由歐洲發明，應用市場包括歐洲、美國以及亞洲沿海等國家，為目前風電技術中最先進代表之一。該技術發展先后經歷了研發、示范和商業化等階段。隨著海上風電設備向大型化發展，同時近海開發資源有限，海上風場的發展逐步擴展到深遠海區域，漂浮式風機技術開始成為重點關注技術方向，不斷地出現形態創新，包括立柱式、半潛式、張力腿式和駁船式等不同形式，對比見表1。技術成熟度上，國外立柱式和半潛式技術相對成熟，已進入了小批量示范的階段，張力腿式和駁船式處于示范樣機階段。

表1 漂浮式風機不同基礎型式對比

(2)我國技術現狀

我國深遠海域可開發面積約67萬km2，風電資源技術開發量約20億kW，接近淺海資源量的4倍[8]。近年來，隨著開發政策支持力度加大及相關風電技術的發展，我國海上風電逐步摸索步入“深遠?！焙Ｓ?。2022年5月，中國海裝研制的我國首臺應用于深遠海域的浮式風電裝備“扶搖號”完成總裝并舉行拖航儀式，標志中國海裝掌握了浮式風電裝備開發的全流程技術開發能力，打破了國外的技術壟斷。從基礎型式看，我國立柱式和半潛式尚處于剛開始樣機驗證的起步階段，張力腿式和駁船式處于研發階段，未來還有很大的技術進步空間。

(3)漂浮式海上風電技術發展趨勢

固定式海上風電設備通過單樁或者導管架式固定在海底。舉例Spar深海漂浮式風力發電系統，結構如圖8所示，包括風機、塔筒、吊索、支架、Spar平臺、電力傳輸系統、錨泊線。箭頭式支架連接風機與塔筒，塔筒坐落在Spar平臺上，錨泊線連接在平臺上，最后固定在海底。平臺底部還安裝有潮流能發電機[9]。

1—風機；2—吊索；3—箭頭式支架；4—塔筒；5—Spar平臺；6—電力傳輸系統；7—潮流能發電機。

當水深大于60 m時，這種結構的成本急劇增加。漂浮式海上風電機組由浮動平臺支撐，使用系泊系統與海床相連，受水深影響小，擺脫復雜海床地形及地質條件約束，成本更低，適用范圍更廣，可獲得更多風能資源[8]。

關于漂浮式海上風電機組技術研究，智能化手段也已滲入其中。目前我國主要通過智能軟件、監測系統等手段，著重研究建模設計、智能載荷控制、氣動調整等方面。如中科院提出了張力腿漂浮式風電機組關于疲勞載荷智能控制研究，結合基于柔性尾緣襟翼的載荷智能控制系統、氣動-水動-伺服-彈性仿真平臺[10]，選取國際電工協會(IEC)標準正常湍流模型(NTM)和正常海況模型(NSS)工況，通過與整體變槳控制比較發現，在DTEF控制下，可以有效控制疲勞載荷，使其降低30%左右，增加了系統的可靠性和經濟性[10]。在超過額定風速時，DTEF的輔助變槳可使變槳系統的磨損明顯減少，同時降低發電機轉速與功率的波動幅度[10]，提高機組的性能。

4 結論

綜上所述，全球風能發電飛速發展，為更充分開發、利用更多風能，風電機組發展趨勢為開發更多半直驅機型風電機組，同時向大型化邁進；而大型化帶來的諸多問題，則催生了風電機組智能化發展。此外深遠海風機發展將成為遠期技術發展重要趨勢。漂浮式風電機組研發技術目前以歐洲、美國、韓國為先進代表，我國則處于起步階段，還有很大提升空間。在智慧化風電機組技術發展趨勢中，風電葉片智能化快速變形設計平臺、風機塔筒集成式自動設計軟件、風力發電機組全生命周期追溯管理系統、風電機組自動檢測與分析預測系統、張力腿式風電機組為重點發展方向。

我國隨著科研水平提升，不斷有新的技術實現突破，部分領域已趕上國際先進水平。但與部分發達國家相比，我國的智能化研發水平還有待提升，部分智能化產品仍處于實驗階段。因此，應進一步推進風電智能化研發生產工作，構建科學的風電模型，發揮智能系統在風電設備中的作用；實時收集智能化裝備在實際項目中的運用情況，反饋存在的不足與問題，進一步修正、提升，使風電智能化設備整體工作效益水平得到全面提升。