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打造自主可控的风电产业链
发表时间:2021-05-27     阅读次数:     字体:【

江苏要实现碳达峰、碳中和目标,必须构建以新能源为主体的新型电力系统。其中,把握世界风电技术前沿及发展趋势,打造自主可控风电产业链是主要路径之一。

从上世纪8090年代开始,风力发电技术得到了飞速发展并逐渐成熟。风电产业凭借自身的优点在世界范围迅速发展,2011-2020年,全世界风电总装机容量从2.37亿千瓦增加到7.5亿千瓦。据估计, 2030年全球风电装机将超过20亿千瓦。

世界风电技术前沿及发展趋势

世界风电技术前沿及发展趋势,可以从工程技术和工程管理两个视角来分析。从工程技术角度看,世界风电技术前沿体现在“大功率”“超远程”“信息化”三个方面。从工程管理角度看,表现为“智能化”“物联化”“标准化”三个层面。

大功率、高塔架、大叶片风电机组成为发展趋势。大功率发电机组已经成为重要发展方向,西方主要风电机组正向海上风场10MW以上方向发展,西门子8-10MW风电机组、通用电气12MW风电机组乃至更大功率电机已经投入使用。高塔架可以获得更高的发电量,国外140-170米塔架已规模化应用。不断通过技术手段降低塔架重量也是风电行业的重要趋势。发展直径200米及以上大型叶轮,运用激光和人工智能技术开展塔架净空监控作业,推进叶片的轻量化、柔性化、可折叠成为方向。

发展深远海、大漠、高原相适应的风力发电产业是重要方向。海上风电虽然起步较晚,但是凭借海风资源的稳定性和大发电功率的特点,海上风电近年来正在世界各地飞速发展。它具有高度依赖技术驱动的特质,已经具备了作为核心电源来推动未来全球低碳经济发展的条件。2020年,英国是世界上最大的海上风电市场,装机容量占全球的近36%,其次是德国,占29%。中国海上风电装机量占全球装机量的11%,跃居第三,当年新增海上风电装机量世界第一。此外,为了充分利用风力资源,在大漠、高原建立风电场,其装机量在风力发电中的比重也越来越大。

智能化、标准化、集群化融入风电运行监控系统。目前,世界风电场智能化运维技术正在向着信息化、标准化、集群化的方向发展。主要技术有:风电机组和风电场综合智能化传感技术,风电大数据收集、传输、存储、整合及快速搜索提取技术;建立风电场监控系统信息模型及风电机组间通信兼容解决方案;大型风电场群远程通信技术,开发风电场间通信协议及数据可视化展示平台,实现风电场信息的无缝集成等。通过智能控制技术、先进传感技术以及高速数据传输技术的深度融合,综合分析风电机组运行状态及工况条件,对机组运行参数进行实时调整,确保风电设备的高效、高可靠性运行。

运用大数据开展风电机组故障智能诊断和预警。风电运行维护与信息技术的深入融合包括建立包含风电场群运行数据、气象数据、电网信息、风电设备运行信息的物联网大数据平台,通过多风电场群协同控制和综合分析,加强风电机组智能控制和发电功率优化。当前在役风电场均配有监控与数据采集系统(SCADA),具备多年运行积累的历史数据;为监测风电机组振动状态,新增风电机组都配有振动状态监测系统(CMS),基于大数据技术开展风电状态监控及智能预警技术,开展风电机组状态预测与故障诊断。运用大数据对风电机组进行健康状态监测、故障诊断、寿命评估及自动化处置已经成为世界主要风电厂商都在积极投入的技术方向。

风电分散式应用及柔性并网技术广泛推广应用。欧美国家在风电的分散式应用和柔性并网技术日趋成熟,分散式接入和微网应用正成为日益发展的趋势,其技术方向和适用性非常值得我国参考,尤其是对分散式接入电源的故障穿越、频率支持和孤岛保护等先进技术。此外,风电电源和传统电源、储能、负荷、其它新能源、充电桩和智能配电保护系统等都会产生更多元和深入的互动,在运行控制、信息交互和安全方面必将有广阔的技术发展空间。

我国风电产业与国外风电技术之间的差距

风电机组关键技术与核心零部件受制于国外。我国风电机组部件仍存在部分“卡脖子”技术,存在断供风险,主要包括:一是变频器和变桨系统中使用的IGBT/IGCT半导体功率器件及核心控制芯片,主要被英飞凌(德国)、三菱(日本)、赛米控(德国)垄断。二是用于大型风电机组的主轴轴承、齿轮箱和发电机中的高速轴轴承,主要被SKF(瑞典)、FAG(德国)、NSK(日本)等进口品牌垄断。三是用于设计研发类的工程分析软件,被欧美长期垄断,还有一些短板技术与发达国家存在一定差距,主要包括风电机组主控以及认证测试系统用的高速数据采集系统芯片,叶片的双轴疲劳测试设备以及自动化辅助生产设备。

风电场智能化建设及试验测试技术落后于西方国家。首先是数字化风电技术。国外在自适应控制、风电场场群的尾流控制、数字化双胞胎等方面处于示范应用阶段。国内智能故障诊断预警尚没有整套评估体系及成熟定量分析方法,陆上风电运维在精细化和信息化方面与国外存在差距,海上运维经验缺乏,数字化与信息化亟待完善。其次是试验测试技术。公共试验系统技术研究落后于先进国家,尚没有全尺度地面传动链测试系统以及海上风电测试技术实证基地,未掌握相关测试技术,海上风电检测能力尚未系统形成,国外已具备完善的公共试验检测能力。

超高塔架及深海施工建设技术与西方存在差距。首先,在施工建设技术领域,我国超高塔架技术处于起步阶段,这方面需要结合我国市场需求及自然环境,提高线路设计与道路设计方案、地物识别算法,现场经验识别、运输状态数字监控与现场施工计划于一体的三维可视化施工过程管理。海上施工技术需要建立海上载荷闭环设计技术;实现海上环境-支撑结构-机组的共平台整体迭代技术;支撑10MW及以上大型海上机组的施工及运维技术。此外,国外近海风电已规模化开发,远海漂浮式风电示范运行,国内大功率海上漂浮式支撑结构技术差距较大。

江苏打造风电产业链的方向及对策

推动智能化、信息化、标准化在风电建设中的运用。成立运用大数据开展风电机组故障智能诊断和预警示范企业,开展风电设备及运营体系标准化建设,提升江苏在风电产业标准化建设中的示范和引领作用。推动开发大功率、超高塔技术,提供平价市场有竞争力的超高塔(160米以上)解决方案,助力开发超高空风资源市场,支撑整机在高切变市场保持塔架高度及成本的领先性。开展塔架净空远程监控技术和远海风电运营大数据应用示范。

集中攻克面向深远海的超大型风电机组及关键技术。集中力量攻克国内大功率海上漂浮式支撑结构技术,重点突破100米及以上大型叶片的轻量化与先进气动设计制造技术;重点突破10MW及以上海上风电机组安装运维技术;海上环境-支撑结构-机组的共平台整体迭代优化及10MW以上大型海上机组的施工及运维技术;推进大功率陆上风电机组及关键部件绿色制造技术研发。重点研究海上风电场建设选址技术,提出适合江苏远海深水区风资源条件的风电机组优化布置方法。

建立大功率风电机组全尺度地面传动链试验基地。建议以行业龙头企业为核心,建立集机械、电气、环境、并网、仿真为一体的大型风电机组全尺寸整机传动实验基地,建立基于深远海的应用场景来开展超大型风电机组研制及测试基地。用以测试机组的主轴承系、齿轮箱、发电机、机舱、变流、并网、主控等子系统性能。开展大型风电机组实验技术研究、设计验证、可靠性评估、故障模拟诊断、新技术实验验证等研究方向,突破风电机组机电传动实验规范和评估标准。

组建风电产业技术联盟,有针对性开展关键技术攻关。江苏省风电产业关联企业已达150余家,组建以风电核心企业为龙头,风电关联企业为主体,产、学、研一体化的技术创新联盟。联盟瞄准风电产业领域国际先进水平,组织风电行业专家与联盟企业,开展风电产业战略研究、高端技术研究、关键设备开发,引导企业通过技术的创新、机制的创新、管理的创新以及资源配置的创新,提升江苏风电产业链层级,打造风电产业的核心竞争力。