1、中国风电中国风电大型化发展趋势及技术挑战大型化发展趋势及技术挑战诚 信进 取创 新协 同CONTENTS目目 录录机组大型化趋势概述01挑战及展望03机组大型化技术应用02机组大型化趋势概述01风轮直径和轮毂高度程逐年上升趋势。截至目前，根据已下线/吊装机组统计：陆上风轮直径已经达到230230米，海上风轮直径已经达到260260米；轮毂高度已达到185185米。来源：CWEA04596499901
2、5200022海上最大陆上最大平均-2022年新增装机风轮直径变化趋势年新增装机风轮直径变化趋势-2022年全国新增风电机组轮毂高度趋势年全国新增风电机组轮毂高度趋势单位：m7982859071621662015年2016年2017年2018年2019年2020年2021年平均最大2022年170109风轮直径与轮毂高度风轮直径与轮毂高度机组容量机组容量来源来源:CWEA5595 2430 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 1
3、9994702000420052006200720082009200000222023单位：单位：kWkW新增累计中国历年新增和累计装机风电机组平均单机容量中国历年新增和累计装机风电机组平均单机容量3MW0.6%3.03.9MW3.2%4.04.9MW14.0%5.05.9MW29.9%6.06.9MW38.0%7.07.9MW5.5%8.09.0MW4.5%10MW4.2%20232023年中国不同单机容量风电机组新增
4、装机容量占比年中国不同单机容量风电机组新增装机容量占比 2015 年之前，海上机组平均单机容量每 10 年翻一番。2015 年后，风力发电机组单机容量的增长速度加快，容量翻番所需的时间缩短至约每 8.5 年。中国海上风力机组从 6 MW（2011 年）增加到 12 MW（到 2023 年）用了 12 年时间，而从 12 MW增加到 18 MW（预计到 2024 年）仅用了 1 年时间。中国海上风电机组直径及容量发展趋势海上风力机组的开发正在加快海上风力机组的开发正在加快备注:时间以安装时间为准.全球海上风电增长速度来源来源:CWEA2024年和年和2025年装机容量预测年装机容量预测20242
5、024年预测：陆上年预测：陆上60-70 GW,60-70 GW,海上海上12-15 GW,12-15 GW,总计总计75-85 GW;75-85 GW;20252025年预测：陆上年预测：陆上 70 GW onshore,70 GW onshore,海上海上 20 GW,20 GW,总计总计90 GW.90 GW.新增装机（新增装机（GWGW）202320232024202420252025陆上陆上6060 -70706060 -7070 7070海上海上8 8 -10101212 -1515 2020总计总计7070 -808075-75-8585 9090来源来源:CWEA机组大型化与规
6、模增长仍是风电降本的主要途径机组大型化与规模增长仍是风电降本的主要途径00设备大型化批量化规模设备效率其他 设备大型化贡献设备大型化贡献 减少基础及配套设备 减少土地成本 减少制造、运输和吊装成本 减少运维量 规模化贡献规模化贡献 工艺成熟度与效率提高 质量管理体系完善，良品率提升 原料采购成本降低 设备效率贡献设备效率贡献 性能提升 可靠性提高 其他（非装备因素）其他（非装备因素）土地、融资、人员、物流.，单价可能增长，主要贡献仍和批量化相关国外某投资机构对于成本降低因素贡献度的估计国外某投资机构对于成本降低因素贡献度的估计成本降低预测成本降低预测LCOE（元（元/kW
7、h）202220252030“三北三北”地区地区0.150.200.120.150.110.13中部和东南部地区中部和东南部地区0.240.280.210.230.180.19海上海上0.310.340.270.300.230.27来源来源:CWEA“三北”地区中部和东南部地区海上机组大型化技术应用02创新背景创新背景-叶片大型化发展趋势叶片大型化发展趋势明阳智能18.X-20MW-143m海上最长叶片三一重能15MW-131m，陆上最长叶片机组大型化技术发展机组大型化技术发展-叶片材料叶片材料鉴衡认证高性能PVC高性能PET泡沫由于泡沫具有密度低、化学性质稳定，人们逐步使用高性能泡沫材料替代
8、Balsa轻木，以解决大型化叶片重量控制难、成本高等问题。PVC硬质泡沫-综合力学性能优异，多用于壳体 PET泡沫-成本低廉，多用于腹板碳纤维具有高硬度、高强度、重量轻、高耐化学性的特性，是新一代增强纤维，因此高模量碳纤维势必成为大型风电叶片用材料发展趋势。多用于壳体、腹板多用于壳体、腹板多用于海上机组主梁多用于海上机组主梁机组大型化技术发展机组大型化技术发展-叶片制造工艺叶片制造工艺鉴衡认证 叶根预制工艺叶根预制工艺叶根是叶片布层最多的区域，灌注工艺复杂、控制难度大且灌注时间长。叶根预制工艺是将叶根的玻纤层单独进行灌注并固化成型的方式，可以有效提高成型速度和成型质量，简化叶片灌注系统的设计难
9、度。拉挤主梁成型工艺拉挤主梁成型工艺拉挤主梁成型工艺是先拉挤成一定长度的拉挤板（常用截面尺寸为120毫米5毫米），之后在生产过程中将一根根的拉挤板拼在一起，中间铺一定规格的玻纤布层，再把它们捆在一起放进叶片里面，和叶片一起进行灌注成型的技术方法。拉挤工艺保证了产品的高容错率，使得主梁的结构更强。叶根预制工艺拉挤主梁成型工艺运输安装敷缆运输安装敷缆鉴衡认证运输运输运输运输大幅度提升的运输安装能力，为风电大规模大幅度提升的运输安装能力，为风电大规模发展保驾护航发展保驾护航大型海缆船坐底式风电安装船起重船（浮吊船）自升式风电安装船自升自航式风电安装船海缆铺设船核心大部件研制优化核心大部件研制优化 我
10、国的工业基础及研发能力可支撑齿轮箱、发电机进一步大型化的研制 足够规模化体量的市场可以引导 需要企业投入足够多的研究性试验验证零部件零部件中国制造全球占比中国制造全球占比发电机65%叶片60%齿轮箱64%变流器68%主控系统59%变桨系统59%铸件77%塔筒86%主轴78%轴承77%发电机、轮毂、机架等铸锻件，以及叶片、齿轮箱、轴承等关键零部件的产量占到全球市场的60%-70%以上。传动形式的优化有效解决齿轮箱和发电机的制约问题传动形式的优化有效解决齿轮箱和发电机的制约问题中速永磁技术避免使用传统高速齿轮箱，既降低了故障率，和维护成本。序号序号厂商厂商传统技术传统技术最新技术最新技术陆上机组陆
11、上机组海上机组海上机组1VESTAS增速双馈高速永磁中速永磁2GE WIND增速双馈高速双馈直驱永磁3GAMESA增速双馈中速永磁中速永磁4ENERCON直驱电励磁直驱电励磁直驱电励磁双馈,53.5%直驱,21.1%中速永磁,25.4%叶轮直径：150m至200m双馈,27.8%直驱,11.1%中速永磁,61.1%叶轮直径：200m以上部分国外厂商技术路线统计部分国外厂商技术路线统计中速永磁技术已经成为继高速双馈技术、直驱永磁技术后的第三种主流技术，并且受到越来越多的国内外整机厂商的关注。国内厂商认证统计国内厂商认证统计变桨系统变桨系统对比要素对比要素电变桨电变桨液压变桨液压变桨优势 供应链成
12、熟 成本较低 体积小重量轻 变桨响应好劣势 响应相对慢 重量较高-增加整机成本 长期齿轮磨损风险 有漏油风险 国际供应商存在一定垄断导致性价比低应用 国内整机厂 国际整机厂 国际整机厂大型化趋势下，随着液压变桨国产化进程，国内市场存在较大潜力！大型化趋势下，随着液压变桨国产化进程，国内市场存在较大潜力！塔架形式呈现多样化态势塔架形式呈现多样化态势机组大型化带来了塔顶气动推力和俯仰弯矩的增加，塔架增高导致了塔底力臂的增加。两者叠加起来使塔底的弯矩载荷大幅度增加。传统的全钢塔架由于成本高已不具优势。为了保证抗弯能力，同时把控制造、运输和运维成本，多种类型的塔架形式相继应用。高柔塔架1）经济性好2）
13、控制技术复杂3）损失发电量钢混塔架1）整体结构刚度大、稳定性好2）制造、安装工艺复杂3）现场施工周期较长4）需额外租赁场地分片式塔架1）方便运输2）制造困难3）现场安装成本高4）螺栓运维难度高桁架式塔架1）制造简单、成本低2）运输方便3）安装、运维成本高4）电缆、助爬设备等外露于大气外，运行环境差大型化机组趋势机组大型化技术发展机组大型化技术发展偏航轴承偏航轴承目前风电轴承以滚动轴承为主，但在工业领域，滑动轴承对高负载具有优势。目前，偏航轴承的滑动技术路线已目前风电轴承以滚动轴承为主，但在工业领域，滑动轴承对高负载具有优势。目前，偏航轴承的滑动技术路线已实现国产化应用，而变桨轴承和主轴承暂未突
14、破技术封锁，价格较高，暂无应用。实现国产化应用，而变桨轴承和主轴承暂未突破技术封锁，价格较高，暂无应用。鉴衡认证 偏航轴承：偏航轴承：主流风电机组的偏航轴承有滚动型和滑动型两种结构类型，目前大型机组大多采用滑动偏航轴承。偏航滑动轴承的优劣势：滑动轴承可适应高负载的工况特点改善整体结构，省去刹车盘与刹车钳及液压装置，避免液压泄露滑动轴承成本低、制造安装简单需要较大的驱动力矩，对电机要求较高需定期检查更换滑动垫片近两年5MW及以上机组，滑动偏航明显占主导 变桨轴承：变桨轴承：独立变桨技术的推动，使轴承类型由传统的双排球轴承逐渐转为三排圆柱滚子轴承。两款轴承均已实现国产化。三排圆柱滚子轴承优劣势：制
15、造、装配要求较高，成本较高强度较高，能够承受较大的轴向力、径向力、倾覆力矩双排球轴承三排圆柱滚子轴承机组大型化技术发展机组大型化技术发展变桨轴承变桨轴承双排球轴承优劣势：制造、装配要求较低，成本较低强度较低鉴衡认证国内8MW及以上机组，三排柱明显占主导机组大型化技术发展机组大型化技术发展主轴轴承主轴轴承 主轴轴承：主轴轴承：轴承技术壁垒较高，大兆瓦进口替代进程加速，双-单列圆锥轴承（双TRB）应用成为主流两点式支承两点式支承三点式支承三点式支承单点式支承单点式支承轴承轴承:双列调心滚子轴承（SRB）+圆柱滚子轴承（位于齿轮箱内部）特点特点:制造难度小，可承受较大内外圈偏转角，（滚道滚子之间）游
16、隙较大，双列磨损不均匀应用：应用：强度有限，仅在小兆瓦风机上轴承轴承:双-单列圆锥滚子轴承（TRB）特点特点:传动链更坚固更稳定，齿轮箱仅承受扭转力矩即可。成本介于SRB和DTRB之间应用：应用：广泛应用于大、中兆瓦机型轴承轴承:双列圆锥滚子轴承（DTRB）特点特点:承受较大载荷进一步缩短传动链，但轴承尺寸大、成本高应用：应用：应用于紧凑型传动链设计机组，现应用较少。鉴衡认证1 11 11 12 23 32 25MW5MW以下以下5MW5MW以上以上较少应用较少应用机组大型化技术发展机组大型化技术发展材料升级材料升级具备高强度、高韧性的特点，有效控制部件重量能够提升同尺寸厚度的部件性能，实现降
17、本但存在低温脆性、抗疲劳断裂的性能较差的问题铸造方法和工艺上需提升，提升部件的可靠性QT500QT500球墨铸铁材料、球墨铸铁材料、Q420 Q420高强钢是风电机组大型化设计的一个重要应用方向高强钢是风电机组大型化设计的一个重要应用方向 QT500QT500球墨铸铁材料球墨铸铁材料 应用：主轴、主机架、底座、轮毂等应用：主轴、主机架、底座、轮毂等 材料的发展历程为：锻造（34CrNiMo6、42CrMo）-铸造（QT400-500）Q420Q420高强钢高强钢高强度低合金良好的机械性能、抗疲劳性能和抗腐蚀性能保证部件性能要求同时，更轻量化、降本空间大存在轧制温度低、生产节奏慢、焊接难度、性能
18、合格率低大等问题 应用：高强法兰、塔筒（尤其门洞附近）应用：高强法兰、塔筒（尤其门洞附近）*由原Q345，Q355，逐步切换到Q420激光雷达前馈技术原理：原理：提前获取风速，并输入给辅助控制系统。优势：优势：极限载荷：特殊工况关键位置可降低10-15%，疲劳载荷：叶根、塔底My可降低5%10%风险：风险：偏航误差过大，气溶胶密度稀疏会导致失效。应用场景：应用场景：降低载荷，监测风况。独立变桨控制技术原理：原理：利用载荷测量装置获取风轮不平衡受载，超过限值后依据受载水平调节变桨需求。优势：优势：疲劳载荷：轮毂My及Mz、叶根My降低约10%-20%。风险：风险：频繁变桨导致变桨电机驱动力、温升
19、轴承强度受载变大。应用场景：应用场景：解决因湍流、剪切导致的风轮不均衡受载。塔架净空监控技术原理：原理：通过激光雷达获取净空信息，净空小于限值时，通过变桨或停机调整净空。优势：优势：提升净空幅值。风险：风险：易受雾雪影响导致失效。应用场景：应用场景：降低扫塔风险。场级尾流控制技术原理：原理：通过控制最优偏航角度降低风场风速损失，改善风场整体发电性能。优势：优势：发电性能提升约2%-3%。风险：应用较少，实测效果案例少应用场景：应用场景：降低尾流对风场整体发电量的影响。机组大型化技术发展机组大型化技术发展-控制角度控制角度风电机组并网性能提升风电机组并网性能提升随着我国新能源(风电、光伏)发电的
20、装机占比、区域穿透率的不断提升，以及电网接入、传输结构的发展，新能源机组的技术要求及角色定位在不断发展。发展初期应用拓展区域高占比主导型电源谐波等电能质量合格有功/无功调节低电压穿越电网适应性(V/f偏差/变化/谐波/不平衡)频率/电压主动支撑高电压穿越电力电子化电力系统下的系统稳定新框架及责任高级电网适应及支撑:(次/超同步谐振，弱电网)电网质量合格电网适应性强主动支撑电网系统性稳定源机组电流THD场站电流THD有功/无功变化率，闪变高频谐振抑制电压偏差频率偏差闪变偏差谐波适应性次同步谐振抑制LVRT/HVRT调压调频惯量电能质量电网适应性电网支撑性三相不平衡阻抗/弱电网HVDC输电适应机组
21、场站大电网输电系统NOW03大型化机组挑战与展望机组大型化在装备技术上的主要挑战机组大型化在装备技术上的主要挑战2长叶片长叶片低成本的新材料进一步的气弹理论模型高阶振动机理与测试研究 3大轴承与传动链优化大轴承与传动链优化中速半直驱与中速双馈等传动形式探索加强传动链动力学经验积累 4并网及输电升级并网及输电升级应对运输吊装难题的解决方案1整机设计整机设计验证及场验证及场址适应性址适应性5 5深远海解决方案深远海解决方案高质量发展从设计中来高质量发展从设计中来“机组设计问题机组设计问题”关键是验证关键是验证 大型化进程已进入“无人区”，新技术的应用需要谨慎的验证 应建立从原材料、零部件、子系统、
22、整机到场网的全链条、全流程的全面风电测试验证体系国内仅有的完全符合国内仅有的完全符合IECIEC的风电机组测试的风电机组测试风电场风电场张北牡丹试验风电场张北牡丹试验风电场全球最大的叶片测试实验室全球最大的叶片测试实验室阳江国家海上阳江国家海上风电装备质量检验中心风电装备质量检验中心阳江化学实验室阳江化学实验室盐城大丰在建的自主设计的叶片雨蚀实验室盐城大丰在建的自主设计的叶片雨蚀实验室将将为全球最大的风电机组电气及动力学六为全球最大的风电机组电气及动力学六自由度实验平台自由度实验平台在建的汕头在建的汕头40MW40MW级级传动系统地面测试实验室传动系统地面测试实验室场址适配性不完善的问题场址适
23、配性不完善的问题“急于求成急于求成”的苦果的苦果场址适配性问题”的比较集中，主要体现在以下三处：1）实际采用的机组与机组设计过多的不一致，却未得到有效验证，如：塔架（高度一样、重量差异）、叶片（长度一样，翼型不一致）；2）项目以合规的结果为要求，安全系数选取将门槛值变成了最高边界值，降低了机组安全的容错率；3）在风资源数据不充分、代表性不足的情况下，进行复杂地形的机组安全性复核。01234567Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec风速（m/s）月份测测风数据不足风数据不足测风测风塔代表性不够塔代表性不够认证机组认证机组场址机组场址机组叶
24、片主体结构新材料的进步叶片主体结构新材料的进步 现有玻璃纤维树脂结构已经接近出力极限 预计碳纤维等新型材料的占比提高（大丝束碳纤维可实现叶片减重30%，可使叶片突破150m）尚需探索的问题：工艺磨合尚不成熟，需要大量试验验证 材料成本较高（当前135-145元/kg，按预计2025年渗透率达到80%，期望价格为68元/kg)其他芯材新材料也在探索中预测的碳纤维与玻璃纤维叶片占比预测的碳纤维与玻璃纤维叶片占比（来源：麦肯锡）（来源：麦肯锡）叶片测试验证体系待完善叶片测试验证体系待完善叶片弯扭测试-考虑弯扭综合考虑叶片的安全 叶片截面属性测试-测定截面属性，对标建模叶根螺栓套测试-验证部件的安全性
25、叶尖测试-补充标准测试空缺叶片气弹理论需加强叶片气弹理论需加强 以一阶振型为主（亦存在少量二阶、甚至三阶振型振动案例），呈现大幅晃动现象；叶片失稳风险与风轮直径、环境条件及机组状态相关，且叶片越长，发生概率越高；根据标准要求进行设计的风机仍然可能出现叶片失稳情况。叶尖转速进一步突破叶尖转速进一步突破 叶尖转速限制的突破叶尖转速限制的突破 随着机组进一步加大，叶尖速度进入到较高数值值 陆上100m/s 海上105m/s 叶尖速比的突破，对气动性能和结构承载的影响需要理论和实测研究推动 叶尖前缘保护、图层抗雨蚀面临挑战大轴承与传动链研制优化大轴承与传动链研制优化丹麦丹麦LORCLORC海上可再生能
26、源中心海上可再生能源中心25MW25MW传动系统测试平台传动系统测试平台美国美国ClemsonClemson大学大学15MW15MW传动链测试传动链测试平台平台(设计图设计图)国外为支撑大型机组的研发和批量化成型，投入和拟投入的重大基础研究性传动链测试资源汕头汕头6 6自由度地面试验台自由度地面试验台扭转加载扭转加载其余其余5 5自由度加载自由度加载40MW HALT40MW HALT（Highly Accelerated Lifetime TestHighly Accelerated Lifetime Test）效果图效果图 投产时间：投产时间：2026年投产 机组范围：机组范围：可用于输入
27、功率40MW机组测试验证 测试项目：测试项目：机舱整体及局部刚度、结构应力、振动模态与阻尼、疲劳寿命、电能质量、电网适应性、故障穿越能力 目的意义：目的意义：避免大型机组测试风险、精准的测试验证、可替代部分型式试验和涉网测试，缓解测试资源紧张高比例新能源系统存在高效消纳、安全运行两个挑战高比例新能源系统存在高效消纳、安全运行两个挑战根据预测，2030年全国新能源总发电量占比将达20%，2050年高达48%。不远的将来，高比例新能源电量的电力系统将从局部地区逐渐向全国扩展。高比例新能源系统有着两大技术挑战:高效消纳（新能源发电受天气变化影响，具有随机性、波动性，发电出力弱可控和高度不确定)安全运
28、行（风电弱转动惯量，光伏没有转动惯量，整个系统转动惯量减少，保持同步稳定的能力下降）风电风电,10%10%太阳能太阳能发电发电,10%10%其他其他,80%80%风电风电,21%21%太阳能发太阳能发电电,27%,27%其他其他,52%52%2030年年总发电量8.94万亿kWh2050年年总发电量12.13万亿kWh电力传输：更大更远柔直系统传输的持续探索电力传输：更大更远柔直系统传输的持续探索三峡如东柔直工程变电站2021年11月，我国首个柔性直流海上风电项目正式并网发电，采用的400千伏直流海缆 柔性直流输电的名称中的“柔性”是指其可以根据电力系统的负载情况自主地调整电压、电流和频率等参
29、数，以适应不同负载条件下的电力传输要求。在传统的交流输电（“刚性”）方式中，电力负载的波动会导致电网电压的波动，进而影响到电力系统的稳定性和可靠性。柔性直流技术则可以通过快速响应的方式，实现对电网负载的精细控制，使电力系统能够更加灵活地应对负载波动和电力需求的变化。深远海深远海-漂浮式机组探索漂浮式机组探索示范项目研究阶段 已有4个示范项目，水深和机组容量逐步提升 一体化设计及有效的测试验证及模型调试方法，是现阶段主要难题中国海装扶摇号中国海装扶摇号CSSC Floater(Haizhuang Fuyao)2022.05 三峡引领号三峡引领号中国首个漂浮式中国首个漂浮式 CTG Leader（
30、Sanxia Yinling）2021.07海油观澜号海油观澜号首个深远海漂浮式项目首个深远海漂浮式项目CNOOC Guanlanfirst deep-sea floating wind platform2023.05国能共享号国能共享号Longyuan Power share（Guoneng Gongxiang）2023.10结语结语近几年风电机组大型化趋势发展进程明显加快，伴随着稳定的装机量提升，带来了可观的LCOE降低；机组大型化的发展，依赖于原材料、部件、子系统乃至整机的国产化和技术升级和应用，是全行业及上下游共同努力的成果；目前我国风电机组大型化已进入“无人区”，新技术应用带来的额外风险需经过谨慎的测试验证，此外，针对风电占比逐渐提高的能源系统，对机组的并网性能以及输电方案提出了新的挑战。诚 信进 取创 新协 同THANKS
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