雷 棟，擺念宗

(中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司西北電力試驗研究院，陜西 西安 710021)

隨著生態(tài)環(huán)境的惡化和化石能源的日益枯竭，全球能源結(jié)構(gòu)正在發(fā)生重大變革，世界各國都在大力推進(jìn)能源的轉(zhuǎn)型[1-2]。全球能源轉(zhuǎn)型的基本趨勢是實現(xiàn)化石能源體系向低碳能源體系的轉(zhuǎn)變，最終進(jìn)入以可再生能源為主的可持續(xù)能源時代。面對國際能源格局和國內(nèi)能源結(jié)構(gòu)形勢，我國提出了能源革命發(fā)展戰(zhàn)略，大力推進(jìn)能源轉(zhuǎn)型。

在能源革命新形勢下，清潔能源的發(fā)展對于推進(jìn)能源革命極其重要。大力發(fā)展清潔能源，大幅增加生產(chǎn)供應(yīng)，是優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)綠色發(fā)展的必由之路。到2030年，我國非化石能源占能源消費(fèi)比重要達(dá)到20%，新增能源需求主要依靠清潔能源滿足。風(fēng)電作為最主要的清潔能源之一，需要結(jié)合大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、云計算等信息技術(shù)，創(chuàng)新發(fā)展模式，大力促進(jìn)我國能源革命，為構(gòu)建現(xiàn)代能源體系發(fā)揮重要作用。

1 風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，隨著風(fēng)電技術(shù)水平的不斷提高，世界各國風(fēng)電裝機(jī)容量迅速增長，圖1所示為近年來全球風(fēng)電的裝機(jī)容量。截止2017年底，全球風(fēng)電累計裝機(jī)容量已達(dá)539.1 GW。其中，中國、美國、德國裝機(jī)容量分別位居前三。雖然近年來新增裝機(jī)容量有所下降，但風(fēng)電行業(yè)依然處于高速發(fā)展階段。到2020年，預(yù)計全球累計風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)840 GW。

圖1 全球歷年風(fēng)電裝機(jī)容量

近年來我國風(fēng)電發(fā)展呈現(xiàn)高速發(fā)展趨勢，圖2所示為我國近年來的風(fēng)電裝機(jī)容量。截止2017年底，我國累計風(fēng)電裝機(jī)容量已達(dá)188.4 GW，占全球風(fēng)電總裝機(jī)容量的35%。受風(fēng)電開發(fā)資源減少、政府限制審批等因素影響，2017年風(fēng)電新增裝機(jī)19.66 GW，同比下降15.9%，但是新增容量仍然位居全球第一，占全球新增風(fēng)電容量的37%。

圖2 我國歷年風(fēng)電裝機(jī)容量

隨著風(fēng)電的迅速發(fā)展，我國風(fēng)電技術(shù)水平也不斷提升。風(fēng)機(jī)單機(jī)容量不斷增加，風(fēng)機(jī)機(jī)型種類多樣，低風(fēng)速風(fēng)機(jī)技術(shù)不斷進(jìn)步，風(fēng)機(jī)控制技術(shù)不斷提高，風(fēng)電場集控中心、大數(shù)據(jù)平臺、故障診斷技術(shù)等不斷應(yīng)用， 這些都大大促進(jìn)了我國風(fēng)電行業(yè)的健康發(fā)展，為我國清潔能源的發(fā)展提供了持續(xù)的動力。雖然取得了驕人的成績，但是我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)在發(fā)展過程中也暴露出一些問題，風(fēng)電開發(fā)模式粗放、風(fēng)電設(shè)備可靠性差、風(fēng)電場運(yùn)維管理水平差、風(fēng)電技術(shù)研發(fā)能力弱等，都給風(fēng)電行業(yè)的健康發(fā)展帶來諸多挑戰(zhàn)。

2 風(fēng)電發(fā)展中存在的問題

經(jīng)過20多年的發(fā)展，我國風(fēng)電行業(yè)已經(jīng)積累了相當(dāng)豐富的經(jīng)驗，但仍然存在很多問題。

1)開發(fā)模式粗放。由于國際形勢和國內(nèi)政策的支持，我國風(fēng)電近些年的開發(fā)模式都是以“大規(guī)模、集中式”為主。各個發(fā)電企業(yè)為了搶奪資源，風(fēng)電開發(fā)都采取了“大干快上”的方式。這種粗放的開發(fā)模式，表面上顯著增加了風(fēng)電裝機(jī)容量，但實際缺乏科學(xué)合理的規(guī)劃布局，導(dǎo)致風(fēng)電場后期運(yùn)維問題不斷、設(shè)備故障頻發(fā)，浪費(fèi)了良好的風(fēng)能資源。

2)風(fēng)資源勘查不科學(xué)。風(fēng)電場選址的最基本條件是要有能量密度高、風(fēng)向穩(wěn)定的風(fēng)能資源，具體風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)機(jī)的選址還應(yīng)根據(jù)風(fēng)資源評估參數(shù)、風(fēng)電場宏觀選址和微觀選址等考量。因此，風(fēng)電場選址對于風(fēng)電場的建設(shè)是至關(guān)重要的[3]。而我國風(fēng)電開發(fā)中，存在嚴(yán)重的風(fēng)資源勘察不科學(xué)、不準(zhǔn)確、盲目性等特點(diǎn)。具體問題包括測風(fēng)塔數(shù)量不足、測風(fēng)塔代表性不足、測風(fēng)數(shù)據(jù)不可靠、測風(fēng)塔維護(hù)不到位、測風(fēng)數(shù)據(jù)丟失、復(fù)雜地形勘查不到位、風(fēng)機(jī)選型不合理等。山西某風(fēng)電場由于微觀選址不合理，部分機(jī)位發(fā)電量差，最終選擇重新進(jìn)行風(fēng)機(jī)機(jī)位優(yōu)化。

3)風(fēng)電優(yōu)化設(shè)計水平參差不齊。由于風(fēng)電的大規(guī)模開發(fā)，風(fēng)電場設(shè)計需求急劇增加，傳統(tǒng)的大型設(shè)計院和一些小型設(shè)計機(jī)構(gòu)都涌入風(fēng)電行業(yè)。一方面，由于人員配置不足、任務(wù)繁重，設(shè)計院的設(shè)計水平難以提高，設(shè)計方案缺乏個性化；另一方面，一些設(shè)計院本身缺乏經(jīng)驗，設(shè)計水平有限。這導(dǎo)致風(fēng)電設(shè)計出現(xiàn)風(fēng)資源評估水平不高、風(fēng)機(jī)選型技術(shù)落后、選型和風(fēng)資源不匹配、部分微觀選址流于形式、山區(qū)丘陵風(fēng)電設(shè)計粗糙、風(fēng)電消納和送出工程缺乏研究等各類問題。國內(nèi)風(fēng)電項目呈現(xiàn)了許多問題案例，如風(fēng)資源評估結(jié)果與實際差別大、機(jī)位點(diǎn)布置在當(dāng)?shù)孛舾袇^(qū)或保護(hù)區(qū)、風(fēng)機(jī)選型頻繁變更機(jī)型等。

4)發(fā)電設(shè)備可靠性有待提高。近年來我國風(fēng)電裝備制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，但風(fēng)電設(shè)備可靠性技術(shù)水平仍有待提升。變槳系統(tǒng)故障、通訊系統(tǒng)故障、變頻器故障、液壓系統(tǒng)故障、大部件損壞、傳動鏈?zhǔn)У龋紘?yán)重影響風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)行和發(fā)電水平。通過對一些風(fēng)電企業(yè)安全生產(chǎn)情況的排查，發(fā)現(xiàn)新能源企業(yè)存在較高的現(xiàn)場風(fēng)險，包括湍流影響、基礎(chǔ)質(zhì)量隱患、安全鏈隱患、主控系統(tǒng)、覆冰、化學(xué)腐蝕、風(fēng)機(jī)消防隱患、齒輪箱質(zhì)量及潤滑隱患、發(fā)電能力低等問題，具體統(tǒng)計如圖3所示。

圖3 風(fēng)電設(shè)備嚴(yán)重問題數(shù)量統(tǒng)計

5)風(fēng)電核心技術(shù)水平薄弱。經(jīng)過多年的探索和發(fā)展，我國基本掌握了大容量風(fēng)電機(jī)組的制造技術(shù)，風(fēng)機(jī)葉片、齒輪箱、發(fā)電機(jī)等部件均已實現(xiàn)國產(chǎn)化，同時具備一定的自主研發(fā)能力。但是，在風(fēng)機(jī)核心技術(shù)方面，如風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)、葉片翼型設(shè)計等仍然依賴國外生產(chǎn)廠家，基礎(chǔ)研發(fā)能力依然薄弱。目前，風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)PLC主要采用的Bachmann、ABB、Mita、Beckhoff、SSB、DEIF均為為國外生產(chǎn)廠家，風(fēng)機(jī)葉片也主要依賴國外的翼型設(shè)計，整機(jī)設(shè)計、關(guān)鍵零部件設(shè)計等仍是風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最大瓶頸。

另外，風(fēng)電開發(fā)企業(yè)和設(shè)備制造企業(yè)之間也存在技術(shù)壁壘。整機(jī)制造企業(yè)普遍存在對業(yè)主的技術(shù)封鎖，通信協(xié)議、控制權(quán)限、后臺數(shù)據(jù)等均未對業(yè)主開放。因此，業(yè)主很難利用運(yùn)行數(shù)據(jù)對風(fēng)機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化改造。同時，對于整機(jī)制造商而言，也難以輕易獲得風(fēng)機(jī)的相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)，從而對風(fēng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

6)風(fēng)電場信息化市場混亂。隨著大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、云計算等信息技術(shù)的發(fā)展，信息化也成為風(fēng)電行業(yè)的研究熱點(diǎn)。集控中心、生產(chǎn)管理平臺、遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)等，均成為各個企業(yè)爭相開展的業(yè)務(wù)亮點(diǎn)。然而，由于缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和架構(gòu)體系，風(fēng)電信息化市場目前處于魚龍混雜的狀態(tài)。目前，各個發(fā)電企業(yè)都開發(fā)了信息化平臺，但普遍缺少頂層設(shè)計。很多集控中心缺少統(tǒng)一的體系架構(gòu)，集團(tuán)級集控、區(qū)域集控、省級集控由于供應(yīng)廠商不同，平臺架構(gòu)和功能劃分等均不一樣，難以實現(xiàn)互聯(lián)互通。目前，大多數(shù)風(fēng)電場集控中心主要用于數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測，一定程度減少了現(xiàn)場運(yùn)行人員的數(shù)量，實現(xiàn)了“少人值守”的目標(biāo)。但這離真正實現(xiàn)風(fēng)電場的智能化和“無人值守”目標(biāo)還有很大的差距。

7)風(fēng)電場運(yùn)維管理水平落后。相比于火電廠的標(biāo)準(zhǔn)化管理模式，目前國內(nèi)風(fēng)電場的運(yùn)維管理水平普遍較低。除了運(yùn)維人員少、檢修消缺任務(wù)重等原因，工程遺留問題多、技術(shù)資料缺乏、人員技術(shù)水平有限、故障處理不當(dāng)、定期工作不到位等，都會導(dǎo)致現(xiàn)場運(yùn)維管理水平降低。

8)風(fēng)電后服務(wù)水平差。隨著出質(zhì)保期的風(fēng)電場越來越多，風(fēng)電場的后服務(wù)是未來風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的一個巨大市場。目前，多數(shù)風(fēng)電場采取“質(zhì)保期廠家運(yùn)維，質(zhì)保后外委運(yùn)維”的模式。部分風(fēng)機(jī)廠家由于熟練運(yùn)維人員缺乏，因此縮短新進(jìn)人員培訓(xùn)周期，導(dǎo)致現(xiàn)場風(fēng)機(jī)維護(hù)水平下降。有的風(fēng)機(jī)廠家將運(yùn)維工作外委給第三方運(yùn)維公司，但由于缺乏對機(jī)型的掌握程度，運(yùn)維水平也有待提高。目前也有部分發(fā)電企業(yè)培養(yǎng)自己的運(yùn)維檢修人員，以便自己維護(hù)設(shè)備提高發(fā)電水平。

9)風(fēng)電棄風(fēng)限電問題依然存在。一直以來，棄風(fēng)限電都是制約我國風(fēng)電行業(yè)健康發(fā)展的一大難題。圖4所示為2017年和2018年全國風(fēng)電限電地區(qū)的棄風(fēng)率[4-5]。2017年全國平均棄風(fēng)率12%，2018年全國平均棄風(fēng)率7%，棄風(fēng)率同比下降5%。整體限電率出現(xiàn)顯著下降，但是新疆(29%，22.9%)、甘肅(33%，19%)、內(nèi)蒙古(15%，10.3%)的限電情況依然嚴(yán)峻。同時，原來無棄風(fēng)的貴州和山東，2018年也出現(xiàn)了不同程度的棄風(fēng)限電情況。

圖4 全國風(fēng)電限電地區(qū)棄風(fēng)率

3 風(fēng)電未來發(fā)展模式

隨著能源革命的深入開展，新能源將成為能源革命的主戰(zhàn)場，風(fēng)電也將擔(dān)當(dāng)重要角色。面對發(fā)展中存在的諸多問題，風(fēng)電必須創(chuàng)新發(fā)展理念，積極應(yīng)對未來“新”電力系統(tǒng)挑戰(zhàn)[6]。

1)風(fēng)電開發(fā)“精細(xì)化”。隨著風(fēng)能資源和土地資源的日益稀缺，分布式風(fēng)電得到迅速發(fā)展，風(fēng)電開發(fā)模式逐漸轉(zhuǎn)向“精細(xì)化”。風(fēng)電前期精細(xì)化，保證有足夠數(shù)量的測風(fēng)塔和有效的測風(fēng)數(shù)據(jù)，充分論證風(fēng)資源水平，細(xì)化微觀選址和風(fēng)機(jī)選型，充分比對不同機(jī)型優(yōu)劣，選擇最優(yōu)機(jī)型和機(jī)位點(diǎn)；建設(shè)施工精細(xì)化，嚴(yán)格管控工程質(zhì)量，杜絕遺留問題；風(fēng)電場運(yùn)維精細(xì)化，充分借助大數(shù)據(jù)、人工智能等信息化手段，準(zhǔn)確掌握設(shè)備狀態(tài)，制定措施，提高發(fā)電水平。目前，已有企業(yè)對在役風(fēng)電場進(jìn)行二次開發(fā)，精細(xì)化設(shè)計，加密風(fēng)機(jī)排布。

2)風(fēng)電開發(fā)“分散化”。能源的分散化和就地消納，是能源發(fā)展長期的主題[7]。2017年6月，國家能源局發(fā)布《關(guān)于加快推進(jìn)分散式接入風(fēng)電項目建設(shè)有關(guān)要求的通知》，要求加快推動分散式風(fēng)電開發(fā)，風(fēng)電開發(fā)布局快速向中東部和南部轉(zhuǎn)移。近幾年，大葉片、高塔筒技術(shù)不斷提升，針對未來低風(fēng)速領(lǐng)域的巨大市場，設(shè)備廠家紛紛推出新的機(jī)型，滿足低風(fēng)速區(qū)風(fēng)電場的需求。隨著低風(fēng)速風(fēng)機(jī)技術(shù)不斷取得進(jìn)步，分散化、低風(fēng)速將逐漸成為陸上風(fēng)電發(fā)展的趨勢。

3)風(fēng)電開發(fā)“海洋化”。我國海上風(fēng)能資源豐富，具有巨大的開發(fā)前景。海上風(fēng)電項目一般分為灘涂、近海以及深海風(fēng)電場。目前我國海上風(fēng)電實質(zhì)開發(fā)的區(qū)域仍主要集中在灘涂及近海風(fēng)電區(qū)域[8]。與陸上風(fēng)電不同，海上風(fēng)電緊鄰電力負(fù)荷中心，消納前景非常廣闊。經(jīng)過多年的穩(wěn)步發(fā)展，我國海上風(fēng)電目前已進(jìn)入大規(guī)模開發(fā)階段。截至2018年11月底，我國海上風(fēng)電累計裝機(jī)已達(dá)360萬kW，核準(zhǔn)容量超過1 700萬kW，在建約600萬kW[9]，海上風(fēng)電發(fā)展十分迅速。

目前，海上風(fēng)電還存在一系列問題[9-10]，風(fēng)資源評價基礎(chǔ)工作較弱、建設(shè)成本高、建設(shè)周期長、施工難度大、運(yùn)維困難、標(biāo)準(zhǔn)體系不完善等。海上風(fēng)電未來發(fā)展中，需要吸取陸上風(fēng)電的經(jīng)驗教訓(xùn)，因地制宜，合理有序開發(fā)；同時，針對目前存在的問題，加快海上風(fēng)電成本下降，研究風(fēng)電機(jī)組大型化技術(shù)，推進(jìn)近海規(guī)?；蜕钸h(yuǎn)海示范化發(fā)展[9]，實現(xiàn)海上風(fēng)電的健康持續(xù)發(fā)展。

4)風(fēng)電核心技術(shù)“國產(chǎn)化”。目前，風(fēng)電設(shè)備一些核心技術(shù)和部件仍然依靠進(jìn)口，如風(fēng)電控制系統(tǒng)PLC、風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計、潤滑油脂等。大力開展技術(shù)研發(fā)，推進(jìn)核心技術(shù)國產(chǎn)化，才能激發(fā)技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品創(chuàng)新。而作為風(fēng)電開發(fā)企業(yè)，也應(yīng)當(dāng)努力掌握風(fēng)電設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)，為風(fēng)電場的運(yùn)行維護(hù)、技術(shù)改造、提質(zhì)增效提供有力支撐。

5)風(fēng)電場“智能化”。智能化是能源發(fā)展未來的趨勢。風(fēng)電場智能化，就是要推動風(fēng)電與控制技術(shù)、信息技術(shù)、通信技術(shù)等的深度融合，實現(xiàn)風(fēng)電的智能化開發(fā)、智能化運(yùn)維、智能化監(jiān)控以及智能化管理。2018-06-08日，工信部發(fā)布了《工業(yè)和信息化部辦公廳關(guān)于組織開展2018年制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展試點(diǎn)示范工作的通知》，明確鼓勵新能源設(shè)備上云，開展設(shè)備建模、功率預(yù)測、調(diào)度優(yōu)化等服務(wù)，提高發(fā)電效率、降低運(yùn)維成本，提高并網(wǎng)效率。

智能化風(fēng)電場可以運(yùn)用大數(shù)據(jù)和云平臺，對風(fēng)電場進(jìn)行微觀選址、優(yōu)化設(shè)計、故障診斷、資產(chǎn)管理、運(yùn)維管理；同時，通過建立統(tǒng)一的管控平臺，以風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)和云計算等技術(shù)，能夠完成對區(qū)域內(nèi)風(fēng)電場的遠(yuǎn)程控制，實現(xiàn)風(fēng)電場“無人值班、少人值守、集中監(jiān)控、智能運(yùn)行”的目標(biāo)。隨著產(chǎn)業(yè)體系的不斷完善和技術(shù)水平的不斷提高，智能化將成為未來風(fēng)電發(fā)展的主要方向。

6)能源“綜合化”。綜合能源系統(tǒng)，就是整合不同形式的能源資源，滿足多元化需求，實現(xiàn)能源的高效利用。構(gòu)建綜合能源系統(tǒng)，能夠大大提高可再生能源的開發(fā)利用，同時提升傳統(tǒng)一次能源利用效率。綜合能源系統(tǒng)可以突破開發(fā)模式，按照用戶按照用戶需求、自身能力、區(qū)域特性，因地制宜，實現(xiàn)“模塊化選擇，個性化構(gòu)建”。

綜合能源系統(tǒng)的本質(zhì)是多能互補(bǔ)。風(fēng)電作為未來重要的能源供給形式，需要積極探索能源綜合化利用模式，研究與其他形式能源的協(xié)調(diào)優(yōu)化技術(shù)，努力構(gòu)建高效的綜合能源系統(tǒng)。

7)電力系統(tǒng)“綠色化”。未來電力系統(tǒng)將由傳統(tǒng)的化石能源為主轉(zhuǎn)變?yōu)榭稍偕茉礊橹鳎罱K構(gòu)建成一個低碳的新電力系統(tǒng)。但由于風(fēng)電、光伏等可再生能源的不確定性，電力系統(tǒng)將面臨巨大的挑戰(zhàn)[6]。新能源消納能力不足，電網(wǎng)轉(zhuǎn)動慣量減小、調(diào)頻能力下降，動態(tài)無功支撐能力不足，系統(tǒng)穩(wěn)定問題，這些都給電網(wǎng)帶來巨大的難題。但隨著控制技術(shù)、信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能電網(wǎng)、智慧電廠、分布式能源、綜合能源等技術(shù)水平的深入研究，電力系統(tǒng)也將不斷發(fā)展、不斷進(jìn)步，為用戶提供更加優(yōu)質(zhì)、更加清潔的能源。風(fēng)電作為未來電力系統(tǒng)的重要組成部分，需要不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新、模式創(chuàng)新，為構(gòu)建安全、穩(wěn)定、可靠、高效的綠色電力系統(tǒng)貢獻(xiàn)力量。

4 結(jié) 語

新能源作為我國能源革命的主戰(zhàn)場，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，將扮演越來越重要的角色。我國風(fēng)電已進(jìn)入了平穩(wěn)發(fā)展期，主旋律由規(guī)模發(fā)展向質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)變，為推進(jìn)風(fēng)電發(fā)展，必須創(chuàng)新風(fēng)電發(fā)展模式，積極開展關(guān)鍵技術(shù)研究，使風(fēng)電朝著精細(xì)化、智能化、綜合化方向發(fā)展。