低风速风电，下一个蓝海
发布日期：2017/6/20
当下，我国低风速风电开发已经蔚然成风，成为整个风电市场版图的重要组成部分。综合已有信息来判断，这种势头在“十三五”时期还将延续下去。与此同时，低风速风电开发仍面临着一些政策、技术等方面的难题，需要业内共同努力加以破解。
封面自2011 年5 月我国首座低风速风电场——来安风电场建成投产以来，已经整整过去了6 个年头。其间，风电开发在低风速地区呈遍地开花之势，产业链逐步成型，不仅机型日益丰富，机组性能得到大幅提高，施工建设和运维保障能力也有了质的提升。随着《风电发展“十三五”规划》明确将中东部和南方地区作为发展重心，低风速风电迎来新一轮机遇期。然而，目前低风速风电开发的风险依然较高，并且由于开发条件越来越差，风险可能还会加大。在这种情况下，如何才能抓住机遇加速低风速风电市场走向成熟？回答这个问题时，我们或许可以将湖南作为样本，从中管窥一二。
低风速风电开发的湖南样本
湖南，地处我国中南部，境内多山，风资源条件较差，整体上属于低风速区域。就是这样一个此前并不被看好的省份，近些年却在风电发展上一路高歌猛进，成为中东部内陆地区山地风电开发的示范省。
截至今年3 月底，湖南累计完成风电投资200 亿元以上，建成风电场44 个、装机容量225 万千瓦；在建风电项目50 个、装机容量250 万千瓦。此外，还有500 万千瓦的项目进入核准待建或者开展前期工作的阶段。
这是本刊记者从湖南省能源局获得的信息。
风电的快速发展，较好地优化了该省的能源结构。据湖南省发展改革委副主任、省能源局局长刘年来介绍，2016 年，风电占全省电力总装机的5.26%，全年累计发电39.3 亿千瓦时，较2015 年增加76.45%，占总发电量的2.95%。
支撑这一良好局面的则是一条完善的风电产业链。目前，以中车株洲所、湘电风能、三一重能为代表的整机企业，以中南勘测设计院、湖南省电力设计院为代表的咨询设计机构，以湖南火电、湖南建工为代表的施工企业，以华电、华能等五大发电集团为代表的投资商，以及叶片、变电设备、电线电缆零部件制造商等齐聚湖南，涵盖设计咨询、产品研发、装备制造、风电场建设、电力输送等环节，产业集群效应凸显。
这在株洲表现得尤为突出。
从某种意义上来说，株洲算得上是湖南风电开发的“历史源头”。早在2007 年，中车株洲所研制的WT1650 型风电机组就在郴州江华沱江风电场并网发电，打破了湖南无大型风力发电的历史；一年后，同样吊装了中车机组的郴州仰天湖风电场投运，这是湖南首个大型风电项目，开创了山区低风速风电的先河。
深厚的历史积淀，成就了株洲风电产业的今日成就。“株洲已经形成了以中车株洲所为代表、以具备‘高铁基因’的发电机、叶片、变流器、减震器等零部件为主的较为完整的风电产业集群。2016 年，全市风电产业实现销售收入近100 亿元。”株洲市委副书记、市长阳卫国指出，“下一阶段，将以打造‘株洲· 中国动力谷’为抓手，加快构建以风电产业等为代表的新能源发展战略联盟。”
中车风电制定的“十三五”战略规划很好地契合了上述说法。据中车株洲所副总经理范宝林透露，中车正在推进“1+N+1”的产业发展战略，其中风电产业是作为轨道交通之外的第二支柱产业进行强势打造。
正是在中车风电等各方的共同努力下，湖南具备了较强的风电技术研发实力。其中，中车株洲所把轨道交通方面积累的成熟研发经验移植到风电机组产品中，在高海拔和低风速市场拥有较强的竞争优势，中车株洲时代新材在叶片设计、成型工艺、材料技术研发等方面具备较强的技术优势；湘电风能拥有国家风力发电研发（实验）中心等国家级研发平台；三一重能提出低风速大叶片智能控制解决方案；中南勘测设计院、湖南省电力设计院在超低风速山地风电项目规划设计、总承包及建设运营等方面建树颇多；中南大学、湘南大学则先后承担了一批风电产学研项目，一批具有自主知识产权的技术已运用于风电设备。
技术进步带来的则是经济性的提升。据三一重能研究院副院长胡杰测算，在湖南，风电项目的收益率要达到10% 以上，年利用小时数必须高于1750 小时；而要把收益率提高到14%、15%，年利用小时数就不能低于1900小时。
记者从多个渠道拿到的资料则显示，2016年，湖南全省的风电设备平均年利用小时数为2125 小时，部分风电场甚至达到2500 小时左右。这意味着，大部分项目都能获得较为可观的收益，投资回收期大大缩短。比如，位于郴州的太平里风电场因投运后的发电能力远超设计值，预计将在5 年左右即可收回成本。
在湖南的示范带动下，中南部低风速风电市场吸引了众多投资商的目光。神华新能源华中区域筹建处主任龙云汉就表示，未来3 年神华将与拥有地域和技术优势的中车株洲所共同开发约300 万千瓦的风电项目。
虽然湖南的风电开发已经卓有成效，但中国可再生能源学会风能专业委员会秘书长秦海岩认为，“如果将5 米/ 秒作为技术开发指标，湖南可开发的风资源达2800 万千瓦，目前仅利用了1/10，仍大有可为。”
这个结论同样适用于全国范围内的低风速区域。据国家气象局评估，中东部和南部地区风速在5 米/ 秒以上达到经济开发价值的风资源技术可开发量接近9 亿千瓦，可挖掘的空间还很大。而在范宝林看来，这个规模还会进一步扩大，因为随着新机型的推出，能够实现经济性开发的最低风速将从目前的5 米/ 秒下探到4.8 米/ 秒，甚至更低。
可以说，随着经济性的提升，前景广阔的低风速地区势必将成为我国风电开发的下一个“蓝海”。
向整体解决方案提供商转型
湖南等低风速地区，以山地和丘陵为主，地形复杂，风资源分布差异性大，风电项目建设将是更加复杂的系统工程，需要从全生命周期的角度设计方案。这一点上，业内有待提高。
湖南省电力设计院新能源公司总经理周晟向记者解释，当前制定布机方案时，主要还是基于发电量最优，而较少结合建设条件来考虑全局的经济性。对于低风速风电来说，要采用专业协同、专业融合的方式，整合电气、土建等环节，在优化布机方案时，必须充分考虑与反复研究建设成本和收益，确保整个风电场的全局经济性最优。这就要求包括开发商、设计院、整机商以及施工单位等所有参与方紧密合作。尤其是，整机企业作为其中核心的一环，必须根据新形势下的市场需求，在角色上进行重大转变，更加深度地参与项目的开发。
刘年来对此的理解是，山地风电场的特点是场址地形地貌的复杂性，整机企业应着眼于提供整体解决方案，实现从卖设备到卖服务转变，从单一供应向综合处置转变，全面提升综合技术水平。
事实上，这也是国家能源局等主管部门近些年来重点引导的行业趋势之一。《风电发展“十三五”规划》就明确提出，在可研设计阶段推广应用主机厂商带方案招投标。
目前，包括中车株洲所在内的不少整机商都在进行相关布局。
据悉，中车风电确立的“十三五”总体战略思想是，快速由机组设备提供商向风电综合系统解决方案提供商升级。此前，除了涉足机组供应和运维服务外，这家公司还积极将业务链条向前端延伸，进入测风、微观选址等环节。
中车株洲所风电技术中心副主任王靛向记者透露，他们正在与国家气候中心、法国美迪公司进行合作，通过整合全球先进的技术与经验，打造风资源分析、评估系统平台。目前，平台已经基本搭建完成，正在进行内测，预计今年6 月可以开放公测。通过该平台，可查询到全国各地30 年间的气候状况，包括风速、风向等风资源数据，以及沙尘、雷暴、冰冻等灾害天气情况。
“当然，建立风资源平台只是第一步。真正转型为整体解决方案提供商后，提供的将是包括测风、微观选址、机组选型、道路和输电线路施工等在内的一揽子方案。”王靛补充道，“这是行业未来发展的一大特点，也是我们积极打造‘风电场优化设计’‘场址控制策略定制’‘风电资产管理’三位一体的风电项目全生命期盈利最大化解决方案windProfitTM 的原因所在。”
在业内专家看来，这对提高项目收益的作用是显而易见的。
一方面，通过从全场和全生命周期的角度通盘设计风电场，可以将施工方案做到既有条件下的最优，最大限度降低整体成本。
另一方面，通过深度参与前期环节，整机企业可以更加全面掌握场址区的风资源和环境气候特征。“有了这些一手信息，我们就可以对机组进行有针对性设计，或者采用更加个性化的布机方案。比如，针对南方山区雷雨和冰冻天气多的特点，可以强化机组的防雷、除湿以及除冰性能。还可以根据风资源的分布情况，因地制宜地采用安装不同类型机组的混排方案。从而提高机组投运后的可靠性，进一步提高风能利用效率。”范宝林说。
智能化技术的全新应用场景
面对更低的风速，加长叶片和升高塔筒是提高机组捕风能力的最直接手段。因此，高塔筒、大功率、长叶片就成了目前低风速风电机组的标配。
然而，在中南勘测设计研究院新能源院院长刘小松看来，这种方式显得“简单粗暴”，不仅会带来载荷和成本增加等“副作用”，也无法很好地应对山区多变的风向和风速。他认为，单就机组而言，更重要的是，必须通过增强系统自学习能力、优化智能控制系统来提升风电机组的整体性能。
这也是目前低风速风电开发中呈现的另一大趋势，即广泛运用互联网思维和技术手段，使开发和运维环节高度智能化。
自国家于2015 年首次提出“互联网+”行动计划以来，各个整机厂商纷纷加大了对机组智能控制系统的开发力度。
现在的通行做法是，在控制系统中加入多个优化控制策略，借助模型，让机组及时对外界风速和风向变化做出反应，使叶轮始终处于最佳的捕风角度上，并避免因强阵风引起的超速故障等。
与此同时，一些企业还尝试根据整个风电场的风资源特点，为每台机组定制个性化的控制策略。王靛告诉记者，“在低风速的复杂地形下，每个机位点的风速、风切变、湍流是不一样的，而且机组之间还有尾流的影响。这种情况下，如果整个风电场只用同一种控制策略的话，控制效率肯定无法达到最高。下一步，需要根据周边位置的风速、风向、湍流特点，为各个机组配备专属控制策略。”
当然，这只能算是“初级”的智能化应用。现在，部分企业已经在进行更大胆的尝试，将人工智能的核心——机器学习引入到控制系统。这实际上是给机组装上了一个“超强大脑”，使它具备通过自学习来获得经验的能力，能够依据外界条件自主调整运行状态。
人工智能领域的专家认为，机器学习非常适合应用于风电开发中。因为机器学习离不开数据，而借助大量传感器和高速数据传输线路，正好可以将风电场产生的海量实时数据输送给系统，供其进行反复训练。
除了机组，机器学习应用的另一个主要场景将是运维环节。
针对传统运维模式存在的滞后性，目前，不少运维服务提供商开始借助大数据分析手段，通过油温、震动等方面的数据诊断关键零部件的运行状态，实现从事后维修向预防性运维的转变。此外，有企业开始探索运用机器学习来对机组的健康程度进行预警。从试验的结果来看，这种方式已经能够达到较高的预测精度。
目前，很多整机和开发企业还着眼于整个运维环节，通过打造数字化运维平台，建立区域或者全国性的运维中心，将多个风电项目纳入其中，实现集中监控、综合数据分析和统一运维管理。
比如，中车株洲所就依托智能传感技术、大数据挖掘技术开发了集团级的大数据平台，帮助风电场建立基于设备健康度管理的状态维护机制。按照规划，平台将接入2000 台风电机组，为分布于全国各地的近4 吉瓦风电资产提供全生命周期的高效管理。
“通过这种方式，能够变被动停机为有计划停机检修，并可以有效优化现场的人员配置，在减少发电量损失的同时，大大降低运维成本。”范宝林表示，“积累大量运行数据，也有利于我们优化原有机型和研发新机型。”
尚有部分环节亟待改进完善
当下，虽然低风速风电已经实现规模化开发，但在政策、开发模式、技术等方面仍存在一些不完善之处。
记者综合从多个风电场收集的信息发现，审批环节的多头管理依然是主要阻碍因素之一。“涉及到风电场投资的管理部门比较多，包括林业、国土、环保等，几乎每一个部门都有自己的‘领地’和红线区，但这些信息都不对投资方公开。环保有生态严控区，国土有基本农田，林业有自然保护区、生态公益林、水源保护地。前期审批时，必须花时间逐个找这些部门，手续比较繁多，拉长了投资周期。”有开发企业负责人曾言及。
除了要避开这些区域外，环保与水保工作也成为影响风电项目开发的重要因素。上述负责人坦言，少数企业不注重环保覆绿工作，在建设中确实给当地造成了一定的生态破坏，这直接导致部分省份收紧了风电开发政策。比如，云南此前数次叫停风电开发，湖南也于去年收紧了环保审批，导致多个风电项目无法完成环保审批。
对此，专家建议，一方面，需要政府部门更加客观、准确评估风电开发的环境影响。另一方面，开发企业也要高度重视环保和水保工作，加大相关投资，前期即针对场址区的地形、植被特点等，制定详细的水保覆绿方案，在施工和运维中严格予以执行，将对环境的影响降到最低。
在开发模式上，刘年来认为，低风速地区风资源更分散，大规模集中连片开发将难以为继，分散开发、就近接入、本地消纳将是更可行的方式，分散式风电将是发展趋势。然而，对于这一开发模式，国内罕有应用案例，尚无成熟的经验可借鉴，很多做法还处于探索中。
比如与平原风电项目相比，建设山地低风速风电场时，测风工作必须做得足够细致，让风资源数据更具有代表性，才能提高投资回报。这就对测风塔数量和测风周期提出了更高的要求。刘小松建议，至少应该立2 座以上的测风塔，并且观测期限不能短于1 个完整年。
此外，技术环节也有很大的提升空间，需要企业加大研发力度，借助更先进的技术手段提高机组的性能、可靠性，以及运维效率。
鉴于低风速风电开发在推动我国风电产业实现可持续发展中的重要作用，以及还存在以上环节需要完善，中国可再生能源学会风能专业委员会将于6 月29—30 日在株洲举办“中国低风速与分散式风电开发论坛”，由业内专家展开专题研讨。“之所以选择株洲作为举办地，也是看中了湖南在低风速风电开发上的区位优势以及所取得的成绩，希望以这种形式为湖南风电企业和其他省份同行提供一次探讨交流和分享经验的机会。”一名会务组负责人解释道。
来源：《风能》杂志
