風能是資源潛力巨大、技術較為成熟的可再生能源，在減排溫室氣體、應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，我國風電經(jīng)歷了飛速發(fā)展的十年，風電成為繼火電、水電之后的第三大電源。根據(jù)全球風能理事會統(tǒng)計，2017年，我國風電新增裝機容量達19.5GW，累計裝機容量達188.2GW，占全球風電總裝機量的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，我國風電裝機量占全國發(fā)電裝機總量的9.2%，風電的年發(fā)電量占全國發(fā)電總量的4.8%。

  我國開展風電技術研發(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，我國首批風電整機制造企業(yè)初步掌握了定槳距機組總體設計技術，實現(xiàn)了規(guī)?；a，邁出了產業(yè)化發(fā)展的第一步?！笆晃濉币詠?，隨著國家陸續(xù)制定出臺了促進風電等可再生能源發(fā)展的相關法規(guī)和扶持政策，眾多國內外企業(yè)大舉投入中國風電制造業(yè)，通過引進生產許可證、建立合資企業(yè)、開展自主研發(fā)或聯(lián)合研發(fā)等手段，研制兆瓦級以上風電機組產品。經(jīng)過一定時期的風電機組技術引進和產業(yè)化生產，國內風電整機制造企業(yè)對風電技術開發(fā)的路線圖、關鍵要素和潛在風險的認識日益深入，開發(fā)出若干具有自主知識產權的機型，在單機容量上也逐漸接近國際領先水平。

   我國風電企業(yè)通過引進消化吸收和再創(chuàng)新，掌握了關鍵核心技術，并且在適應低風速條件和惡劣環(huán)境的風電機組開發(fā)方面取得了突破性進展，處于全球領先地位，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，既保證了我國風電產業(yè)的持續(xù)快速發(fā)展，也為我國風電產業(yè)實現(xiàn)從大到強的跨越式發(fā)展奠定了基礎。

  為適應我國中東部和南部地區(qū)巨大的低風速資源，近年來很多整機設備廠商紛紛推出高塔筒和長葉片等方案，在技術開發(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備廠商因地制宜，根據(jù)國內資源和產業(yè)配套情況提出的一些新的思路和方法，體現(xiàn)出我國整機設備廠商在技術路線方面已經(jīng)開始具備一定的自主創(chuàng)新能力。

   我國在風電機組領域的基礎研究和共性技術研究方面相對不足，風電機組設計軟件及載荷評估所用的軟件絕大部分為歐洲公司產品，設計標準和理念方面基本全部按照DNV.GL公司提出的風電機組認證規(guī)則及國際電工委員會（IEC）提出的IEC61400系列風電機組技術標準的要求進行，未充分考慮到我國風能資源、自然環(huán)境和電網(wǎng)接納方式的特殊性。國外風電行業(yè)在跨行業(yè)的技術整合與成果轉化方面非常活躍，一直以來引領主流技術的發(fā)展路線，在基本理論、基礎工藝和材料應用等方面至今仍具有領先優(yōu)勢。從長期來看，風電是一個對設備可靠性要求非常高的資金與技術密集型產業(yè)，從全球范圍來看，由于風電機組產業(yè)的技術和資金門檻的提高，行業(yè)集中度也在不斷提高。

二、風電機組技術的發(fā)展現(xiàn)狀

（一）大型風電機組整機設計與制造發(fā)展現(xiàn)狀

1.大型風電機組的開發(fā)

  在市場需求和競爭的推動下，中國大型風電機組開發(fā)技術升級和國際化進程不斷加快。當前我國1.5~4MW風電機組已形成充足的供應能力，部分機組制造商的5~6MW風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級風電機組的產業(yè)化，8~10MW級的風電機組樣機已掛機，歐美整機設計公司均進入到10MW級整機設計階段。維斯塔斯風力技術公司（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風電機組的計劃，2018年美國通用電氣公司宣布將在3年內完成12MW海上風電機組的開發(fā)。

   在全球范圍內，歐洲海上風電發(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，積累了豐富的設計和工程經(jīng)驗，對于海上風電投資回報和風險控制具有充分的信心。

   目前，歐洲6MW海上風電機組已形成產業(yè)化能力并實現(xiàn)批量裝機，8MW海上風電機組進入樣機試運行階段，更大容量的海上風電機組也已經(jīng)開始進行設計。在海上風電機組基礎方面，歐洲具備了單樁、多樁、重力樁、導管架等多種樣式基礎形式的設計、制造能力。在海上風電業(yè)務領域，技術、資金和工程經(jīng)驗的壁壘比陸上風電更為顯著，美國西門子公司、西班牙歌美颯集團在該領域已經(jīng)形成了巨大的領先優(yōu)勢。

   我國已有少量海上風電場投入運行，由于缺少海上風電場示范經(jīng)驗，尚未完全掌握風電機組的設計開發(fā)與整個海上風電工程設計的協(xié)調性，導致占海上風電投資成本較大比例的基礎、線路和變電站設計成本難以降低，加之機組的可靠性仍未得到充分驗證，海上風電的投資回報存在較大的不確定性。因而，需要通過對風電機組控制策略、葉片、塔架、并網(wǎng)特性的深度定制和研究，實現(xiàn)風電機組與海上風電工程設計的整體優(yōu)化，避免各部件單獨設計導致過剩及浪費，有效降低海上風電度電成本。

2.零部件配套

  在風電機組零部件配套方面，我國風電產業(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、變流器等在內的零部件生產體系。上述主要零部件的產量均已居全球第一位，除配套國產整機廠商外，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，國產零部件尚不能實現(xiàn)對進口零部件的完全替代。

   我國風電產業(yè)領域各類零部件在工程應用方面積累了大量經(jīng)驗，但在設計原理和優(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管控等方面仍然存在短板，在機組控制技術和整機、零部件具體運行性能關聯(lián)性的研究方面尚存在很大不足。

  總體來看，我國風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，在基礎材料和工藝技術方面的研究比較欠缺，在長期可靠性、產品一致性方面與部分進口產品尚存在差距。多數(shù)零部件廠商在考慮設計開發(fā)和工程應用時多著眼于自身，在系統(tǒng)性認識和產業(yè)鏈深度合作方面仍需要進一步加強。

3.風電試驗平臺

   國外風電實驗室大多覆蓋風能資源評估、風電機組現(xiàn)場測試、傳動鏈平臺測試、風電并網(wǎng)仿真等領域。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能資源預測模型、7MVA多功能電網(wǎng)擾動模擬裝置、5MW風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電/光伏發(fā)電設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/RIS?）在風能領域的研究包括風能資源評估與微觀選址、風電功率預測、風電并網(wǎng)與控制、海上風電、空氣動力學研究和設計、結構設計和可靠性、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電企業(yè)建設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、認識和產品開發(fā)的側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電技術檢測與研究中心，借助公共試驗場開展了一系列風電設備的現(xiàn)場運行性能和電網(wǎng)適應性測試，為我國提高產業(yè)技術能力和加快規(guī)模化發(fā)展提供了有效助力。我國適合開發(fā)海上風電的區(qū)域集中在東南沿海，具有臺風、鹽霧、高溫、高濕等惡劣氣候特點。目前我國針對上述風電應用環(huán)境，系統(tǒng)性的專業(yè)檢測技術能力尚未形成，亟需加強相關檢測能力建設。而歐美針對海上風電場在建設和運行期間對水文、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備。

（二）數(shù)字化風電技術發(fā)展現(xiàn)狀

  隨著風力發(fā)電市場容量和裝備產業(yè)的快速大規(guī)模發(fā)展，風電機組的可靠性、運行效率、工作壽命等問題開始受到專家學者們的高度關注。針對這一問題，數(shù)字化風電技術，在風電智能監(jiān)控、智能運維、故障智能診斷和預警等方面已開展深入研究探索。

1.風電智能監(jiān)控

  我國風電場監(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)議結構各異，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的風電機組，由于電力電子技術、控制技術、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)和調控指令，這給風電場統(tǒng)一調度控制與生產管理制造了很大障礙。

  為了實現(xiàn)風電場中互聯(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標準。該標準定義用于搭建風電場監(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標準在風力發(fā)電領域內的延展。我國也對IEC61400-25標準進行了國家標準的轉化與執(zhí)行，基本實現(xiàn)了風電場的監(jiān)控運行管理。

2.風電智能運維

  我國風電設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、縮短備件供應時間和提高運行可靠性的目的。

  在風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，作為風電場控制系統(tǒng)的載體，GH-SCADA、RIS?-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電場優(yōu)化控制、運行數(shù)據(jù)分析、供應鏈服務、信息流管理等高級控制功能，已初步體現(xiàn)了風電場智能化運維的理念。

  我國陸上風電場智能化運維水平在精細化與信息化方面與國際上存在較大差距。海上風電場在運維管理的限制性條件、服務裝備、安全要求等方面和陸上風電場存在顯著差異，歐洲廠商根據(jù)多年經(jīng)驗，形成了海上風電場運維管理的系統(tǒng)性方法，而我國目前海上風電場的運維手段和理念主要借鑒陸上風電場的經(jīng)驗，尚未形成真正適用于海上風電場的運維管理體系。

3.風電機組故障智能診斷和預警

   我國目前已經(jīng)面臨大批風電機組陸續(xù)過保的現(xiàn)狀，風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)象較為嚴重。國內一些科研機構和整機廠家逐漸開始重視風電機組健康狀態(tài)診斷技術，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)測產品批量應用到風電場。一些風能利用發(fā)達的國家，如丹麥、德國、西班牙等擁有長期共生、緊密合作的風電零部件與整機產業(yè)鏈，并根據(jù)大量現(xiàn)場采集的運行數(shù)據(jù)開展風電機組運行狀態(tài)評價和全壽命周期評估，將風能資源、風電規(guī)劃、風電場評估、風電機組設備運行狀態(tài)與檢測結果、風電場運行維護、風電場性能評估等統(tǒng)一考慮，用于開展風電機組狀態(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)中心并開展了風電機組狀態(tài)監(jiān)控及故障預警的研究，但國內風電機組故障診斷技術從整體來看，產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識尚不夠深入，當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確判斷與預警的方法。

（三）電網(wǎng)友好型技術發(fā)展現(xiàn)狀

  隨著風電比例的不斷上升，出于電網(wǎng)穩(wěn)定運行考慮，我國對風電機組的并網(wǎng)性能也不斷提出新的要求，包括低電壓穿越、高電壓穿越、慣量響應和一次調頻等。目前，低電壓穿越已成為我國風電設備入網(wǎng)的強制性要求，對高電壓穿越、慣量響應和一次調頻能力的要求正在深入論證中，但還沒有提出明確的技術指標及測試方法。各個國家都根據(jù)自身電力系統(tǒng)的情況，提出有針對性的風電設備入網(wǎng)標準，部分國家的入網(wǎng)標準中對風電的高、低電壓穿越和一次調頻性能要求已經(jīng)非常明確。

  國外設備廠商對于風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、風電機組和風電場模型驗證、風電機組和風電場電能質量評價等方面有著深入的研究并進行了相應的測試，國內廠商則多停留于功能實現(xiàn)，在技術的深入探索和優(yōu)化方面尚待加強。

  由于我國近年來風電規(guī)模增長迅猛，并且在風電大規(guī)模并網(wǎng)、傳輸和運行方面獲得了相當多的實際經(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)”工作組的秘書處設立于中國，我國技術專家能夠更多地參加到國際標準的制訂工作中，開展更為廣泛的技術交流，極大地提高了我國風電機組產業(yè)在電網(wǎng)接入技術領域的話語權。

（四）風電新概念技術發(fā)展現(xiàn)狀

   除了傳統(tǒng)風力發(fā)電技術，風電新概念技術也隨之快速發(fā)展。為滿足未來大容量海上風電機組的需要，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)大容量風電用超導發(fā)電機，歐洲眾多廠商也紛紛介入這一領域。美國通用電氣公司、美國超導公司、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)。

  高溫超導電機是一項應用新材料、新方法、新工藝的多學科高新技術，技術難度大，而且國內高溫超導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，基礎研究、技術水平與技術手段與美國和德國相比還存在明顯差距。

  風能在近地高度范圍內，由于地面粗糙度而具有切變特性，即高度越高則平均風速越大，因而對高空風能資源的利用在多年前就得到了國內外學者的關注。我國高空風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。

 關于高空風力發(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電創(chuàng)業(yè)公司（Makani），麻省理工學院則投資了創(chuàng)業(yè)公司AltaerosEnergies，上述兩家公司均設計制造了樣機進行現(xiàn)場測試[5]。對比國內外廠商，在高空風電領域，國外廠商的技術研發(fā)起點很高，理論基礎扎實，在實踐中采用了大量新材料和傳感器，在裝備設計中均采用可移動、可放飛、可回收的路線，工程經(jīng)濟性較好，相對于國內廠商有顯著優(yōu)勢。