双碳目标下风电设备及技术发展趋势——中国风电设备的进化和演绎

随着国家“碳达峰·碳中和”目标的确立，为我国风电在内的可再生能源带来的新的挑战和广阔发展前景，预计至2030年，我国风电、光伏装机容量将达12亿千瓦，与此同时，风电设备与技术的发展也将面临新的挑战和机遇。

本文从中国风电历史和现状、中国风电设备的进化和演绎、碳中和形势下风电设备创新方向、风电电气系统创新技术等4个方面，全面分析双碳目标下风电设备及技术发展趋势。

中国风电设备的进化和演绎

从零开始蹒跚起步。20世纪70~90年代，中国风电机组自主研制和生产能力几乎是空白，主要是在政府支助下从国外引进成熟型号，容量以55~600kW为主，引进型号主要包括：Vestas V15-55/11机型（55kW）、Bonus 150/30、Bonus 450、TACK 600、Jacobs 48/600，大部分均为定桨失速型控制机组。

国产并网型机组从无到有。1996年，科技部实施“乘风计划”，设立“九五”期间专项大型机组国产化技术攻关专题，通过消化进口机组技术并对核心部件进行国产化，陆续实现了600kW及750kW机组的国产化生产能力，并实现部分核心部件的自主设计和自主开发。

兆瓦级机组全面国产化。2005年，《中国可再生能源法》颁布，行业逐渐进入发展快车道。风电设备国产化率以及技术水平不断提升，主力机型逐步由kW级定桨定速机型升级为MW级变桨变速机型。同时，头部企业逐步掌握整机设计能力，单机容量不断提升。2010~2020年，平均单机容量从1.5MW提升2.6+MW；其中，2014年1.5~2MW机组装机占比持平，2017年时2MW以下机组占比已不足10%。

机组大型化支撑LCOE下降。随着行业发展和去补贴化，需要风电行业具有足够竞争力的LCOE水平，为此国内外主机厂主力产品随着时间推移逐步大型化，LCOE水平随之降低；2020-2022年国内市场陆上机组叶轮直径从16X上升到19X，机组容量从4MW级别上升到6MW级别，并已经出现7-10MW级别机组；国内海上机组最大已经达到叶轮直径250+米、容量13-15MW；国际机型陆上机组达到17X-6X水平。

大型化趋势-大叶轮。随着中国风能资源开发和利用范围不断扩大，东南区域及沙漠、戈壁以及荒滩等地区资源开发成为重要趋势，机组的技术发展趋势也顺应该需求逐步呈现大叶轮和高塔架趋势。就叶轮直径而言，2008年均值70米，2013年提升至约90米级别，2022年已达到200米级别，相应的单位千瓦扫风面积也提升至4.5m2/kW及以上，以足够高的满发小时数确保合理的度电成本。

大趋势-高塔架。随着中国风能资源开发和利用范围不断扩大，中国东南部区域的低风速资源开发成为重要趋势，机组的技术发展趋势也顺应该需求逐步呈现大叶轮和高塔架趋势。就塔架高度而言，自2013年业内开始尝试钢混塔结构以来，高柔钢塔及混塔技术不断推高塔基高度，国内塔架的标杆高度从2015年120米（钢柔塔）提升至2021年166米（钢混塔）。

智能化及并网友好。2014年之后，风电行业进入稳步增长阶段，中国风资源开发的版图不断扩大，风电场兴建时气候及地形特征愈发复杂多样，使得机组安全运行的挑战日益提升；为此，行业内厂家纷纷推出各种智能感知及控制技术，监控机组状态，预防极端事件。对标汽车行业的自动化等级，国内头部企业机组智能化水平已进入2.0时代并正在迈向3.0时代。