在風電機組設備中，變流器作為關鍵設備之一，與并網環節密切相關。風電變流器規模一般以裝機容量計算，每臺風機配備一套變流器設備，由此，其市場規模可見一斑。

“雙碳”目標下，新能源高速增長的“黃金時代”已然到來，風電裝機容量的增長必將帶動上游變流器的穩定需求。

高比例新能源并網呼喚

受益于“雙碳”目標的提出，風電行業一片飆紅。業內分析指出“十四五”風電要保證年均新增裝機5000萬千瓦以上，2025年后不低于6000萬千瓦，助力12億千瓦裝機目標的實現。

當前“雙碳”目標背景下的新一代能源系統，清潔低碳參與博弈，電能質量領域也面臨前所未有的新機遇、新挑戰、新需求。

風電作為主體能源、發展主力軍，市場迎來巨大紅利的同時，我們也應看到，新能源發電也有其固有的波動性、低抗擾、弱支撐特征，大規模并入電網給其安全穩定性造成一定程度的隱患。

2011年，甘肅酒泉風電基地598臺、84萬千瓦風電機組相繼脫網，而事故的起因是某風電場一次“一般性電網電壓波動”的事故。脫網事故導致電壓大幅波動，甚至波及甘肅電網，對整個西北電網造成威脅，這在當時引起了行業巨大反響。

風電與電網建設之間的協調是其大規模發展的瓶頸之一。風電變流器可以使風機處于最佳發電功率狀態，同時將風力發電機發出的頻率、幅值不穩定的電能，轉換為頻率、幅值穩定的、符合電網要求的電能后并入電網。

一方面是需求旺盛的裝機市場，另一方面是新能源并網友好型求解，風電變流器市場前景可期的同時，未來還有多個“關卡”要闖。

國產化品牌替代需加速

1986年5月，我國第一座陸上風電場成功并網發電，揭開了我國風電從無到有的發展大幕。在逐漸走向成熟的同時，風電技術也在突破創新，關鍵設備方面國產化的水平明顯提高。

在發展早期，因技術及工藝設計難度大，可靠性要求高等因素，風電變流器等變頻技術被國外電氣巨頭所壟斷，設備主要依靠國外廠家供應。

數據來源：公開數據

據了解，早期國外供應商變流器單臺售價100萬以上，質保期三年，此外，質保后續繁瑣的售后條款和高昂的售后費用等問題日益凸顯，極大掣肘我國風電健康加速度發展。

為此“十一五”、“十二五”期間，我國重點支持了風電變流器的國產化，在政策指引和行業鼓勵下，國產化風電變流器品牌實現了華麗轉身。

2009年左右，風電變流器開始進入國產化替代階段，部分風電整機商龍頭設立自己的變流器子公司，同時獨立變流器生產廠商也廣泛參與市場競爭，這期間，以禾望電氣、陽光電源、海得控制、日風電氣等一批企業為代表的產品脫穎而出。

時間來到2021年，歷經十幾年發展創新，中國風電變流器產品平臺已經實現了雙饋機型1.xMW-6.XMW，全功率機型2.XMW-12.XMW的全覆蓋，國產品牌風電變流器伴隨著中國風電行業也邁入了大功率時代。

值得注意的是，與陸上風電相比，海上風電變流器對產品功率、可靠性、穩定性以及抗高濕高鹽霧性能的要求更為苛刻，技術壁壘極高。

此外，風電變流器的國產化，便肯定重點提及IGBT。“雙碳”目標利好，產業發展對IGBT的需求量級增大，但在中高端領域90%以上的IGBT器件依賴進口，IGBT國產化需求刻不容緩。

未來隨著平價時代到來，風電規模化發展和走向深遠海，國產變流器還有很長的路要走。

核心競爭力破局平價未來

國內風電產業鏈經過多年成長已經逐步告別混戰，變流器市場國產和進口的角色已發生轉變，競爭格局以主機廠自供VS第三方供應商為主。

目前風電變流器市場龍頭企業，其產品及技術均經過長時間的積累、發展及市場的驗證，行業存在技術、認證等多重壁壘，對新進入者門檻限制較高，風電變流器產業鏈呈現強者恒強的局面。

面對未來年均新增裝機5000萬千瓦的機遇，要想不被超越，唯有不斷突破，二三線的變流器廠家也要發力迎頭趕上，核心競爭力是第一要素。

據了解，2009年禾望電氣率先實現國內變流器整機批量供貨，打破了國外技術壟斷，并發布了風光儲一體化解決方案及電網友好型新能源場站生態系統，在漂浮式等方面也有提前布局。

陽光電源更是已經完成了12MW海上風電變流器的電機帶載測試，配套應用于大功率固定式和漂浮式風機，還發布了“風儲一體變流器”新品，變流器規格涵蓋2MW-15MW功率等級。

日風電氣主營1.5MW、2.0MW、2.5MW、3.0MW雙饋式風力發電變流器、2.0MW-5.5MW直驅式風力發電變流器。

海得控制相繼研制出高性價比1140V三電平全新拓撲的全功率變流器（5.0MW-6.0MW）和1140V三電平雙饋變流器產品（4.0MW-5.0MW），并在業內率先實現5MW-6MW產品的批量供貨。

天誠同創、新風光、瑞能電氣等其他國產品牌在爭取銷量的同時，也在不斷突破自己。

今年陸上風機價格普遍低于3000元/kW，海上整機也驚現低價，面臨平價甚至更低價挑戰，整機成本降低的同時，風電變流器也將承壓。

如果將風電比作一場馬拉松，風電變流器企業如何堅守品質底線，突破技術壟斷做大做強國產化品牌，還需不斷“闖關”。

某齒輪箱企業人士表示，半直驅也是全球風電發展大勢，且中國半直驅發展速度及占比將超過全球。據Wood Mac預測，到2029年半直驅（中速傳動）機組在全球海陸風電市場的占有率將分別達到34%、45%，甚至有可能坐上風電技術路線的“第二把交椅”。

·未來已來 唯有不斷突破

據了解，國內排名靠前的整機商，大多數在評估是否轉向或添加半直驅技術路線，第三勢力正在迎頭趕上。半直驅技術，兼顧直驅的高穩定性和雙饋的低成本優勢，更適應機組大型化和海上風電規模化的發展趨勢。

有業內人士指出，從目前海上風電整機商布局來看，半直驅已經是較為主流的技術路徑。對于陸上風電來說，技術都在持續突破，未來估計是直驅、雙饋以及半直驅等技術路徑互相競爭，同臺競技。

“雙碳”目標的提出，風電成為主力軍。風電平價大基地、風電下鄉、海上風電...無論未來何種增量市場，更高的發電量和高可靠性、相對更低的成本都是業內最為關注的點。

技術基因是核心競爭力，風電對于更低的度電成本還在不斷探索。未來已來，誰將引領尚未可知。

北極星風力發電網  來源:中國能源報  作者:李麗旻  

關鍵詞: 風電葉片 碳纖維 海上風電

北極星風力發電網訊:風電葉片是風力發電機將風能轉化為機械能的重要部件之一，素有風力發電機“靈魂”之稱。近日，東方電氣自主研制、擁有完全自主知識產權的B1030A型風電葉片在山東制造基地下線。該葉片長度103米，是目前我國已下線的最長風電葉片。

今年2月，長度達102米的10兆瓦-SR210型葉片，在江蘇鹽城基地實現發貨交付，它既是世界上最長的10兆瓦風電葉片，又是國內首款百米級超長柔性碳纖維葉片。自此以后，多家整機制造企業陸續宣布百米級風電葉片下線。在業內人士看來，我國海上風機葉片“百米級時代”已到來。隨著風機葉片不斷刷新長度，風電市場也對葉片原材料提出了更高要求。

葉片大型化趨勢明顯

一直以來，大功率風機是風電降本的主要手段，隨之而來的，則是葉片尺寸的不斷增加。“葉輪直徑越長，掃風面積越大，發電量越大”，這已是業界普遍達成的共識。

據行業研究數據，我國風機葉片大型化趨勢已十分明顯，新增風電機組平均風輪直徑已由 2008年的65米提升至2018年的120米。近兩年，葉片長度的增長更是讓風輪直徑進一步增加。

今年2月，中國船舶集團宣布10兆瓦海上風機正式下線，配套葉片長度達102米，這也是我國首個長度超過100米的風機葉片。隨后，9月，上海電氣風電集團發布消息稱，長達102米的海上風電葉片問市，今年11月，東方電氣集團宣布自主研制、擁有完全自主知識產權的長達103米的葉片正式下線，再度刷新我國葉片紀錄。

葉片長度的“成長空間”遠不止于此。截至目前，明陽智慧、通用可再生能源、維斯塔斯等整機制造商也已陸續發布研發規劃，宣布將推出更高單機功率和更大葉片尺寸的海上風機。根據明陽智慧發布的消息，該公司正在研發單機功率為1.6萬千瓦的海上風機，預期葉片長度為118米。今年10月，國際整機巨頭維斯塔斯宣布將推出單機功率為1.5萬千瓦的海上風機，預計風機葉片長度能夠達到115.5米。

葉片材料急需輕量化

有測算顯示，葉片重量增加與葉片長度的立方成正比，葉片長度的快速提升就意味著葉片重量的快速增長。

多位業內人士在接受記者采訪時表示，風機、葉片等設備尺寸的提升，實際上已經大幅提高了風電運輸成本，尤其隨著風電走向深海遠海，葉片等大型零部件的運輸更是一大難題。

記者了解到，風機葉片主要原材料包括樹脂基、粘接劑、芯材以及增強材料等，而玻璃纖維是目前市面上主要的增強材料組成。在業內人士看來，傳統的玻璃纖維材料亟需輕量化材料替代，而碳纖維是目前最具潛力的材料之一。

碳纖維是一種碳主鏈結構的高性能纖維材料，含碳量超 90%，具有質量輕、高強度、耐腐蝕、抗疲勞等優異性能，目前已被廣泛應用于航空航天、基礎設施、工業應用等多個領域。

“將碳纖維應用于葉片中，將能夠有效減輕葉片質量，增加葉片強度，尤其在海上高鹽高濕的環境下，葉片中碳纖維材料也能夠提升耐腐蝕性能，更加適用于惡劣的氣候條件。”一位葉片制造從業人士告訴記者。

碳纖維國產化進程加快

“百米以上的風機葉片不得不用到碳纖維，但實際上，受到全球新冠肺炎疫情影響，近期全球大宗商品不斷漲價，這也包括了碳纖維。在過去的一年里，碳纖維價格漲幅已超過30%。”某風電從業人士指出。

市場研究機構民生證券發布的數據顯示，目前風電風機材料成本占比在95%以上，其中葉片占風機材料成本20%左右。對于國家補貼即將退坡的海上風電行業來說，降本壓力已蔓延至全產業鏈，碳纖維的經濟性成為未來葉片發展的關鍵影響因素。

此前，有業內人士向記者透露，實際上，我國碳纖維市場供應仍較為依賴進口，除了碳纖維本身的性能外，影響碳纖維增強復合材料的性能還有膠和樹脂的配方，并且涉及復雜的生產過程和固化工藝。“國際碳纖維生產廠家交付能力跟不上需求，而國產碳纖維則面臨著大規模生產性能不穩定等難點，這一現狀很可能對大尺寸葉片批量化生產帶來挑戰。但近年來，碳纖維國產化進程已逐步加快，現階段國內碳纖維行業發展已十分迅速，與美日等國的差距也在不斷縮小，商業化產品的整體性能預期將有所提升。”

上述風電從業人士則指出，風電葉片對碳纖維的應用需求將為國產碳纖維行業提供了良好的契機，如果國內碳纖維行業能夠與風電行業形成良好的互動，將有助于推動碳纖維在風電行業的批量應用，形成良性循環。

種種跡象表明，中速傳動（也稱“半直驅、混合”）技術的春天來了。

一位部件制造商生產負責人向本刊記者透露，他所在的企業正為20余款中速傳動產品進行部件生產或試制，當然，這其中不乏一家整機商的多款機型。另據了解，國內排名靠前的整機商，大多數在評估是否轉向或添加這一技術路線，實際上已有整機商立起樣機，有的正在開發此類產品。

這種熱火朝天的景象，在一年前還難以想象。曾經被無數業內人士奚落的“半吊子”，如今成了“香饃饃”，風電技術路線除雙饋、直驅外的第三勢力正迅速崛起。

全球數據也呈現出同樣的趨勢。能源調研機構Wood Mackenzie預測，到2029年中速傳動機組在全球陸上風電、海上風電市場的占有率將分別達到45%、34%。稍加時日，中速傳動甚至可能坐上風電技術路線的“第二把交椅”。

市場需求說了算

“從企業經營角度來說，技術是為市場服務的，市場需要什么，技術就怎么跟。在不同市場條件下，技術需要持續跟蹤、動態調整。任何技術路線沒有誰領先誰的問題，只有市場適應性問題。”對于愈演愈烈的中速傳動熱潮，某整機商產品總監李輝認為。

市場與技術確實在不斷演進，受技術進步與成本控制影響，在顛覆性技術出現之前，風電機組大型化趨勢已是不爭的事實。據李輝預測，未來5年海上機組單機容量將以年均1MW的速度遞增，這意味著單機容量將由如今的10MW左右，在5年內發展到15MW以上。陸上機組單機容量相對較小，但在大型化方面也不會放慢腳步，已有不少整機商喊出了“海陸同款”的產品推廣計劃。

在目前技術條件下，隨著機組的體積與重量不斷增加，機組運輸難度將由量變引發質變；出于對成本與可靠性的考慮，一些機型的發電機不斷增大，其發電效率也將受到挑戰；更高的運維難度則要求大型海上機組運行必須足夠可靠，這給采用傳統技術路線的整機商出了難題。

如果說大型化對于整機商技術提升與變革的要求還不是火燒眉毛，那么，成本倒逼可能是催促其立即行動的導火索。

近期我國陸上風電主機的平均價格快速下降，由2020年6月的3450元/千瓦，快速下降至2021年5月的2580元/千瓦。而銅價、螺紋鋼價則分別由同期的4萬元/噸、3600元/噸，分別上升到6.8萬元/噸、6000元/噸。有整機商的主機銷售價格，已經接近甚至低于成本。

對此，李輝認為，中速傳動機組的體積與重量相對較小，成本也具有較強競爭力，可靠性能夠得到有效把控，在目前的市場條件與技術發展趨勢下，不失為一條解決機組大型化技術難題的有效途徑。

據李輝介紹，某3.xMW機型中速傳動機組機艙的重量僅為105噸，其發電機磁鋼用量不足300公斤；某6MW機型的發電機與齒輪箱的徑向尺寸僅為2.2米，整個傳動鏈的最大直徑處位于塔架軸心，也僅為3米。另據一家正在研發中速傳動技術的整機商透露，當單機容量達到15MW時，中速傳動機組與傳統機組的重量或將相差100余噸。主機重量輕、體積小的一個顯而易見好處是，能夠降低整機載荷，使用原材料更少，以實現更低的生產與運輸成本。

“隨著頭部制造商的不懈努力，除主軸承與PLC外，我國已形成完整且開放的中速傳動技術國產零部件供應鏈體系，這也在一定程度上降低了產品成本。”李輝認為。

此外，中速傳動機型的可靠性同樣更易把控，其齒輪箱普遍采用兩級行星輪傳動，主流機型發電機與齒輪箱通過殼體的剛性聯接而無需對中，為機組的可靠運行打下基礎。

自主研發并不晚

中速傳動并不是一項新技術，只是形成大規模應用的時間較短。

“中速傳動是從雙饋與直驅技術派生的，吸收了雙方的特點，機械傳動部分類似雙饋，電氣傳動部分類似直驅。”李輝談到：“因此，它在國外也被稱為混合傳動，在國內為方便理解冠以‘半直驅’多年。”

有信息顯示，最早進行中速傳動技術研究的是德國風電整機設計公司aerodyn。1998年前后，直驅技術已出現約10年，雙饋技術逐漸興起，設計工程師們發現，這兩項技術的差異明顯，且各有所長，便嘗試將雙方中和，做出中間的技術路線，寄望魚與熊掌兼得。通過進行大量技術研究，aerodyn最終形成4套可對比方案。第一套方案由Multbird于2003年完成5MW樣機，并實現批量化生產。第二套由Winwind開發為3MW和1MW兩款機型，3MW機型實現小批量投運，1MW機型被國內整機商引進。第三套為超緊湊型方案，由我國另一家整機商引進，并通過消化、吸收、再創新等不斷努力，實現了對該中速傳動技術路線的自主研發能力，開發出多款具備里程碑意義的機型，實現批量應用。第四套方案則未能實現成品落地。

更值得關注的是，我國首臺中速傳動樣機并非來自于aerodyn方案，而是由我國頭部整機商純自主研發的產品。

據此前媒體報道，這款單機容量為3MW的中速傳動機型，肇始于2006年的國家科技部立項，在2009年研制成功并實現樣機并網，是全球第三款實現樣機的中速傳動機型。

一位參與相關研發的工程師，在與本刊記者談及該樣機的研發過程時提到，工程師們首先考慮的是中速傳統系的主軸系、齒輪箱、發電機三大組成部分應如何選擇，誰來制造，如何連接為一體等問題。

“在樣機研發過程中，我們解決了一系列挑戰，現在看來仍是這類技術路線產品所普遍采用的方案。比如雙主軸承，一體化軸承座，大約40的傳動比，純自主研發的三大件聯接裝置，以及國產永磁發電機等。”這位工程師說：“這些問題解決了，3MW中速傳動樣機也就成功了。”

談及該樣機的運行情況時，這位工程師表達更多的是認可：“樣機運行比較穩定，測試數據比設計預期要好。”

據了解，目前我國已實現中速傳動機組樣機的整機商與設計公司，包括明陽智能、金風科技、三力新能、哈電風能、華創風能、南京中人等。

有差距但能追趕

即便是中速傳動技術路線陣營本身，根據主軸系、齒輪箱與發電機的集成度與組合關系，也可分為多種形式技術方案。

首先是三者之間均有中間軸相連的中速傳動機組，傳動系統集成度較低，相對而言更接近雙饋機組的布局。這可以算作是第一種形式，但目前采用該形式的機型已屈指可數。

隨著技術發展，齒輪箱與發電機之間的中間軸逐漸被設計工程師去除，但兩者仍相對獨立，由聯軸器連接在一起，實現了傳動系統的中度集成。在此基礎上，日前有國際齒輪箱制造商公開表示，其進一步集成了發電機與齒輪箱，將“發電機的轉子通過空心軸和軸承直接掛在齒輪箱的輸出太陽軸上，定子可以直接安裝在齒輪箱上”。這可以統歸為第二種形式的中速傳動技術。

而將主軸系、齒輪箱、發電機全部集成在一起的超緊湊型機型，則可歸結為第三類中速傳動機型，是目前我國裝機容量最大、實現樣機單機容量最大的中速傳動形式。

在談及中速傳動技術的未來發展時，李輝認為關鍵在于齒輪箱。“在由發電機與齒輪箱所組成的發電單元中，齒輪箱的重量占到三分之二，優化它的意義更大。”

上述國際齒輪箱制造商的理解則更深層次地解釋了李輝的觀點：當機組單機容量與風輪直徑不斷增加時，扭矩增加速度將遠遠大于功率增加速度，這對于成本、重量、扭矩為正相關關系的齒輪箱是一項關鍵挑戰，如果齒輪箱想滿足三項目標，就必須提升自身扭矩密度。例如，如果兩個齒輪箱都是25噸，一個可以傳遞3MW功率，另一個可傳遞4MW功率，那么第二個齒輪箱的扭矩密度更大。

另據李輝介紹，目前提升扭矩密度的主流方式有兩種：一是增加行星輪數量；二是功率分流技術。

“齒輪箱行星輪數量越多，能夠分擔的總功率就越大，在同樣功率下齒輪箱重量就越輕。打個比方，同樣裝一車煤，5個人肯定比4個人裝省力。”李輝進一步解釋道：“常規齒輪箱能做到4個行星輪，而有國際齒輪箱企業宣傳最多能做到8個，這是需要我國廠家進一步提升技術水平的地方。”

功率分流則是以另外一種方式分擔扭矩，簡而言之是將第一級的輸入功率分為兩路輸入，就如同一個重物需要由200千克的大胖子扛，但由兩個80千克的人一起承擔也能夠搬動。這項技術的挑戰在于，對設計要求較高，目前我國還沒有團隊進行這方面的研究工作。

事實上，對于齒輪箱扭矩密度的提升，上述國際齒輪箱制造商已給出了明確的目標，即達到200牛米/千克以上。而據李輝介紹，目前我國傳統齒輪箱扭矩密度仍相差較遠，相關企業正努力通過工藝與技術進步實現提升。這或許就是中速傳動技術進一步實現內生性競爭力提升，所重點角力的地方。