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一、前言
風(fēng)能是資源潛力巨大、技術(shù)較為成熟的可再生能源，在減排溫室氣體、應(yīng)對氣候變化的新形勢下，越來越受到世界各國的重視，并已在全球大規(guī)模開發(fā)利用。“十一五”到“十二五”期間，我國風(fēng)電經(jīng)歷了飛速發(fā)展的十年，風(fēng)電成為繼火電、水電之后的第三大電源。根據(jù)全球風(fēng)能理事會統(tǒng)計，2017年，我國風(fēng)電新增裝機容量達19.5GW，累計裝機容量達188.2GW，占全球風(fēng)電總裝機量的35%。根據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2017年，我國風(fēng)電裝機量占全國發(fā)電裝機總量的9.2%，風(fēng)電的年發(fā)電量占全國發(fā)電總量的4.8%。
我國開展風(fēng)電技術(shù)研發(fā)已有40多年的歷史，與歐美國家同時起步，早期主要由科研機構(gòu)和大專院校進行樣機研究和試制，在“九五”和“十五”期間，我國首批風(fēng)電整機制造企業(yè)初步掌握了定槳距機組總體設(shè)計技術(shù)，實現(xiàn)了規(guī)模化生產(chǎn)，邁出了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的第一步。“十一五”以來，隨著國家陸續(xù)制定出臺了促進風(fēng)電等可再生能源發(fā)展的相關(guān)法規(guī)和扶持政策，眾多國內(nèi)外企業(yè)大舉投入中國風(fēng)電制造業(yè)，通過引進生產(chǎn)許可證、建立合資企業(yè)、開展自主研發(fā)或聯(lián)合研發(fā)等手段，研制兆瓦級以上風(fēng)電機組產(chǎn)品。經(jīng)過一定時期的風(fēng)電機組技術(shù)引進和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，國內(nèi)風(fēng)電整機制造企業(yè)對風(fēng)電技術(shù)開發(fā)的路線圖、關(guān)鍵要素和潛在風(fēng)險的認(rèn)識日益深入，開發(fā)出若干具有自主知識產(chǎn)權(quán)的機型，在單機容量上也逐漸接近國際領(lǐng)先水平。
我國風(fēng)電企業(yè)通過引進消化吸收和再創(chuàng)新，掌握了關(guān)鍵核心技術(shù)，并且在適應(yīng)低風(fēng)速條件和惡劣環(huán)境的風(fēng)電機組開發(fā)方面取得了突破性進展，處于全球領(lǐng)先地位，在大容量機組開發(fā)上也基本實現(xiàn)了與世界同步。這些成就，既保證了我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的持續(xù)快速發(fā)展，也為我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)從大到強的跨越式發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
為適應(yīng)我國中東部和南部地區(qū)巨大的低風(fēng)速資源，近年來很多整機設(shè)備廠商紛紛推出高塔筒和長葉片等方案，在技術(shù)開發(fā)的過程中借鑒了歐洲廠商的經(jīng)驗，但也有不少是我國的設(shè)備廠商因地制宜，根據(jù)國內(nèi)資源和產(chǎn)業(yè)配套情況提出的一些新的思路和方法，體現(xiàn)出我國整機設(shè)備廠商在技術(shù)路線方面已經(jīng)開始具備一定的自主創(chuàng)新能力。
我國在風(fēng)電機組領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和共性技術(shù)研究方面相對不足，風(fēng)電機組設(shè)計軟件及載荷評估所用的軟件絕大部分為歐洲公司產(chǎn)品，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和理念方面基本全部按照DNV.GL公司提出的風(fēng)電機組認(rèn)證規(guī)則及國際電工委員會（IEC）提出的IEC61400系列風(fēng)電機組技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求進行，未充分考慮到我國風(fēng)能資源、自然環(huán)境和電網(wǎng)接納方式的特殊性。國外風(fēng)電行業(yè)在跨行業(yè)的技術(shù)整合與成果轉(zhuǎn)化方面非常活躍，一直以來引領(lǐng)主流技術(shù)的發(fā)展路線，在基本理論、基礎(chǔ)工藝和材料應(yīng)用等方面至今仍具有領(lǐng)先優(yōu)勢。從長期來看，風(fēng)電是一個對設(shè)備可靠性要求非常高的資金與技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，從全球范圍來看，由于風(fēng)電機組產(chǎn)業(yè)的技術(shù)和資金門檻的提高，行業(yè)集中度也在不斷提高。
二、風(fēng)電機組技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
（一）大型風(fēng)電機組整機設(shè)計與制造發(fā)展現(xiàn)狀
1.大型風(fēng)電機組的開發(fā)
在市場需求和競爭的推動下，中國大型風(fēng)電機組開發(fā)技術(shù)升級和國際化進程不斷加快。當(dāng)前我國1.5~4MW風(fēng)電機組已形成充足的供應(yīng)能力，部分機組制造商的5~6MW風(fēng)電機組樣機也已下線。
目前，國外主要的整機制造商已經(jīng)完成4~7MW級風(fēng)電機組的產(chǎn)業(yè)化，8~10MW級的風(fēng)電機組樣機已掛機，歐美整機設(shè)計公司均進入到10MW級整機設(shè)計階段。維斯塔斯風(fēng)力技術(shù)公司（Vestas）和德國Senvion公司都發(fā)布了將開發(fā)200m左右葉輪直徑的10MW風(fēng)電機組的計劃，2018年美國通用電氣公司宣布將在3年內(nèi)完成12MW海上風(fēng)電機組的開發(fā)。
在全球范圍內(nèi)，歐洲海上風(fēng)電發(fā)展起步最早，裝機規(guī)模占比最高。2017年，歐洲新增海上風(fēng)電裝機量即達到了3GW，迎來井噴式的增長。這說明歐洲廠商通過多年的實踐，積累了豐富的設(shè)計和工程經(jīng)驗，對于海上風(fēng)電投資回報和風(fēng)險控制具有充分的信心。
目前，歐洲6MW海上風(fēng)電機組已形成產(chǎn)業(yè)化能力并實現(xiàn)批量裝機，8MW海上風(fēng)電機組進入樣機試運行階段，更大容量的海上風(fēng)電機組也已經(jīng)開始進行設(shè)計。在海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)方面，歐洲具備了單樁、多樁、重力樁、導(dǎo)管架等多種樣式基礎(chǔ)形式的設(shè)計、制造能力。在海上風(fēng)電業(yè)務(wù)領(lǐng)域，技術(shù)、資金和工程經(jīng)驗的壁壘比陸上風(fēng)電更為顯著，美國西門子公司、西班牙歌美颯集團在該領(lǐng)域已經(jīng)形成了巨大的領(lǐng)先優(yōu)勢。
我國已有少量海上風(fēng)電場投入運行，由于缺少海上風(fēng)電場示范經(jīng)驗，尚未完全掌握風(fēng)電機組的設(shè)計開發(fā)與整個海上風(fēng)電工程設(shè)計的協(xié)調(diào)性，導(dǎo)致占海上風(fēng)電投資成本較大比例的基礎(chǔ)、線路和變電站設(shè)計成本難以降低，加之機組的可靠性仍未得到充分驗證，海上風(fēng)電的投資回報存在較大的不確定性。因而，需要通過對風(fēng)電機組控制策略、葉片、塔架、并網(wǎng)特性的深度定制和研究，實現(xiàn)風(fēng)電機組與海上風(fēng)電工程設(shè)計的整體優(yōu)化，避免各部件單獨設(shè)計導(dǎo)致過剩及浪費，有效降低海上風(fēng)電度電成本。
2.零部件配套
在風(fēng)電機組零部件配套方面，我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成包括葉片、塔筒、齒輪箱、發(fā)電機、變槳和偏航系統(tǒng)、輪轂、變流器等在內(nèi)的零部件生產(chǎn)體系。上述主要零部件的產(chǎn)量均已居全球第一位，除配套國產(chǎn)整機廠商外，部分零部件也對國外廠商有少量配套。但是，在高性能軸承、油脂、傳感器、控制器等方面，國產(chǎn)零部件尚不能實現(xiàn)對進口零部件的完全替代。
我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域各類零部件在工程應(yīng)用方面積累了大量經(jīng)驗，但在設(shè)計原理和優(yōu)化方法、新材料和新工藝的運用、零部件開發(fā)過程中的多物理場仿真和全性能驗證測試、高性能零部件的品質(zhì)管控等方面仍然存在短板，在機組控制技術(shù)和整機、零部件具體運行性能關(guān)聯(lián)性的研究方面尚存在很大不足。
總體來看，我國風(fēng)電整機和零部件配套行業(yè)不同程度地存在著大而不強、泛而不精的現(xiàn)象，在基礎(chǔ)材料和工藝技術(shù)方面的研究比較欠缺，在長期可靠性、產(chǎn)品一致性方面與部分進口產(chǎn)品尚存在差距。多數(shù)零部件廠商在考慮設(shè)計開發(fā)和工程應(yīng)用時多著眼于自身，在系統(tǒng)性認(rèn)識和產(chǎn)業(yè)鏈深度合作方面仍需要進一步加強。
3.風(fēng)電試驗平臺
國外風(fēng)電實驗室大多覆蓋風(fēng)能資源評估、風(fēng)電機組現(xiàn)場測試、傳動鏈平臺測試、風(fēng)電并網(wǎng)仿真等領(lǐng)域。如美國國家可再生能源實驗室（NREL）建立了不同時間尺度的風(fēng)能資源預(yù)測模型、7MVA多功能電網(wǎng)擾動模擬裝置、5MW風(fēng)電機組傳動鏈測試平臺等研究平臺，具有國際先進水平的風(fēng)電/光伏發(fā)電設(shè)備及零部件的試驗研發(fā)能力；丹麥國家可再生能源實驗室（DTU/RISØ）在風(fēng)能領(lǐng)域的研究包括風(fēng)能資源評估與微觀選址、風(fēng)電功率預(yù)測、風(fēng)電并網(wǎng)與控制、海上風(fēng)電、空氣動力學(xué)研究和設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和可靠性、遙感和試驗、邊界層氣象與湍流、材料等。
我國目前僅有部分風(fēng)電企業(yè)建設(shè)有自己的動力試驗平臺，但是測試功能相對單一，不具備公共性和獨立性，各廠商大多根據(jù)自身的經(jīng)驗、認(rèn)識和產(chǎn)品開發(fā)的側(cè)重點來開展研究性試驗，開放交流顯著不足。
2010年，我國在張北建立了國家風(fēng)電技術(shù)檢測與研究中心，借助公共試驗場開展了一系列風(fēng)電設(shè)備的現(xiàn)場運行性能和電網(wǎng)適應(yīng)性測試，為我國提高產(chǎn)業(yè)技術(shù)能力和加快規(guī)模化發(fā)展提供了有效助力。我國適合開發(fā)海上風(fēng)電的區(qū)域集中在東南沿海，具有臺風(fēng)、鹽霧、高溫、高濕等惡劣氣候特點。目前我國針對上述風(fēng)電應(yīng)用環(huán)境，系統(tǒng)性的專業(yè)檢測技術(shù)能力尚未形成，亟需加強相關(guān)檢測能力建設(shè)。而歐美針對海上風(fēng)電場在建設(shè)和運行期間對水文、電網(wǎng)、氣象、生物等影響已開展了多項檢測研究活動，并且開發(fā)出一系列專用測試設(shè)備。
（二）數(shù)字化風(fēng)電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
隨著風(fēng)力發(fā)電市場容量和裝備產(chǎn)業(yè)的快速大規(guī)模發(fā)展，風(fēng)電機組的可靠性、運行效率、工作壽命等問題開始受到專家學(xué)者們的高度關(guān)注。針對這一問題，數(shù)字化風(fēng)電技術(shù)，在風(fēng)電智能監(jiān)控、智能運維、故障智能診斷和預(yù)警等方面已開展深入研究探索。
1.風(fēng)電智能監(jiān)控
我國風(fēng)電場監(jiān)控系統(tǒng)主要存在協(xié)議不開放，不同的廠商在協(xié)議信息中描述不統(tǒng)一，無法實現(xiàn)互聯(lián)互通和擴展等問題。這些系統(tǒng)使用的通信協(xié)議結(jié)構(gòu)各異，信息描述不統(tǒng)一，難以實現(xiàn)互聯(lián)互通和擴展,即便是同一制造商生產(chǎn)的風(fēng)電機組，由于電力電子技術(shù)、控制技術(shù)、單機容量和軟件版本的不同，它們擁有的控制方式也可能不同，且需要不同的運行參數(shù)和調(diào)控指令，這給風(fēng)電場統(tǒng)一調(diào)度控制與生產(chǎn)管理制造了很大障礙。
為了實現(xiàn)風(fēng)電場中互聯(lián)性、互操作性和可擴展性，國際電工委員會（IEC）起草制定了IEC61400-25標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)定義用于搭建風(fēng)電場監(jiān)控系統(tǒng)平臺的通信原理和信息交換模型等方面，是電力系統(tǒng)自動化通信協(xié)議IEC61850標(biāo)準(zhǔn)在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域內(nèi)的延展。我國也對IEC61400-25標(biāo)準(zhǔn)進行了國家標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)化與執(zhí)行，基本實現(xiàn)了風(fēng)電場的監(jiān)控運行管理。
2.風(fēng)電智能運維
我國風(fēng)電設(shè)備多運行于自然條件艱苦、可到達性較差的環(huán)境，對智能運維的需求尤為迫切，力求在考慮設(shè)備可靠性、維修性、經(jīng)濟性等影響因素的情況下，實現(xiàn)定檢、維修、維護的合理安排，以達到減少值守人員數(shù)量、縮短備件供應(yīng)時間和提高運行可靠性的目的。
在風(fēng)電場智能化運維管理系統(tǒng)方面，國外起步較早，實用化水平也相對較高，作為風(fēng)電場控制系統(tǒng)的載體，GH-SCADA、RISØ-CleverFarm等系統(tǒng)除具有完成傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、分析、展示的功能外，還在功能上集成了風(fēng)電場優(yōu)化控制、運行數(shù)據(jù)分析、供應(yīng)鏈服務(wù)、信息流管理等高級控制功能，已初步體現(xiàn)了風(fēng)電場智能化運維的理念。
我國陸上風(fēng)電場智能化運維水平在精細(xì)化與信息化方面與國際上存在較大差距。海上風(fēng)電場在運維管理的限制性條件、服務(wù)裝備、安全要求等方面和陸上風(fēng)電場存在顯著差異，歐洲廠商根據(jù)多年經(jīng)驗，形成了海上風(fēng)電場運維管理的系統(tǒng)性方法，而我國目前海上風(fēng)電場的運維手段和理念主要借鑒陸上風(fēng)電場的經(jīng)驗，尚未形成真正適用于海上風(fēng)電場的運維管理體系。
3.風(fēng)電機組故障智能診斷和預(yù)警
我國目前已經(jīng)面臨大批風(fēng)電機組陸續(xù)過保的現(xiàn)狀，風(fēng)電機組可利用率下降、傳動系統(tǒng)和葉片等零部件的性能下降和故障造成的停機現(xiàn)象較為嚴(yán)重。國內(nèi)一些科研機構(gòu)和整機廠家逐漸開始重視風(fēng)電機組健康狀態(tài)診斷技術(shù)，并借鑒國外先進經(jīng)驗開展了初步研究，也已開發(fā)出一些狀態(tài)監(jiān)測產(chǎn)品批量應(yīng)用到風(fēng)電場。一些風(fēng)能利用發(fā)達的國家，如丹麥、德國、西班牙等擁有長期共生、緊密合作的風(fēng)電零部件與整機產(chǎn)業(yè)鏈，并根據(jù)大量現(xiàn)場采集的運行數(shù)據(jù)開展風(fēng)電機組運行狀態(tài)評價和全壽命周期評估，將風(fēng)能資源、風(fēng)電規(guī)劃、風(fēng)電場評估、風(fēng)電機組設(shè)備運行狀態(tài)與檢測結(jié)果、風(fēng)電場運行維護、風(fēng)電場性能評估等統(tǒng)一考慮，用于開展風(fēng)電機組狀態(tài)評價、故障診斷以及經(jīng)濟性運行。
隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，各整機廠商紛紛建立大數(shù)據(jù)中心并開展了風(fēng)電機組狀態(tài)監(jiān)控及故障預(yù)警的研究，但國內(nèi)風(fēng)電機組故障診斷技術(shù)從整體來看，產(chǎn)品分析和診斷功能都較為薄弱，主要問題在于對于整機和零部件的運行機理與失效模式認(rèn)識尚不夠深入，當(dāng)前以趨勢判斷和定性分析為主，缺乏定量分析，還不具備整套評估體系及對故障進行準(zhǔn)確判斷與預(yù)警的方法。
（三）電網(wǎng)友好型技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
隨著風(fēng)電比例的不斷上升，出于電網(wǎng)穩(wěn)定運行考慮，我國對風(fēng)電機組的并網(wǎng)性能也不斷提出新的要求，包括低電壓穿越、高電壓穿越、慣量響應(yīng)和一次調(diào)頻等。目前，低電壓穿越已成為我國風(fēng)電設(shè)備入網(wǎng)的強制性要求，對高電壓穿越、慣量響應(yīng)和一次調(diào)頻能力的要求正在深入論證中，但還沒有提出明確的技術(shù)指標(biāo)及測試方法。各個國家都根據(jù)自身電力系統(tǒng)的情況，提出有針對性的風(fēng)電設(shè)備入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，部分國家的入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中對風(fēng)電的高、低電壓穿越和一次調(diào)頻性能要求已經(jīng)非常明確。
國外設(shè)備廠商對于風(fēng)電機組在故障穿越中的動態(tài)特性、安全極限、機群的互動穩(wěn)定性、風(fēng)電機組和風(fēng)電場模型驗證、風(fēng)電機組和風(fēng)電場電能質(zhì)量評價等方面有著深入的研究并進行了相應(yīng)的測試，國內(nèi)廠商則多停留于功能實現(xiàn)，在技術(shù)的深入探索和優(yōu)化方面尚待加強。
由于我國近年來風(fēng)電規(guī)模增長迅猛，并且在風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)、傳輸和運行方面獲得了相當(dāng)多的實際經(jīng)驗和成果，IEC組織將新成立的TC8SC8A“大容量可再生能源接入電網(wǎng)”工作組和TC8SC8B“分布式能源電力系統(tǒng)”工作組的秘書處設(shè)立于中國，我國技術(shù)專家能夠更多地參加到國際標(biāo)準(zhǔn)的制訂工作中，開展更為廣泛的技術(shù)交流，極大地提高了我國風(fēng)電機組產(chǎn)業(yè)在電網(wǎng)接入技術(shù)領(lǐng)域的話語權(quán)。
（四）風(fēng)電新概念技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
除了傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，風(fēng)電新概念技術(shù)也隨之快速發(fā)展。為滿足未來大容量海上風(fēng)電機組的需要，美國2009年即由可再生能源實驗室（NREL）和美國超導(dǎo)公司、東元西屋電機公司等簽署協(xié)議，聯(lián)合開發(fā)大容量風(fēng)電用超導(dǎo)發(fā)電機，歐洲眾多廠商也紛紛介入這一領(lǐng)域。美國通用電氣公司、美國超導(dǎo)公司、德國西門子股份公司、日本川崎重工業(yè)株式會社等都已進行了兆瓦級超導(dǎo)發(fā)電機的試制和測試，中國船舶重工集團公司第七一二研究所也已進行了樣機開發(fā)。
高溫超導(dǎo)電機是一項應(yīng)用新材料、新方法、新工藝的多學(xué)科高新技術(shù)，技術(shù)難度大，而且國內(nèi)高溫超導(dǎo)電機的研究起步較晚、研究經(jīng)費少，研究的深度和廣度還不夠，基礎(chǔ)研究、技術(shù)水平與技術(shù)手段與美國和德國相比還存在明顯差距。
風(fēng)能在近地高度范圍內(nèi)，由于地面粗糙度而具有切變特性，即高度越高則平均風(fēng)速越大，因而對高空風(fēng)能資源的利用在多年前就得到了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。我國高空風(fēng)電目前仍處于探索階段，有少量小功率機組投入試運行，但尚未有商業(yè)案例。
關(guān)于高空風(fēng)力發(fā)電，國外的創(chuàng)業(yè)公司提出了很多有想象力的方案，谷歌收購了硅谷的高空風(fēng)電創(chuàng)業(yè)公司（Makani），麻省理工學(xué)院則投資了創(chuàng)業(yè)公司AltaerosEnergies，上述兩家公司均設(shè)計制造了樣機進行現(xiàn)場測試[5]。對比國內(nèi)外廠商，在高空風(fēng)電領(lǐng)域，國外廠商的技術(shù)研發(fā)起點很高，理論基礎(chǔ)扎實，在實踐中采用了大量新材料和傳感器，在裝備設(shè)計中均采用可移動、可放飛、可回收的路線，工程經(jīng)濟性較好，相對于國內(nèi)廠商有顯著優(yōu)勢。
三、技術(shù)發(fā)展趨勢和需求
在風(fēng)電發(fā)展方面，我國將繼續(xù)落實陸上大型基地建設(shè)、陸上分散式并網(wǎng)開發(fā)和海上風(fēng)電基地建設(shè),并結(jié)合我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的國家戰(zhàn)略，積極推動整機設(shè)備和零部件出口。風(fēng)電機組出于充分利用風(fēng)能資源和降低度電成本的目的，不斷向大型化、智能化、數(shù)字化的方向發(fā)展，而具體技術(shù)突破則更多地借助信息化、集群化以及多學(xué)科的交叉融合。
（一）大型風(fēng)電機組整機設(shè)計與制造發(fā)展趨勢和需求
1.大型風(fēng)電機組的開發(fā)
隨著風(fēng)電機組單機容量的不斷增加及我國風(fēng)電開發(fā)的不斷深入，利用智能控制技術(shù)，通過先進傳感技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的深度融合，綜合分析風(fēng)電機組運行狀態(tài)及工況條件，對機組運行參數(shù)進行實時調(diào)整，實現(xiàn)風(fēng)電設(shè)備的高效、高可靠性運行，是未來風(fēng)電設(shè)備智能化研究的趨勢。大型風(fēng)電機組整機技術(shù)需求主要包括：大功率風(fēng)電機組整機一體化優(yōu)化設(shè)計及輕量化設(shè)計技術(shù)，大功率機組葉片、載荷與先進傳感控制集成一體化降載優(yōu)化技術(shù)，大功率風(fēng)電機組電氣控制系統(tǒng)智能診斷、故障自恢復(fù)免維護技術(shù)，以及大功率陸上風(fēng)電機組及關(guān)鍵部件綠色制造技術(shù)。
我國海床的構(gòu)成特征確定了我國海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)段的工程成本將高于歐洲，而我國海域的夏季臺風(fēng)則對海上風(fēng)電機組了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，這就促使我國海上風(fēng)電市場更需要設(shè)備具有大容量和高可靠性。
海上風(fēng)電機組技術(shù)需求主要包括：適用于我國的近海、遠(yuǎn)海風(fēng)電場設(shè)計、施工、運輸、吊裝關(guān)鍵技術(shù)；適合我國海況和海上風(fēng)能資源特點的風(fēng)電機組精確化建模和仿真計算技術(shù)；10MW級及以上海上風(fēng)電機組整機設(shè)計技術(shù)，包括風(fēng)電機組、塔架、基礎(chǔ)一體化設(shè)計技術(shù)，以及考慮極限載荷、疲勞載荷、整機可靠性的設(shè)計優(yōu)化技術(shù)；高可靠性傳動鏈及關(guān)鍵部件的設(shè)計、制造、測試技術(shù)以及大功率風(fēng)電機組冷卻技術(shù)；自主知識產(chǎn)權(quán)的海上風(fēng)電機組及其軸承和發(fā)電機等關(guān)鍵部件；對于惡劣海洋環(huán)境對機組內(nèi)部機械部件、電控部件以及對外部結(jié)構(gòu)腐蝕的影響；臺風(fēng)、鹽霧、高溫、高濕度海洋環(huán)境下的風(fēng)電機組內(nèi)環(huán)境智能自適應(yīng)性系統(tǒng)。
2.零部件配套
在風(fēng)電機組大型化的同時，結(jié)構(gòu)性問題的重要性也越來越凸顯，一些新型的技術(shù)方案，如分段式葉片、全鋼分瓣式柔性塔架、低成本的輔助控制小型激光雷達、海上機組用的高度生物可降解油品等我國尚未完全掌握。
葉片大型化和柔性化帶來一些新的問題,如葉片的一階扭轉(zhuǎn)頻率越來越低，葉片氣彈發(fā)散以及顫振穩(wěn)定性邊界逐漸降低，甚至威脅風(fēng)電機組的正常運行，因此葉片氣彈穩(wěn)定性分析將是未來大型葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計的必要內(nèi)容,通過結(jié)構(gòu)設(shè)計提高葉片的氣彈穩(wěn)定性具有重要意義[6]。
3.風(fēng)電試驗平臺
國內(nèi)廠商進行產(chǎn)品性能試驗時，多出于產(chǎn)品認(rèn)證和市場準(zhǔn)入的需要，而整機廠商和零部件廠商出于自身技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)品優(yōu)化需要而開發(fā)的試驗平臺或者制訂的試驗標(biāo)準(zhǔn)則一直比較缺乏。由于試驗平臺和標(biāo)準(zhǔn)涉及的上下游廠商較多，關(guān)系到從理論到實踐的成果轉(zhuǎn)化，需要行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)歸口單位組織眾多廠商深入論證，并積極開展實質(zhì)性的協(xié)作，真正推動產(chǎn)業(yè)技術(shù)成長。
（二）數(shù)字化風(fēng)電技術(shù)發(fā)展趨勢和需求
1.風(fēng)電智能監(jiān)控
風(fēng)電場智能化監(jiān)控可以帶來非常大的商業(yè)價值，具體需求主要包括：風(fēng)電機組和風(fēng)電場綜合智能化傳感技術(shù)、風(fēng)電大數(shù)據(jù)收集、傳輸、存儲、整合及快速搜索提取技術(shù)；風(fēng)電場中不同制造商風(fēng)電機組間通信兼容解決方案，建立風(fēng)電場監(jiān)控系統(tǒng)信息模型；大型風(fēng)電場群遠(yuǎn)程通信技術(shù)，開發(fā)風(fēng)電場間通信協(xié)議及數(shù)據(jù)可視化展示平臺，實現(xiàn)風(fēng)電場信息的無縫集成等。
2.風(fēng)電智能運維
風(fēng)電場智能化運維技術(shù)正在向著信息化、集群化的方向發(fā)展。通過智能控制技術(shù)、先進傳感技術(shù)以及高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的深度融合，綜合分析風(fēng)電機組運行狀態(tài)及工況條件，對機組運行參數(shù)進行實時調(diào)整，實現(xiàn)風(fēng)電設(shè)備的高效、高可靠性運行。
風(fēng)電運維與信息技術(shù)的深入融合包括建立包含風(fēng)電場群運行數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、電網(wǎng)信息、風(fēng)電設(shè)備運行信息的物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)平臺，通過多風(fēng)電場群協(xié)同控制和綜合分析，加強風(fēng)電機組智能控制和發(fā)電功率優(yōu)化；以可靠性為中心的風(fēng)電場維修理論，按照以最少的維修資源消耗保持設(shè)備固有可靠性和安全性的原則，應(yīng)用邏輯決斷的方法確定裝備預(yù)防性維修要求的過程；基于云計算平臺的風(fēng)電大數(shù)據(jù)挖掘及智能診斷技術(shù)，將數(shù)據(jù)分析范圍覆蓋風(fēng)場從設(shè)計建設(shè)到狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷以及運營維護的全流程等方面。
3.風(fēng)電機組故障智能診斷和預(yù)警
當(dāng)前風(fēng)電機組的運維主要采用定期檢修和故障后維修的“被動”維修方式，需要改變風(fēng)電機組運行維護方式，充分利用風(fēng)電狀態(tài)監(jiān)控，開展預(yù)警相關(guān)研究，變風(fēng)電機組“被動”維修為“主動”維修，提高風(fēng)電運維效率，增加風(fēng)電開發(fā)收益。當(dāng)前在役風(fēng)電場均配有監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA），具備多年運行積累的歷史數(shù)據(jù)；2010年以來，為監(jiān)測風(fēng)電機組振動狀態(tài)，新增風(fēng)電機組都配有振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（CMS），基于大數(shù)據(jù)技術(shù)開展風(fēng)電狀態(tài)監(jiān)控及智能預(yù)警研究已具備開展條件。結(jié)合機組主控制系統(tǒng)、SCADA數(shù)據(jù)和CMS數(shù)據(jù)，開展風(fēng)電機組狀態(tài)預(yù)測與故障診斷方法研究，開展振動信號檢測與分析研究，對風(fēng)電機組關(guān)鍵部件故障進行特征提取與精確定位，并結(jié)合疲勞載荷分析和智能控制技術(shù)，對風(fēng)電機組進行健康狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、壽命評估及自動化處置已經(jīng)成為各個廠商都在積極投入的技術(shù)方向。
（三）電網(wǎng)友好型技術(shù)發(fā)展趨勢和需求
我國風(fēng)電的接入形式正從單一的集中接入遠(yuǎn)距離輸送向多元化方式發(fā)展，分散式接入和微網(wǎng)應(yīng)用正成為日益發(fā)展的趨勢。在全新的應(yīng)用場景下，風(fēng)電將更為直接地面對用戶需求，而用戶對于風(fēng)電的電能品質(zhì)也將提出更高的標(biāo)準(zhǔn)。
歐美國家在風(fēng)電的分散式應(yīng)用方面發(fā)展較我國成熟，但接入標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)市場發(fā)展情況也在不斷完善中，以美國為例，UL1741標(biāo)準(zhǔn)在2016年年底對分散式接入電源的故障穿越、頻率支持和孤島保護等方面提出了一系列的新要求，其技術(shù)方向和適用性非常值得我國參考。
未來風(fēng)電電源和傳統(tǒng)電源、儲能、負(fù)荷、其他新能源、充電樁和智能配電保護系統(tǒng)等都會產(chǎn)生更多元和深入的互動，在運行控制、信息交互和安全方面必將有廣闊的發(fā)展空間。
（四）風(fēng)電新概念技術(shù)發(fā)展趨勢和需求
從長期來看，風(fēng)電等可再生能源的綜合利用仍然處于起步階段，在低碳環(huán)保可持續(xù)發(fā)展理念下，風(fēng)電機組技術(shù)未來也會發(fā)展出一些全新的理念，新的材料和工藝也將不斷被利用到風(fēng)電機組中，使我們能更高效、更靈活、更低成本地獲取風(fēng)能，較為典型的如采用碳化硅（SiC）器件的變流技術(shù)、葉片編織成型技術(shù)和多葉輪結(jié)構(gòu)等。
截至2017年年底，我國已有超過10萬臺風(fēng)電機組并網(wǎng)運行，按使用壽命20年計算，到2027年，我國就將每年面臨近萬臺風(fēng)電機組的退役問題。盡管良好的故障監(jiān)控技術(shù)與運維技術(shù)可以有效增長機組使用壽命，但退役的風(fēng)電設(shè)備如何安置處理，已經(jīng)是一個不可忽視的問題。目前國內(nèi)該領(lǐng)域研究關(guān)注度不高，且多處于探索階段，如葉片及永磁材料的分解回收方法等，但技術(shù)和商業(yè)可行性仍有待驗證。
四、結(jié)語
近年來，我國有關(guān)部門組織進行了我國風(fēng)能資源技術(shù)可開發(fā)量與經(jīng)濟可開發(fā)量的研究和統(tǒng)計分析。由于風(fēng)電機組技術(shù)的進步，可利用的風(fēng)能資源儲量不斷擴大，只要對當(dāng)前的資源條件進行精耕細(xì)作的開發(fā)，完全能滿足當(dāng)前制訂的2030年非化石能源指標(biāo)，而歐美各國的先進經(jīng)驗也為我國實現(xiàn)高比例、高滲透的可再生能源發(fā)展目標(biāo)提供了很好的借鑒。
在我國《可再生能源“十三五”發(fā)展規(guī)劃》確定的目標(biāo)下，2017年國家和地方層面推出了一系列的產(chǎn)業(yè)政策，海上風(fēng)電和分散式風(fēng)電成為明確的市場導(dǎo)向，這為風(fēng)電機組制造行業(yè)進行技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)業(yè)升級提供了很多創(chuàng)新的思路和空間，在“一帶一路”政策的引領(lǐng)下，我國的風(fēng)電機組也將更為積極地走向海外市場。與此同時，隨著風(fēng)電在電力系統(tǒng)中比例越來越高，電能傳輸和應(yīng)用的方式也變得越來越豐富，需求變得越來越個性化，這些都為我國風(fēng)電機組產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展和技術(shù)持續(xù)進步提供了勃勃生機。
在目前的國內(nèi)和國際市場，風(fēng)電的低價格呈現(xiàn)遍地開花的趨勢，在摩洛哥、印度、墨西哥和加拿大，風(fēng)電上網(wǎng)價格最低達到了0.03美元/kW·h。2017年，在德國的招標(biāo)中出現(xiàn)了全球首個“無需補貼”的海上風(fēng)電項目，這使得歐洲新增3GW海上風(fēng)電的成績充滿了說服力。風(fēng)電電價的大幅下降正在給產(chǎn)業(yè)鏈的上下游帶來巨大的壓力，擠壓其利潤的空間，但是風(fēng)電機組技術(shù)的發(fā)展也為實現(xiàn)該目標(biāo)做出了持續(xù)的努力。
中國風(fēng)電機組技術(shù)下一步的發(fā)展方向?qū)⒘⒆阌谖覈L(fēng)電開發(fā)的需求和特點，積極參與國際市場競爭，不斷提升大型先進風(fēng)電機組的理論研究水平，完善風(fēng)電設(shè)備供應(yīng)鏈，使創(chuàng)新設(shè)計與智能制造實現(xiàn)有機結(jié)合，確保風(fēng)電機組的質(zhì)量和可靠性，發(fā)掘和鞏固核心競爭力，減少同質(zhì)化競爭。風(fēng)電設(shè)備制造企業(yè)也必將成為技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域的主體，以科技推動產(chǎn)業(yè)進步、以科技帶動風(fēng)電產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
風(fēng)能是資源潛力巨大、技術(shù)較為成熟的可再生能源，在減排溫室氣體、應(yīng)對氣候變化的新形勢下，越來越受到世界各國的重視，并已在全球大規(guī)模開發(fā)利用。“十一五”到“十二五”期間，我國風(fēng)電經(jīng)歷了飛速發(fā)展的十年，風(fēng)電成為繼火電、水電之后的第三大電源。根據(jù)全球風(fēng)能理事會統(tǒng)計，2017年，我國風(fēng)電新增裝機容量達19.5GW，累計裝機容量達188.2GW，占全球風(fēng)電總裝機量的35%。根據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2017年，我國風(fēng)電裝機量占全國發(fā)電裝機總量的9.2%，風(fēng)電的年發(fā)電量占全國發(fā)電總量的4.8%。
我國開展風(fēng)電技術(shù)研發(fā)已有40多年的歷史，與歐美國家同時起步，早期主要由科研機構(gòu)和大專院校進行樣機研究和試制，在“九五”和“十五”期間，我國首批風(fēng)電整機制造企業(yè)初步掌握了定槳距機組總體設(shè)計技術(shù)，實現(xiàn)了規(guī)模化生產(chǎn)，邁出了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的第一步。“十一五”以來，隨著國家陸續(xù)制定出臺了促進風(fēng)電等可再生能源發(fā)展的相關(guān)法規(guī)和扶持政策，眾多國內(nèi)外企業(yè)大舉投入中國風(fēng)電制造業(yè)，通過引進生產(chǎn)許可證、建立合資企業(yè)、開展自主研發(fā)或聯(lián)合研發(fā)等手段，研制兆瓦級以上風(fēng)電機組產(chǎn)品。經(jīng)過一定時期的風(fēng)電機組技術(shù)引進和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，國內(nèi)風(fēng)電整機制造企業(yè)對風(fēng)電技術(shù)開發(fā)的路線圖、關(guān)鍵要素和潛在風(fēng)險的認(rèn)識日益深入，開發(fā)出若干具有自主知識產(chǎn)權(quán)的機型，在單機容量上也逐漸接近國際領(lǐng)先水平。
我國風(fēng)電企業(yè)通過引進消化吸收和再創(chuàng)新，掌握了關(guān)鍵核心技術(shù)，并且在適應(yīng)低風(fēng)速條件和惡劣環(huán)境的風(fēng)電機組開發(fā)方面取得了突破性進展，處于全球領(lǐng)先地位，在大容量機組開發(fā)上也基本實現(xiàn)了與世界同步。這些成就，既保證了我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的持續(xù)快速發(fā)展，也為我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)從大到強的跨越式發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
為適應(yīng)我國中東部和南部地區(qū)巨大的低風(fēng)速資源，近年來很多整機設(shè)備廠商紛紛推出高塔筒和長葉片等方案，在技術(shù)開發(fā)的過程中借鑒了歐洲廠商的經(jīng)驗，但也有不少是我國的設(shè)備廠商因地制宜，根據(jù)國內(nèi)資源和產(chǎn)業(yè)配套情況提出的一些新的思路和方法，體現(xiàn)出我國整機設(shè)備廠商在技術(shù)路線方面已經(jīng)開始具備一定的自主創(chuàng)新能力。
我國在風(fēng)電機組領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和共性技術(shù)研究方面相對不足，風(fēng)電機組設(shè)計軟件及載荷評估所用的軟件絕大部分為歐洲公司產(chǎn)品，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和理念方面基本全部按照DNV.GL公司提出的風(fēng)電機組認(rèn)證規(guī)則及國際電工委員會（IEC）提出的IEC61400系列風(fēng)電機組技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求進行，未充分考慮到我國風(fēng)能資源、自然環(huán)境和電網(wǎng)接納方式的特殊性。國外風(fēng)電行業(yè)在跨行業(yè)的技術(shù)整合與成果轉(zhuǎn)化方面非常活躍，一直以來引領(lǐng)主流技術(shù)的發(fā)展路線，在基本理論、基礎(chǔ)工藝和材料應(yīng)用等方面至今仍具有領(lǐng)先優(yōu)勢。從長期來看，風(fēng)電是一個對設(shè)備可靠性要求非常高的資金與技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，從全球范圍來看，由于風(fēng)電機組產(chǎn)業(yè)的技術(shù)和資金門檻的提高，行業(yè)集中度也在不斷提高。
二、風(fēng)電機組技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
（一）大型風(fēng)電機組整機設(shè)計與制造發(fā)展現(xiàn)狀
1.大型風(fēng)電機組的開發(fā)
在市場需求和競爭的推動下，中國大型風(fēng)電機組開發(fā)技術(shù)升級和國際化進程不斷加快。當(dāng)前我國1.5~4MW風(fēng)電機組已形成充足的供應(yīng)能力，部分機組制造商的5~6MW風(fēng)電機組樣機也已下線。
目前，國外主要的整機制造商已經(jīng)完成4~7MW級風(fēng)電機組的產(chǎn)業(yè)化，8~10MW級的風(fēng)電機組樣機已掛機，歐美整機設(shè)計公司均進入到10MW級整機設(shè)計階段。維斯塔斯風(fēng)力技術(shù)公司（Vestas）和德國Senvion公司都發(fā)布了將開發(fā)200m左右葉輪直徑的10MW風(fēng)電機組的計劃，2018年美國通用電氣公司宣布將在3年內(nèi)完成12MW海上風(fēng)電機組的開發(fā)。
在全球范圍內(nèi)，歐洲海上風(fēng)電發(fā)展起步最早，裝機規(guī)模占比最高。2017年，歐洲新增海上風(fēng)電裝機量即達到了3GW，迎來井噴式的增長。這說明歐洲廠商通過多年的實踐，積累了豐富的設(shè)計和工程經(jīng)驗，對于海上風(fēng)電投資回報和風(fēng)險控制具有充分的信心。
目前，歐洲6MW海上風(fēng)電機組已形成產(chǎn)業(yè)化能力并實現(xiàn)批量裝機，8MW海上風(fēng)電機組進入樣機試運行階段，更大容量的海上風(fēng)電機組也已經(jīng)開始進行設(shè)計。在海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)方面，歐洲具備了單樁、多樁、重力樁、導(dǎo)管架等多種樣式基礎(chǔ)形式的設(shè)計、制造能力。在海上風(fēng)電業(yè)務(wù)領(lǐng)域，技術(shù)、資金和工程經(jīng)驗的壁壘比陸上風(fēng)電更為顯著，美國西門子公司、西班牙歌美颯集團在該領(lǐng)域已經(jīng)形成了巨大的領(lǐng)先優(yōu)勢。
我國已有少量海上風(fēng)電場投入運行，由于缺少海上風(fēng)電場示范經(jīng)驗，尚未完全掌握風(fēng)電機組的設(shè)計開發(fā)與整個海上風(fēng)電工程設(shè)計的協(xié)調(diào)性，導(dǎo)致占海上風(fēng)電投資成本較大比例的基礎(chǔ)、線路和變電站設(shè)計成本難以降低，加之機組的可靠性仍未得到充分驗證，海上風(fēng)電的投資回報存在較大的不確定性。因而，需要通過對風(fēng)電機組控制策略、葉片、塔架、并網(wǎng)特性的深度定制和研究，實現(xiàn)風(fēng)電機組與海上風(fēng)電工程設(shè)計的整體優(yōu)化，避免各部件單獨設(shè)計導(dǎo)致過剩及浪費，有效降低海上風(fēng)電度電成本。
2.零部件配套
在風(fēng)電機組零部件配套方面，我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成包括葉片、塔筒、齒輪箱、發(fā)電機、變槳和偏航系統(tǒng)、輪轂、變流器等在內(nèi)的零部件生產(chǎn)體系。上述主要零部件的產(chǎn)量均已居全球第一位，除配套國產(chǎn)整機廠商外，部分零部件也對國外廠商有少量配套。但是，在高性能軸承、油脂、傳感器、控制器等方面，國產(chǎn)零部件尚不能實現(xiàn)對進口零部件的完全替代。
我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域各類零部件在工程應(yīng)用方面積累了大量經(jīng)驗，但在設(shè)計原理和優(yōu)化方法、新材料和新工藝的運用、零部件開發(fā)過程中的多物理場仿真和全性能驗證測試、高性能零部件的品質(zhì)管控等方面仍然存在短板，在機組控制技術(shù)和整機、零部件具體運行性能關(guān)聯(lián)性的研究方面尚存在很大不足。
總體來看，我國風(fēng)電整機和零部件配套行業(yè)不同程度地存在著大而不強、泛而不精的現(xiàn)象，在基礎(chǔ)材料和工藝技術(shù)方面的研究比較欠缺，在長期可靠性、產(chǎn)品一致性方面與部分進口產(chǎn)品尚存在差距。多數(shù)零部件廠商在考慮設(shè)計開發(fā)和工程應(yīng)用時多著眼于自身，在系統(tǒng)性認(rèn)識和產(chǎn)業(yè)鏈深度合作方面仍需要進一步加強。
3.風(fēng)電試驗平臺
國外風(fēng)電實驗室大多覆蓋風(fēng)能資源評估、風(fēng)電機組現(xiàn)場測試、傳動鏈平臺測試、風(fēng)電并網(wǎng)仿真等領(lǐng)域。如美國國家可再生能源實驗室（NREL）建立了不同時間尺度的風(fēng)能資源預(yù)測模型、7MVA多功能電網(wǎng)擾動模擬裝置、5MW風(fēng)電機組傳動鏈測試平臺等研究平臺，具有國際先進水平的風(fēng)電/光伏發(fā)電設(shè)備及零部件的試驗研發(fā)能力；丹麥國家可再生能源實驗室（DTU/RISØ）在風(fēng)能領(lǐng)域的研究包括風(fēng)能資源評估與微觀選址、風(fēng)電功率預(yù)測、風(fēng)電并網(wǎng)與控制、海上風(fēng)電、空氣動力學(xué)研究和設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和可靠性、遙感和試驗、邊界層氣象與湍流、材料等。
我國目前僅有部分風(fēng)電企業(yè)建設(shè)有自己的動力試驗平臺，但是測試功能相對單一，不具備公共性和獨立性，各廠商大多根據(jù)自身的經(jīng)驗、認(rèn)識和產(chǎn)品開發(fā)的側(cè)重點來開展研究性試驗，開放交流顯著不足。
2010年，我國在張北建立了國家風(fēng)電技術(shù)檢測與研究中心，借助公共試驗場開展了一系列風(fēng)電設(shè)備的現(xiàn)場運行性能和電網(wǎng)適應(yīng)性測試，為我國提高產(chǎn)業(yè)技術(shù)能力和加快規(guī)模化發(fā)展提供了有效助力。我國適合開發(fā)海上風(fēng)電的區(qū)域集中在東南沿海，具有臺風(fēng)、鹽霧、高溫、高濕等惡劣氣候特點。目前我國針對上述風(fēng)電應(yīng)用環(huán)境，系統(tǒng)性的專業(yè)檢測技術(shù)能力尚未形成，亟需加強相關(guān)檢測能力建設(shè)。而歐美針對海上風(fēng)電場在建設(shè)和運行期間對水文、電網(wǎng)、氣象、生物等影響已開展了多項檢測研究活動，并且開發(fā)出一系列專用測試設(shè)備。
（二）數(shù)字化風(fēng)電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
隨著風(fēng)力發(fā)電市場容量和裝備產(chǎn)業(yè)的快速大規(guī)模發(fā)展，風(fēng)電機組的可靠性、運行效率、工作壽命等問題開始受到專家學(xué)者們的高度關(guān)注。針對這一問題，數(shù)字化風(fēng)電技術(shù)，在風(fēng)電智能監(jiān)控、智能運維、故障智能診斷和預(yù)警等方面已開展深入研究探索。
1.風(fēng)電智能監(jiān)控
我國風(fēng)電場監(jiān)控系統(tǒng)主要存在協(xié)議不開放，不同的廠商在協(xié)議信息中描述不統(tǒng)一，無法實現(xiàn)互聯(lián)互通和擴展等問題。這些系統(tǒng)使用的通信協(xié)議結(jié)構(gòu)各異，信息描述不統(tǒng)一，難以實現(xiàn)互聯(lián)互通和擴展,即便是同一制造商生產(chǎn)的風(fēng)電機組，由于電力電子技術(shù)、控制技術(shù)、單機容量和軟件版本的不同，它們擁有的控制方式也可能不同，且需要不同的運行參數(shù)和調(diào)控指令，這給風(fēng)電場統(tǒng)一調(diào)度控制與生產(chǎn)管理制造了很大障礙。
為了實現(xiàn)風(fēng)電場中互聯(lián)性、互操作性和可擴展性，國際電工委員會（IEC）起草制定了IEC61400-25標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)定義用于搭建風(fēng)電場監(jiān)控系統(tǒng)平臺的通信原理和信息交換模型等方面，是電力系統(tǒng)自動化通信協(xié)議IEC61850標(biāo)準(zhǔn)在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域內(nèi)的延展。我國也對IEC61400-25標(biāo)準(zhǔn)進行了國家標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)化與執(zhí)行，基本實現(xiàn)了風(fēng)電場的監(jiān)控運行管理。
2.風(fēng)電智能運維
我國風(fēng)電設(shè)備多運行于自然條件艱苦、可到達性較差的環(huán)境，對智能運維的需求尤為迫切，力求在考慮設(shè)備可靠性、維修性、經(jīng)濟性等影響因素的情況下，實現(xiàn)定檢、維修、維護的合理安排，以達到減少值守人員數(shù)量、縮短備件供應(yīng)時間和提高運行可靠性的目的。
在風(fēng)電場智能化運維管理系統(tǒng)方面，國外起步較早，實用化水平也相對較高，作為風(fēng)電場控制系統(tǒng)的載體，GH-SCADA、RISØ-CleverFarm等系統(tǒng)除具有完成傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、分析、展示的功能外，還在功能上集成了風(fēng)電場優(yōu)化控制、運行數(shù)據(jù)分析、供應(yīng)鏈服務(wù)、信息流管理等高級控制功能，已初步體現(xiàn)了風(fēng)電場智能化運維的理念。
我國陸上風(fēng)電場智能化運維水平在精細(xì)化與信息化方面與國際上存在較大差距。海上風(fēng)電場在運維管理的限制性條件、服務(wù)裝備、安全要求等方面和陸上風(fēng)電場存在顯著差異，歐洲廠商根據(jù)多年經(jīng)驗，形成了海上風(fēng)電場運維管理的系統(tǒng)性方法，而我國目前海上風(fēng)電場的運維手段和理念主要借鑒陸上風(fēng)電場的經(jīng)驗，尚未形成真正適用于海上風(fēng)電場的運維管理體系。
3.風(fēng)電機組故障智能診斷和預(yù)警
我國目前已經(jīng)面臨大批風(fēng)電機組陸續(xù)過保的現(xiàn)狀，風(fēng)電機組可利用率下降、傳動系統(tǒng)和葉片等零部件的性能下降和故障造成的停機現(xiàn)象較為嚴(yán)重。國內(nèi)一些科研機構(gòu)和整機廠家逐漸開始重視風(fēng)電機組健康狀態(tài)診斷技術(shù)，并借鑒國外先進經(jīng)驗開展了初步研究，也已開發(fā)出一些狀態(tài)監(jiān)測產(chǎn)品批量應(yīng)用到風(fēng)電場。一些風(fēng)能利用發(fā)達的國家，如丹麥、德國、西班牙等擁有長期共生、緊密合作的風(fēng)電零部件與整機產(chǎn)業(yè)鏈，并根據(jù)大量現(xiàn)場采集的運行數(shù)據(jù)開展風(fēng)電機組運行狀態(tài)評價和全壽命周期評估，將風(fēng)能資源、風(fēng)電規(guī)劃、風(fēng)電場評估、風(fēng)電機組設(shè)備運行狀態(tài)與檢測結(jié)果、風(fēng)電場運行維護、風(fēng)電場性能評估等統(tǒng)一考慮，用于開展風(fēng)電機組狀態(tài)評價、故障診斷以及經(jīng)濟性運行。
隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，各整機廠商紛紛建立大數(shù)據(jù)中心并開展了風(fēng)電機組狀態(tài)監(jiān)控及故障預(yù)警的研究，但國內(nèi)風(fēng)電機組故障診斷技術(shù)從整體來看，產(chǎn)品分析和診斷功能都較為薄弱，主要問題在于對于整機和零部件的運行機理與失效模式認(rèn)識尚不夠深入，當(dāng)前以趨勢判斷和定性分析為主，缺乏定量分析，還不具備整套評估體系及對故障進行準(zhǔn)確判斷與預(yù)警的方法。
（三）電網(wǎng)友好型技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
隨著風(fēng)電比例的不斷上升，出于電網(wǎng)穩(wěn)定運行考慮，我國對風(fēng)電機組的并網(wǎng)性能也不斷提出新的要求，包括低電壓穿越、高電壓穿越、慣量響應(yīng)和一次調(diào)頻等。目前，低電壓穿越已成為我國風(fēng)電設(shè)備入網(wǎng)的強制性要求，對高電壓穿越、慣量響應(yīng)和一次調(diào)頻能力的要求正在深入論證中，但還沒有提出明確的技術(shù)指標(biāo)及測試方法。各個國家都根據(jù)自身電力系統(tǒng)的情況，提出有針對性的風(fēng)電設(shè)備入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，部分國家的入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中對風(fēng)電的高、低電壓穿越和一次調(diào)頻性能要求已經(jīng)非常明確。
國外設(shè)備廠商對于風(fēng)電機組在故障穿越中的動態(tài)特性、安全極限、機群的互動穩(wěn)定性、風(fēng)電機組和風(fēng)電場模型驗證、風(fēng)電機組和風(fēng)電場電能質(zhì)量評價等方面有著深入的研究并進行了相應(yīng)的測試，國內(nèi)廠商則多停留于功能實現(xiàn)，在技術(shù)的深入探索和優(yōu)化方面尚待加強。
由于我國近年來風(fēng)電規(guī)模增長迅猛，并且在風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)、傳輸和運行方面獲得了相當(dāng)多的實際經(jīng)驗和成果，IEC組織將新成立的TC8SC8A“大容量可再生能源接入電網(wǎng)”工作組和TC8SC8B“分布式能源電力系統(tǒng)”工作組的秘書處設(shè)立于中國，我國技術(shù)專家能夠更多地參加到國際標(biāo)準(zhǔn)的制訂工作中，開展更為廣泛的技術(shù)交流，極大地提高了我國風(fēng)電機組產(chǎn)業(yè)在電網(wǎng)接入技術(shù)領(lǐng)域的話語權(quán)。
（四）風(fēng)電新概念技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
除了傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，風(fēng)電新概念技術(shù)也隨之快速發(fā)展。為滿足未來大容量海上風(fēng)電機組的需要，美國2009年即由可再生能源實驗室（NREL）和美國超導(dǎo)公司、東元西屋電機公司等簽署協(xié)議，聯(lián)合開發(fā)大容量風(fēng)電用超導(dǎo)發(fā)電機，歐洲眾多廠商也紛紛介入這一領(lǐng)域。美國通用電氣公司、美國超導(dǎo)公司、德國西門子股份公司、日本川崎重工業(yè)株式會社等都已進行了兆瓦級超導(dǎo)發(fā)電機的試制和測試，中國船舶重工集團公司第七一二研究所也已進行了樣機開發(fā)。
高溫超導(dǎo)電機是一項應(yīng)用新材料、新方法、新工藝的多學(xué)科高新技術(shù)，技術(shù)難度大，而且國內(nèi)高溫超導(dǎo)電機的研究起步較晚、研究經(jīng)費少，研究的深度和廣度還不夠，基礎(chǔ)研究、技術(shù)水平與技術(shù)手段與美國和德國相比還存在明顯差距。
風(fēng)能在近地高度范圍內(nèi)，由于地面粗糙度而具有切變特性，即高度越高則平均風(fēng)速越大，因而對高空風(fēng)能資源的利用在多年前就得到了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。我國高空風(fēng)電目前仍處于探索階段，有少量小功率機組投入試運行，但尚未有商業(yè)案例。
關(guān)于高空風(fēng)力發(fā)電，國外的創(chuàng)業(yè)公司提出了很多有想象力的方案，谷歌收購了硅谷的高空風(fēng)電創(chuàng)業(yè)公司（Makani），麻省理工學(xué)院則投資了創(chuàng)業(yè)公司AltaerosEnergies，上述兩家公司均設(shè)計制造了樣機進行現(xiàn)場測試[5]。對比國內(nèi)外廠商，在高空風(fēng)電領(lǐng)域，國外廠商的技術(shù)研發(fā)起點很高，理論基礎(chǔ)扎實，在實踐中采用了大量新材料和傳感器，在裝備設(shè)計中均采用可移動、可放飛、可回收的路線，工程經(jīng)濟性較好，相對于國內(nèi)廠商有顯著優(yōu)勢。
三、技術(shù)發(fā)展趨勢和需求
在風(fēng)電發(fā)展方面，我國將繼續(xù)落實陸上大型基地建設(shè)、陸上分散式并網(wǎng)開發(fā)和海上風(fēng)電基地建設(shè),并結(jié)合我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的國家戰(zhàn)略，積極推動整機設(shè)備和零部件出口。風(fēng)電機組出于充分利用風(fēng)能資源和降低度電成本的目的，不斷向大型化、智能化、數(shù)字化的方向發(fā)展，而具體技術(shù)突破則更多地借助信息化、集群化以及多學(xué)科的交叉融合。
（一）大型風(fēng)電機組整機設(shè)計與制造發(fā)展趨勢和需求
1.大型風(fēng)電機組的開發(fā)
隨著風(fēng)電機組單機容量的不斷增加及我國風(fēng)電開發(fā)的不斷深入，利用智能控制技術(shù)，通過先進傳感技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的深度融合，綜合分析風(fēng)電機組運行狀態(tài)及工況條件，對機組運行參數(shù)進行實時調(diào)整，實現(xiàn)風(fēng)電設(shè)備的高效、高可靠性運行，是未來風(fēng)電設(shè)備智能化研究的趨勢。大型風(fēng)電機組整機技術(shù)需求主要包括：大功率風(fēng)電機組整機一體化優(yōu)化設(shè)計及輕量化設(shè)計技術(shù)，大功率機組葉片、載荷與先進傳感控制集成一體化降載優(yōu)化技術(shù)，大功率風(fēng)電機組電氣控制系統(tǒng)智能診斷、故障自恢復(fù)免維護技術(shù)，以及大功率陸上風(fēng)電機組及關(guān)鍵部件綠色制造技術(shù)。
我國海床的構(gòu)成特征確定了我國海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)段的工程成本將高于歐洲，而我國海域的夏季臺風(fēng)則對海上風(fēng)電機組了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，這就促使我國海上風(fēng)電市場更需要設(shè)備具有大容量和高可靠性。
海上風(fēng)電機組技術(shù)需求主要包括：適用于我國的近海、遠(yuǎn)海風(fēng)電場設(shè)計、施工、運輸、吊裝關(guān)鍵技術(shù)；適合我國海況和海上風(fēng)能資源特點的風(fēng)電機組精確化建模和仿真計算技術(shù)；10MW級及以上海上風(fēng)電機組整機設(shè)計技術(shù)，包括風(fēng)電機組、塔架、基礎(chǔ)一體化設(shè)計技術(shù)，以及考慮極限載荷、疲勞載荷、整機可靠性的設(shè)計優(yōu)化技術(shù)；高可靠性傳動鏈及關(guān)鍵部件的設(shè)計、制造、測試技術(shù)以及大功率風(fēng)電機組冷卻技術(shù)；自主知識產(chǎn)權(quán)的海上風(fēng)電機組及其軸承和發(fā)電機等關(guān)鍵部件；對于惡劣海洋環(huán)境對機組內(nèi)部機械部件、電控部件以及對外部結(jié)構(gòu)腐蝕的影響；臺風(fēng)、鹽霧、高溫、高濕度海洋環(huán)境下的風(fēng)電機組內(nèi)環(huán)境智能自適應(yīng)性系統(tǒng)。
2.零部件配套
在風(fēng)電機組大型化的同時，結(jié)構(gòu)性問題的重要性也越來越凸顯，一些新型的技術(shù)方案，如分段式葉片、全鋼分瓣式柔性塔架、低成本的輔助控制小型激光雷達、海上機組用的高度生物可降解油品等我國尚未完全掌握。
葉片大型化和柔性化帶來一些新的問題,如葉片的一階扭轉(zhuǎn)頻率越來越低，葉片氣彈發(fā)散以及顫振穩(wěn)定性邊界逐漸降低，甚至威脅風(fēng)電機組的正常運行，因此葉片氣彈穩(wěn)定性分析將是未來大型葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計的必要內(nèi)容,通過結(jié)構(gòu)設(shè)計提高葉片的氣彈穩(wěn)定性具有重要意義[6]。
3.風(fēng)電試驗平臺
國內(nèi)廠商進行產(chǎn)品性能試驗時，多出于產(chǎn)品認(rèn)證和市場準(zhǔn)入的需要，而整機廠商和零部件廠商出于自身技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)品優(yōu)化需要而開發(fā)的試驗平臺或者制訂的試驗標(biāo)準(zhǔn)則一直比較缺乏。由于試驗平臺和標(biāo)準(zhǔn)涉及的上下游廠商較多，關(guān)系到從理論到實踐的成果轉(zhuǎn)化，需要行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)歸口單位組織眾多廠商深入論證，并積極開展實質(zhì)性的協(xié)作，真正推動產(chǎn)業(yè)技術(shù)成長。
（二）數(shù)字化風(fēng)電技術(shù)發(fā)展趨勢和需求
1.風(fēng)電智能監(jiān)控
風(fēng)電場智能化監(jiān)控可以帶來非常大的商業(yè)價值，具體需求主要包括：風(fēng)電機組和風(fēng)電場綜合智能化傳感技術(shù)、風(fēng)電大數(shù)據(jù)收集、傳輸、存儲、整合及快速搜索提取技術(shù)；風(fēng)電場中不同制造商風(fēng)電機組間通信兼容解決方案，建立風(fēng)電場監(jiān)控系統(tǒng)信息模型；大型風(fēng)電場群遠(yuǎn)程通信技術(shù)，開發(fā)風(fēng)電場間通信協(xié)議及數(shù)據(jù)可視化展示平臺，實現(xiàn)風(fēng)電場信息的無縫集成等。
2.風(fēng)電智能運維
風(fēng)電場智能化運維技術(shù)正在向著信息化、集群化的方向發(fā)展。通過智能控制技術(shù)、先進傳感技術(shù)以及高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的深度融合，綜合分析風(fēng)電機組運行狀態(tài)及工況條件，對機組運行參數(shù)進行實時調(diào)整，實現(xiàn)風(fēng)電設(shè)備的高效、高可靠性運行。
風(fēng)電運維與信息技術(shù)的深入融合包括建立包含風(fēng)電場群運行數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、電網(wǎng)信息、風(fēng)電設(shè)備運行信息的物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)平臺，通過多風(fēng)電場群協(xié)同控制和綜合分析，加強風(fēng)電機組智能控制和發(fā)電功率優(yōu)化；以可靠性為中心的風(fēng)電場維修理論，按照以最少的維修資源消耗保持設(shè)備固有可靠性和安全性的原則，應(yīng)用邏輯決斷的方法確定裝備預(yù)防性維修要求的過程；基于云計算平臺的風(fēng)電大數(shù)據(jù)挖掘及智能診斷技術(shù)，將數(shù)據(jù)分析范圍覆蓋風(fēng)場從設(shè)計建設(shè)到狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷以及運營維護的全流程等方面。
3.風(fēng)電機組故障智能診斷和預(yù)警
當(dāng)前風(fēng)電機組的運維主要采用定期檢修和故障后維修的“被動”維修方式，需要改變風(fēng)電機組運行維護方式，充分利用風(fēng)電狀態(tài)監(jiān)控，開展預(yù)警相關(guān)研究，變風(fēng)電機組“被動”維修為“主動”維修，提高風(fēng)電運維效率，增加風(fēng)電開發(fā)收益。當(dāng)前在役風(fēng)電場均配有監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA），具備多年運行積累的歷史數(shù)據(jù)；2010年以來，為監(jiān)測風(fēng)電機組振動狀態(tài)，新增風(fēng)電機組都配有振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（CMS），基于大數(shù)據(jù)技術(shù)開展風(fēng)電狀態(tài)監(jiān)控及智能預(yù)警研究已具備開展條件。結(jié)合機組主控制系統(tǒng)、SCADA數(shù)據(jù)和CMS數(shù)據(jù)，開展風(fēng)電機組狀態(tài)預(yù)測與故障診斷方法研究，開展振動信號檢測與分析研究，對風(fēng)電機組關(guān)鍵部件故障進行特征提取與精確定位，并結(jié)合疲勞載荷分析和智能控制技術(shù)，對風(fēng)電機組進行健康狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、壽命評估及自動化處置已經(jīng)成為各個廠商都在積極投入的技術(shù)方向。
（三）電網(wǎng)友好型技術(shù)發(fā)展趨勢和需求
我國風(fēng)電的接入形式正從單一的集中接入遠(yuǎn)距離輸送向多元化方式發(fā)展，分散式接入和微網(wǎng)應(yīng)用正成為日益發(fā)展的趨勢。在全新的應(yīng)用場景下，風(fēng)電將更為直接地面對用戶需求，而用戶對于風(fēng)電的電能品質(zhì)也將提出更高的標(biāo)準(zhǔn)。
歐美國家在風(fēng)電的分散式應(yīng)用方面發(fā)展較我國成熟，但接入標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)市場發(fā)展情況也在不斷完善中，以美國為例，UL1741標(biāo)準(zhǔn)在2016年年底對分散式接入電源的故障穿越、頻率支持和孤島保護等方面提出了一系列的新要求，其技術(shù)方向和適用性非常值得我國參考。
未來風(fēng)電電源和傳統(tǒng)電源、儲能、負(fù)荷、其他新能源、充電樁和智能配電保護系統(tǒng)等都會產(chǎn)生更多元和深入的互動，在運行控制、信息交互和安全方面必將有廣闊的發(fā)展空間。
（四）風(fēng)電新概念技術(shù)發(fā)展趨勢和需求
從長期來看，風(fēng)電等可再生能源的綜合利用仍然處于起步階段，在低碳環(huán)保可持續(xù)發(fā)展理念下，風(fēng)電機組技術(shù)未來也會發(fā)展出一些全新的理念，新的材料和工藝也將不斷被利用到風(fēng)電機組中，使我們能更高效、更靈活、更低成本地獲取風(fēng)能，較為典型的如采用碳化硅（SiC）器件的變流技術(shù)、葉片編織成型技術(shù)和多葉輪結(jié)構(gòu)等。
截至2017年年底，我國已有超過10萬臺風(fēng)電機組并網(wǎng)運行，按使用壽命20年計算，到2027年，我國就將每年面臨近萬臺風(fēng)電機組的退役問題。盡管良好的故障監(jiān)控技術(shù)與運維技術(shù)可以有效增長機組使用壽命，但退役的風(fēng)電設(shè)備如何安置處理，已經(jīng)是一個不可忽視的問題。目前國內(nèi)該領(lǐng)域研究關(guān)注度不高，且多處于探索階段，如葉片及永磁材料的分解回收方法等，但技術(shù)和商業(yè)可行性仍有待驗證。
四、結(jié)語
近年來，我國有關(guān)部門組織進行了我國風(fēng)能資源技術(shù)可開發(fā)量與經(jīng)濟可開發(fā)量的研究和統(tǒng)計分析。由于風(fēng)電機組技術(shù)的進步，可利用的風(fēng)能資源儲量不斷擴大，只要對當(dāng)前的資源條件進行精耕細(xì)作的開發(fā)，完全能滿足當(dāng)前制訂的2030年非化石能源指標(biāo)，而歐美各國的先進經(jīng)驗也為我國實現(xiàn)高比例、高滲透的可再生能源發(fā)展目標(biāo)提供了很好的借鑒。
在我國《可再生能源“十三五”發(fā)展規(guī)劃》確定的目標(biāo)下，2017年國家和地方層面推出了一系列的產(chǎn)業(yè)政策，海上風(fēng)電和分散式風(fēng)電成為明確的市場導(dǎo)向，這為風(fēng)電機組制造行業(yè)進行技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)業(yè)升級提供了很多創(chuàng)新的思路和空間，在“一帶一路”政策的引領(lǐng)下，我國的風(fēng)電機組也將更為積極地走向海外市場。與此同時，隨著風(fēng)電在電力系統(tǒng)中比例越來越高，電能傳輸和應(yīng)用的方式也變得越來越豐富，需求變得越來越個性化，這些都為我國風(fēng)電機組產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展和技術(shù)持續(xù)進步提供了勃勃生機。
在目前的國內(nèi)和國際市場，風(fēng)電的低價格呈現(xiàn)遍地開花的趨勢，在摩洛哥、印度、墨西哥和加拿大，風(fēng)電上網(wǎng)價格最低達到了0.03美元/kW·h。2017年，在德國的招標(biāo)中出現(xiàn)了全球首個“無需補貼”的海上風(fēng)電項目，這使得歐洲新增3GW海上風(fēng)電的成績充滿了說服力。風(fēng)電電價的大幅下降正在給產(chǎn)業(yè)鏈的上下游帶來巨大的壓力，擠壓其利潤的空間，但是風(fēng)電機組技術(shù)的發(fā)展也為實現(xiàn)該目標(biāo)做出了持續(xù)的努力。
中國風(fēng)電機組技術(shù)下一步的發(fā)展方向?qū)⒘⒆阌谖覈L(fēng)電開發(fā)的需求和特點，積極參與國際市場競爭，不斷提升大型先進風(fēng)電機組的理論研究水平，完善風(fēng)電設(shè)備供應(yīng)鏈，使創(chuàng)新設(shè)計與智能制造實現(xiàn)有機結(jié)合，確保風(fēng)電機組的質(zhì)量和可靠性，發(fā)掘和鞏固核心競爭力，減少同質(zhì)化競爭。風(fēng)電設(shè)備制造企業(yè)也必將成為技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域的主體，以科技推動產(chǎn)業(yè)進步、以科技帶動風(fēng)電產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
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