第1章 概論

1.1 風(fēng)力發(fā)電發(fā)展概況

風(fēng)能是一種開(kāi)發(fā)成本較低、清潔、安全、可再生的能源。因此，風(fēng)能的開(kāi)發(fā)利用越來(lái)越受到重視。根據(jù)貝茲理論，風(fēng)力機(jī)從風(fēng)中吸收的能量不到空氣動(dòng)能的59.3%，同時(shí)由于受到機(jī)械結(jié)構(gòu)等限制，實(shí)際值更小。因此，如何提高風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率，獲取更多風(fēng)能，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能規(guī)模化利用，一直為學(xué)者及業(yè)界所關(guān)注。近年來(lái)，大型風(fēng)電機(jī)組通過(guò)采用變速變槳距控制及最大功率跟蹤MPPT等技術(shù)，旨在提高響應(yīng)速度，獲得最大能量（低風(fēng)速時(shí)捕獲最大功率，高風(fēng)速時(shí)捕獲額定功率）。但是，由于一些不確定因素的存在，風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)表現(xiàn)出強(qiáng)非線性特征，風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的能量隨著風(fēng)速和風(fēng)向的連續(xù)波動(dòng)是快速變化的。傳統(tǒng)線性定常控制器因存在較大超調(diào)和損失，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，不適合用來(lái)控制大型變速變槳距風(fēng)電機(jī)組。根據(jù)風(fēng)速大小，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由4個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程構(gòu)成，即啟動(dòng)、變速運(yùn)行、變槳距運(yùn)行和剎車。其中，啟動(dòng)、剎車過(guò)程使系統(tǒng)能在最短時(shí)間內(nèi)有較快的響應(yīng)速度；變速運(yùn)行調(diào)節(jié)風(fēng)能，減少或消除風(fēng)能產(chǎn)生過(guò)程中的急劇波動(dòng)，捕獲最大能量，減弱暫態(tài)負(fù)荷的影響；變槳距控制通過(guò)調(diào)節(jié)槳距角維持風(fēng)電機(jī)組輸出額定功率不變。

世界上第1臺(tái)風(fēng)電機(jī)組于1891年在丹麥建成，但由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等方面的原因，風(fēng)力發(fā)電一直未能得到廣泛應(yīng)用。直到1973年發(fā)生了石油危機(jī)，美國(guó)、西歐等發(fā)達(dá)國(guó)家為尋求替代化石燃料的能源，投入大量經(jīng)費(fèi)，采用新技術(shù)研制現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)組。20世紀(jì)80年代開(kāi)始建立示范風(fēng)電場(chǎng)。20世紀(jì)90年代，許多國(guó)家紛紛制定了激勵(lì)風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的優(yōu)惠政策。1992年以來(lái)，全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量的年增長(zhǎng)率一直高于15%，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)日臻成熟。2002年4月2～5日，首屆世界風(fēng)能大會(huì)在法國(guó)巴黎舉行，歐洲和北美風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速。2006年，全球已有48個(gè)政府引入法規(guī)扶持風(fēng)力發(fā)電等可再生能源的發(fā)展。2008年年底全球累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量已超過(guò)了120.8GW，相當(dāng)于減排1.58億噸CO2。美國(guó)風(fēng)電市場(chǎng)近幾年來(lái)一直保持高速發(fā)展， 2009年新增風(fēng)電裝機(jī)容量9.92GW，累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到35.16GW，排名世界第1。

我國(guó)已成為繼歐洲、美國(guó)和印度之后風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用的主要市場(chǎng)之一，風(fēng)能資源豐富，可開(kāi)發(fā)量為1400GW。其中，陸上開(kāi)發(fā)量為600GW；海上開(kāi)發(fā)量為800GW。我國(guó)在20世紀(jì)50年代末，使用各種木結(jié)構(gòu)的布篷式風(fēng)車。20世紀(jì)70年代中期以后，風(fēng)能開(kāi)發(fā)利用列入“六五”國(guó)家計(jì)劃。20世紀(jì)70年代末到80年代初，自主研制、批量生產(chǎn)了10kW以下的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，解決了居住分散的農(nóng)牧民和島嶼居民的生產(chǎn)、生活用電，風(fēng)力發(fā)電停留在蒙古包單家獨(dú)戶使用或?qū)嶒?yàn)室研究階段。1983年，山東引進(jìn)3臺(tái)丹麥Vestas 55kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)，開(kāi)始了并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的試驗(yàn)和示范；1986年5月，山東榮成建成我國(guó)第一個(gè)并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)，其次是新疆達(dá)坂城風(fēng)電場(chǎng)。1986～1993年，全國(guó)共建12個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，裝機(jī)容量為13.3MW；1994～1999年，全國(guó)共建有21個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，裝機(jī)容量達(dá)到249.05MW。其中，1992～1996年的主力機(jī)型為200～300kW機(jī)組，1997～2002年的主力機(jī)型則為600kW機(jī)組。2008年，我國(guó)累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到12.21GW，其中并網(wǎng)發(fā)電的裝機(jī)容量為8.94W。截止到2009年年底，我國(guó)風(fēng)電并網(wǎng)總量累計(jì)達(dá)到16.13GW，累計(jì)裝機(jī)容量為25 805.3MW。

1.1.1 風(fēng)力發(fā)電的背景

1.能源危機(jī)

能源是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。自從工業(yè)革命以來(lái)，全球的能源消耗飛速增長(zhǎng)，推動(dòng)了世界工業(yè)化的進(jìn)程，提高了社會(huì)發(fā)展水平和人類生活質(zhì)量。全球經(jīng)濟(jì)的急劇增長(zhǎng)對(duì)能源的需求越來(lái)越大，能源危機(jī)制約了人類進(jìn)一步發(fā)展。自20世紀(jì) 50年代以后，由于石油危機(jī)的爆發(fā)，對(duì)世界經(jīng)濟(jì)造成巨大影響，國(guó)際輿論開(kāi)始關(guān)注世界能源危機(jī)問(wèn)題。全球能源危機(jī)的主要表現(xiàn)在于，全球能源儲(chǔ)量與開(kāi)采時(shí)間有限。可以支配的化石資源的極限大約為1 180～1 510億噸，以1995年世界石油的開(kāi)采量33.2億噸計(jì)算，石油儲(chǔ)量大約在 2050年左右即將枯竭；天然氣儲(chǔ)量估計(jì) 131 800～152 900m3，年開(kāi)采量維持在 2 300m3，將在 57～65年內(nèi)枯竭；煤的儲(chǔ)量約為 5 600億噸，1995年煤開(kāi)采量為33億噸，可以供應(yīng)169年；鈾的年開(kāi)采量目前為每年6萬(wàn)噸，據(jù)1993年世界能源委員會(huì)的估計(jì)可維持到21世紀(jì)30年代中期。

綜上所述，煤炭、石油、天然氣等不可再生化石能源的總量有限，亟待開(kāi)發(fā)新的可再生能源。

2.環(huán)境危機(jī)

在能源消耗急劇增長(zhǎng)，能源危機(jī)凸顯的同時(shí)，環(huán)境危機(jī)也出現(xiàn)了。現(xiàn)代社會(huì)對(duì)能源的巨大需求，導(dǎo)致大量的化石能源被燃燒。燃燒不斷產(chǎn)生CO2和其他溫室氣體，使得原來(lái)沉積在地下的碳元素，被大量釋放到空氣中。據(jù)估計(jì)，按照目前的趨勢(shì)，到2030年，由各種溫室氣體增加所引起的氣候變化，將相當(dāng)于把大氣中CO2濃度提高到工業(yè)化社會(huì)以前CO2濃度的兩倍。到2100年，溫室效應(yīng)強(qiáng)度將相當(dāng)于把大氣中CO2濃度提高到工業(yè)化社會(huì)以前CO2濃度的3倍，達(dá)到5000萬(wàn)年前的CO2濃度水平。能源消費(fèi)在迅速擴(kuò)大，已經(jīng)達(dá)到了阻礙地球生態(tài)系統(tǒng)自律功能正常運(yùn)轉(zhuǎn)的程度。研究表明：地球變暖并不是地球本身自然循環(huán)的變化，而是由人類活動(dòng)排放的CO2等溫室氣體效應(yīng)造成的。其過(guò)程與人類大量消耗化石能源資源，尤其是燃燒化石燃料發(fā)電大量排放的CO2密切相關(guān)。到2015年，世界溫室氣體的排放量將達(dá)到最高，全球變暖帶來(lái)的影響將不僅僅是更多的旱澇災(zāi)害，還有海平面的上升。全球氣候的變化對(duì)農(nóng)業(yè)和生態(tài)造成了嚴(yán)重的影響，時(shí)刻威脅著人類的生命和財(cái)產(chǎn)安全。

3.可再生能源開(kāi)發(fā)利用

目前，如何解決能源危機(jī)及其引起的環(huán)境危機(jī)成為全球經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展所面臨的亟待解決的重大課題。克服能源危機(jī)的出路在于大力發(fā)展新能源，用可再生能源替代化石能源。電能具有轉(zhuǎn)換和傳輸方便的優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代工業(yè)快速發(fā)展不可替代的二次能源。為緩解或從根本上消除能源危機(jī)及其帶來(lái)的環(huán)境破壞，綠色電力的生產(chǎn)為世界各國(guó)所關(guān)注。綠色電力來(lái)源于風(fēng)能、小水電、太陽(yáng)能、地?zé)帷⑸镔|(zhì)和其他可再生能源。因?yàn)樗鼈冊(cè)谏a(chǎn)的過(guò)程中不消耗煤、石油、天然氣等燃料，所以不會(huì)產(chǎn)生對(duì)環(huán)境有害的排放物。相對(duì)于常規(guī)火力發(fā)電，更有利于環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展。因此，開(kāi)發(fā)綠色電力意義重大。

表1-1比較了不同能源發(fā)電方式對(duì)環(huán)境造成的影響。全球市場(chǎng)對(duì)于風(fēng)電這樣的零排放技術(shù)有著巨大且持續(xù)增長(zhǎng)的需求。為了避免發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的氣候變化后果，全球的溫室氣體排放必須在2020年前后達(dá)到峰值且開(kāi)始下降，而風(fēng)電是目前唯一能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的發(fā)電技術(shù)。表1-2比較了不同能源發(fā)電方式的經(jīng)濟(jì)成本。

4.風(fēng)能儲(chǔ)量與利用

太陽(yáng)的輻射造成地球表面受熱不均，引起大氣層中壓力分布不均，同時(shí)，地球發(fā)生自轉(zhuǎn)，使空氣沿水平方向運(yùn)動(dòng)，空氣流動(dòng)所形成的動(dòng)能稱為風(fēng)能。據(jù)估計(jì)到達(dá)地球的太陽(yáng)能只有大約 2%轉(zhuǎn)化為風(fēng)能，理論上僅 1%的風(fēng)能就能滿足人類能源的需求。全球的風(fēng)能總量約為 2.74×106GW，其中可利用的風(fēng)能總量為 2.74×104GW，比地球上可開(kāi)發(fā)利用的水能總量還要大10倍。根據(jù)我國(guó)900多個(gè)氣象站陸地上離地10m高度資料進(jìn)行估算，全國(guó)平均風(fēng)功率密度為100W/m2，風(fēng)能資源總儲(chǔ)量為3226GW，可開(kāi)發(fā)和利用的陸地上風(fēng)能儲(chǔ)量為 600GW，海上可開(kāi)發(fā)和利用的風(fēng)能儲(chǔ)量為800GW，共計(jì)約1400GW。50m或更高處可開(kāi)發(fā)利用的風(fēng)能儲(chǔ)量為2000GW。

人類利用風(fēng)能的歷史可以追溯到公元前。在蒸汽機(jī)發(fā)明以前，風(fēng)能曾經(jīng)作為重要的動(dòng)力，用于船舶航行、提水飲用和灌溉、排水造田、磨面和鋸木等。埃及被認(rèn)為可能是最先利用風(fēng)能的國(guó)家。12世紀(jì)，風(fēng)車從中東傳入歐洲。16世紀(jì)，荷蘭人利用風(fēng)車排水。隨著煤、石油、天然氣的大規(guī)模開(kāi)采和廉價(jià)電力的獲得，由于成本高、效率低、使用不方便等，風(fēng)力發(fā)電機(jī)械無(wú)法與蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)等競(jìng)爭(zhēng)而逐漸被淘汰。1891年，丹麥建成了世界第一座風(fēng)力發(fā)電站。20世紀(jì)30年代，丹麥、瑞典、蘇聯(lián)和美國(guó)應(yīng)用航空工業(yè)的旋翼技術(shù)，成功地研制了一些小型風(fēng)電機(jī)組。這種小型風(fēng)電機(jī)組被廣泛運(yùn)用在多風(fēng)的海島和偏僻的鄉(xiāng)村，所獲得的電力成本比小型內(nèi)燃機(jī)的發(fā)電成本低很多。不過(guò)，當(dāng)時(shí)的發(fā)電量較低，大都在5kW以下。1973年，世界石油危機(jī)爆發(fā)以后，風(fēng)能作為新能源得到重視，世界風(fēng)力發(fā)電發(fā)展速度開(kāi)始加快，各國(guó)都在積極研制、開(kāi)發(fā)100kW以上的大型風(fēng)電機(jī)組。美國(guó)在1974年開(kāi)始實(shí)施聯(lián)邦風(fēng)能計(jì)劃，20世紀(jì)80年代成功開(kāi)發(fā)了 100kW、200kW、2000kW、2500kW、6200kW、7200kW 等6種風(fēng)電機(jī)組。瑞典、荷蘭、英國(guó)、丹麥、德國(guó)、日本、西班牙等國(guó)，也根據(jù)各自國(guó)家的情況制訂了相應(yīng)的風(fēng)力發(fā)電計(jì)劃。在20世紀(jì)70年代中期以后，我國(guó)將風(fēng)能開(kāi)發(fā)利用列入“六五”國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目，得到迅速發(fā)展。我國(guó)風(fēng)力發(fā)電從20世紀(jì)80年代開(kāi)始真正起步。20世紀(jì)70年代末80年代初，我國(guó)自主開(kāi)發(fā)研制并批量生產(chǎn)了額定容量10kW以下的小型風(fēng)電機(jī)組，解決了居住分散的農(nóng)牧民和島嶼居民的生產(chǎn)生活用電。1986年5月，山東榮成建成了我國(guó)第一個(gè)并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)。20世紀(jì)80年代中期以后，我國(guó)先后從丹麥、比利時(shí)、瑞典、美國(guó)、德國(guó)引進(jìn)一批中、大型風(fēng)電機(jī)組，在新疆、內(nèi)蒙古的風(fēng)口及山東、浙江、福建、廣東的島嶼建立了 8座示范性風(fēng)電場(chǎng)。

1.1.2 風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀與前景

1.世界風(fēng)電

（1）風(fēng)電成本

不考慮常規(guī)電力環(huán)境成本，根據(jù)目前的風(fēng)電技術(shù)水平，風(fēng)電成本仍高于常規(guī)電力成本，因此許多國(guó)家采取了諸如價(jià)格、市場(chǎng)配額、稅收等各種激勵(lì)政策，從不同的方面引導(dǎo)和支持風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展。經(jīng)過(guò)30年的努力，隨著市場(chǎng)不斷擴(kuò)展，風(fēng)電成本大幅度下降，每千瓦時(shí)風(fēng)電成本由20世紀(jì)80年代初的20美分下降到2007年的4～6美分。在風(fēng)能資源較好的地方，風(fēng)電價(jià)格完全可以和煤電競(jìng)爭(zhēng)，低于燃?xì)怆妰r(jià)。

（2）裝機(jī)容量高速增長(zhǎng)

根據(jù)全球風(fēng)能協(xié)會(huì)公布的 2003～2007年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，全球風(fēng)電平均增長(zhǎng)率為24.7%。到2007年年底，全球總裝機(jī)容量累計(jì)達(dá)到近94GW，新增風(fēng)電裝機(jī)容量20GW，分布在全球70多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。2007年全球大約生產(chǎn)了2000億度風(fēng)電電力，約占全球電力供應(yīng)的1%。按照累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量數(shù)據(jù)排名，2007年，全球前十名的國(guó)家依次是德國(guó)、美國(guó)、西班牙、印度、中國(guó)、丹麥、意大利、法國(guó)、英國(guó)和葡萄牙。2008年全球新增裝機(jī)容量超過(guò)27GW，同比增長(zhǎng)42%，風(fēng)電裝機(jī)增長(zhǎng)率為29%，高于過(guò)去5年的平均增長(zhǎng)速度。2008年年底，總裝機(jī)容量達(dá)到了120.8 GW，美國(guó)超過(guò)德國(guó)，躍居全球風(fēng)電裝機(jī)容量首位，同時(shí)也成為第二個(gè)風(fēng)電裝機(jī)容量超過(guò) 20GW 的風(fēng)電大國(guó)。中國(guó)超過(guò)印度，成為亞洲第一、世界第四的風(fēng)電大國(guó)。到2008年年底，在世界風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量中，已有包括美國(guó)、中國(guó)、德國(guó)、西班牙、印度等在內(nèi)的16個(gè)國(guó)家超過(guò)1GW。在歐盟2007年新增發(fā)電裝機(jī)容量中，風(fēng)電開(kāi)始超過(guò)天然氣發(fā)電成為第一大新增電源，占新增容量的 46%。歐洲 2008年風(fēng)電新增裝機(jī)容量為88GW，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到了 66GW。美國(guó) 2007年新增的風(fēng)電裝機(jī)也僅次于天燃?xì)獍l(fā)電，位居第二。2008年內(nèi)美國(guó)竣工的風(fēng)電項(xiàng)目容量更是占當(dāng)年度美國(guó)所有新增電力裝機(jī)的42%，新增裝機(jī)容量達(dá)到8.34GW，同比增長(zhǎng)157%，累計(jì)增長(zhǎng)49.6%，完成新增投資170億美元。風(fēng)電在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)逐步成為重要的替代能源。

（3）發(fā)展規(guī)劃

20世紀(jì)90年代初，歐盟提出了大力發(fā)展風(fēng)電，到2010年風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到40GW的目標(biāo)，并要求其成員國(guó)根據(jù)總體發(fā)展規(guī)劃制訂本國(guó)的發(fā)展目標(biāo)與實(shí)施計(jì)劃。2007年年初，根據(jù)技術(shù)發(fā)展和能源需求的需要，歐盟又進(jìn)一步修訂了發(fā)展計(jì)劃，希望2010年風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到 80GW；到 2020年風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到 180GW，發(fā)電量達(dá)到3600億kW·h；2030年風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到300GW，發(fā)電量達(dá)到6 000×108 kW·h，分別占屆時(shí)歐盟發(fā)電裝機(jī)容量和發(fā)電量的35%和20%。2006年，美國(guó)可再生能源理事會(huì)提出了將可再生能源的比例由目前的4%左右，提高到2025年的25%的發(fā)展目標(biāo)。美國(guó)風(fēng)能協(xié)會(huì)也提出了未來(lái)依靠風(fēng)電滿足國(guó)內(nèi)20%電力需求的宏偉目標(biāo)。英國(guó)、法國(guó)、加拿大、澳大利亞、日本和東歐的波蘭等國(guó)也開(kāi)始加速發(fā)展風(fēng)電。

（4）發(fā)展前景

據(jù)全球風(fēng)能理事會(huì)預(yù)測(cè)：未來(lái)5年全球風(fēng)電還將保持20% 以上的增長(zhǎng)速度；到2012年，全球風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到240GW，年發(fā)電為5 000×108 kW·h，風(fēng)電電力約占全球電力供應(yīng)的3%；歐洲將繼續(xù)保持總裝機(jī)容量第一的位置，亞洲將會(huì)超過(guò)北美市場(chǎng)排在第二位；到 2012年，歐洲、亞洲和北美市場(chǎng)的風(fēng)電裝機(jī)容量預(yù)期為102GW、66GW 和 61.3GW，占全球市場(chǎng)的份額依次是 42.5%、27.5%和 25.5%，亞洲的市場(chǎng)份額明顯上升，其次是北美，而歐洲在全球風(fēng)電市場(chǎng)中的份額明顯下降；在亞洲和北美市場(chǎng)中增長(zhǎng)最快、貢獻(xiàn)最大的國(guó)家將是中國(guó)和美國(guó)。該機(jī)構(gòu)2006年所做的《2050年風(fēng)電發(fā)展展望》認(rèn)為，如果采取積極措施，2030年和2050年，世界風(fēng)電裝機(jī)將分別達(dá)到 210GW 和 300GW，發(fā)電量分別達(dá)到 50 000×108 kW·h 和80 000×108 kW·h。

2.我國(guó)風(fēng)電

（1）裝機(jī)容量

2004年年底，全國(guó)的風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量約為764MW。2005年2月《可再生能源法》頒布之后，當(dāng)年風(fēng)力發(fā)電新增裝機(jī)容量超過(guò) 60%，總?cè)萘窟_(dá)到了 1260GW。2006年新增裝機(jī)容量超過(guò)100%，累計(jì)裝機(jī)容量超過(guò)2.6GW。2007年又新增裝機(jī)容量3.3GW，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到5.9GW，超過(guò)丹麥，成為世界第5風(fēng)電大國(guó)。當(dāng)年裝機(jī)增量?jī)H次于美國(guó)和西班牙，超過(guò)德國(guó)和印度，成為世界上最主要的風(fēng)電市場(chǎng)之一。風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量從2003年年末的567MW增加到了2008年年末的12.21GW，增加了205倍。2008年新增裝機(jī)容量超過(guò)印度，成為亞洲第一、世界第四、風(fēng)電裝機(jī)容量超千萬(wàn)千瓦的風(fēng)電大國(guó)。2009年新增裝機(jī)容量 13.85GW，累計(jì)裝機(jī)容量為26GW，總裝機(jī)容量躍居世界第2位。

（2）風(fēng)電設(shè)備制造能力

風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)發(fā)展迅猛。2005年之前，我國(guó)只有少數(shù)幾家風(fēng)電設(shè)備制造商，它們規(guī)模小、技術(shù)落后，風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)主要依賴進(jìn)口。《可再生能源法》頒布后，風(fēng)電整機(jī)制造企業(yè)已超過(guò)40家。除金風(fēng)科技和浙江運(yùn)達(dá)加大投入、迅速擴(kuò)張之外，東方汽輪機(jī)、華銳風(fēng)電、中國(guó)船舶、通用電氣、湖南湘電、上海電氣、廣東明陽(yáng)、維斯塔斯、歌美颯、蘇司蘭、西門(mén)子等一批國(guó)內(nèi)外大型制造業(yè)和投資商紛紛進(jìn)入我國(guó)風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)市場(chǎng)。

（3）風(fēng)電技術(shù)研發(fā)

“九五”和“十五”期間，我國(guó)政府組織實(shí)施“乘風(fēng)計(jì)劃”和“國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃”，以及國(guó)債項(xiàng)目和風(fēng)電特許權(quán)項(xiàng)目，支持建立了首批6家風(fēng)電整機(jī)企業(yè)，進(jìn)行風(fēng)電技術(shù)的引進(jìn)和消化吸收，部分企業(yè)掌握了單機(jī)容量600kW和750kW定槳距風(fēng)電機(jī)組的總裝技術(shù)和關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化生產(chǎn)，邁出了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的第一步。“十五”期間，還開(kāi)展了1000kW、1500kW變速恒頻風(fēng)電機(jī)組，以及1200kW永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的研發(fā)與聯(lián)合攻關(guān)，取得階段性成果。經(jīng)過(guò)“十五”期間的自主研究和技術(shù)引進(jìn)，我國(guó)已基本掌握了以雙饋發(fā)電機(jī)為代表的變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的控制技術(shù)，研制成功兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組樣機(jī)。我國(guó)風(fēng)電技術(shù)與國(guó)外風(fēng)電技術(shù)的差距正在不斷縮小。

（4）發(fā)展前景

2005年，首個(gè)有關(guān)我國(guó)風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)的前瞻性報(bào)告《風(fēng)力12在中國(guó)》正式對(duì)外公布。該報(bào)告將風(fēng)力發(fā)電確定為我國(guó)電力事業(yè)未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)。報(bào)告指出，我國(guó)有能力在2020年實(shí)現(xiàn)40GW的風(fēng)電裝機(jī)容量，年發(fā)電量將達(dá)到800×108 kW·h，可以滿足8000萬(wàn)人的用電需求，同時(shí)每年可減少4800萬(wàn)噸的CO2排放量；風(fēng)電在電源結(jié)構(gòu)中屆時(shí)約占全國(guó)總發(fā)電裝機(jī)1000GW容量的2%～3%，總電量的1%～1.5%。世界風(fēng)電設(shè)備制造商和開(kāi)發(fā)商均認(rèn)為中國(guó)是世界上最具有發(fā)展前景的風(fēng)電市場(chǎng)。按照歐盟的經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量在2010年和2020年分別達(dá)到30GW和150GW是完全有技術(shù)和市場(chǎng)保證的。我國(guó)風(fēng)電裝備制造業(yè)的情況可能更加樂(lè)觀。根據(jù)中國(guó)可再生能源專業(yè)委員會(huì)推斷，2012年我國(guó)風(fēng)電裝備制造能力將達(dá)到 10～15GW。除了能夠滿足我國(guó)風(fēng)電市場(chǎng)的需求之外，還有可能成為世界主要的風(fēng)電裝備制造基地，開(kāi)始向美國(guó)、歐洲等地區(qū)出口。

我國(guó)風(fēng)電發(fā)展面臨無(wú)限的機(jī)遇，到2020年將超過(guò)核電成為第三大主力發(fā)電電源。2030年以后，水能資源大部分將開(kāi)發(fā)完，近海風(fēng)電市場(chǎng)進(jìn)入大規(guī)模開(kāi)發(fā)時(shí)期。在2050年前后，風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到或超過(guò)400GW，超過(guò)水電，成為第二大主力發(fā)電電源。因此，風(fēng)力發(fā)電未來(lái)可能成為我國(guó)的主要戰(zhàn)略能源之一。以上海海上風(fēng)電規(guī)劃建設(shè)為例，總裝機(jī)容量為5950MW，如表1-3所示。

1.1.3 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì)

隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組容量更大、近海風(fēng)電技術(shù)、新型結(jié)構(gòu)和材料、直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)、變槳變速恒頻發(fā)電技術(shù)成為世界風(fēng)電機(jī)組技術(shù)發(fā)展的新態(tài)勢(shì)。

1.機(jī)組容量

近20年來(lái)，隨著國(guó)際上大型風(fēng)電機(jī)組技術(shù)日趨成熟，風(fēng)電機(jī)組技術(shù)正朝著提高單機(jī)容量、減輕單位千瓦質(zhì)量、提高轉(zhuǎn)換效率的方向發(fā)展。大功率風(fēng)電機(jī)組的研制與開(kāi)發(fā)始于1970年年末到1980年年初。但在1980年以前，比較成熟的商用機(jī)型的功率都在100kW以下，到1980年年末至1990年年初，商用機(jī)型的功率范圍擴(kuò)展到150～450kW，1990年年末，擴(kuò)大到600～750kW。從1999年至今，功率范圍為1.3～5MW。目前，世界上兆瓦級(jí)的風(fēng)電機(jī)組已具備了商業(yè)化價(jià)值，2～3MW的風(fēng)電機(jī)組已成為國(guó)內(nèi)外風(fēng)電市場(chǎng)的主流機(jī)型：美國(guó)的主流機(jī)型是1.5MW風(fēng)電機(jī)組；丹麥主流機(jī)型是2.0～3.0MW風(fēng)電機(jī)組。在我國(guó)，到2007年年底，兆瓦級(jí)以上的已安裝風(fēng)電機(jī)組數(shù)量超過(guò)1000臺(tái)，占新安裝機(jī)組市場(chǎng)份額的95.7%，累計(jì)份額接近30%，絕大部分都是在最近兩年內(nèi)安裝的。世界上已經(jīng)運(yùn)行的最大風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到5MW，風(fēng)力機(jī)葉輪直徑為126m。8～10MW的風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)開(kāi)始設(shè)計(jì)和制造。風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪直徑變化圖如圖1-1所示。

美國(guó)已經(jīng)成功研制7MW風(fēng)電機(jī)組，英國(guó)正在研制10MW的風(fēng)電機(jī)組。預(yù)計(jì)到2020年，將會(huì)有20MW、30MW乃至40MW的風(fēng)電機(jī)組面世。我國(guó)生產(chǎn)的3MW雙饋海上風(fēng)電機(jī)組和2.5MW直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組已成功并網(wǎng)發(fā)電。我國(guó)某高校自主研制了3MW雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)電機(jī)組樣機(jī)，其主要技術(shù)指標(biāo)及其參數(shù)如表1-4所示。

2.近海風(fēng)電技術(shù)發(fā)展迅猛

陸上風(fēng)電場(chǎng)需要占用土地，而且噪聲會(huì)給周圍居民生活帶來(lái)不便，這些問(wèn)題已逐漸顯露。在不斷降低風(fēng)力發(fā)電成本和擴(kuò)大可經(jīng)濟(jì)利用的風(fēng)能資源量的目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下，國(guó)際上風(fēng)電機(jī)組技術(shù)不斷向海上專用風(fēng)電機(jī)組發(fā)展。風(fēng)電場(chǎng)建在海上，不僅解決了占用陸地土地資源的問(wèn)題，同時(shí)利用海上得天獨(dú)厚的廣闊空間和豐富的風(fēng)能資源（為陸上的3倍），可以進(jìn)行規(guī)模化生產(chǎn)，從而降低風(fēng)力發(fā)電的成本。由于海上風(fēng)電與陸地風(fēng)電的差異性，近海風(fēng)電技術(shù)為海上風(fēng)電的順利發(fā)展提供了技術(shù)保障。歐洲未來(lái)的海上發(fā)展計(jì)劃：2010年裝機(jī)容量為3.5GW；2020年裝機(jī)容量為35GW；2030年裝機(jī)容量為130GW，屆時(shí)，海上風(fēng)電將占?xì)W洲總發(fā)電量的10%。美國(guó)也計(jì)劃建立本國(guó)的第一個(gè)容量為420MW的近海風(fēng)電場(chǎng)，位于馬薩諸塞海岸對(duì)面的南度克（Nantucket）島附近。我國(guó)首個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)落戶東海大橋附近海域，由34臺(tái)3MW的風(fēng)電機(jī)組組成，每年發(fā)電量約為2×108 kW·h。

我國(guó)還規(guī)劃在浙江慈溪、臨海、岱山、江蘇鹽城、山東青島建設(shè)近海風(fēng)電場(chǎng)。到2020年，全國(guó)規(guī)劃海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量超過(guò)15 000MW。目前，海上風(fēng)電機(jī)組安裝及規(guī)劃主要在潮間帶（水深在5m以內(nèi)，機(jī)組的基礎(chǔ)在漲潮時(shí)被水淹沒(méi)）、近海（水深在5～50m之間）和深海（水深超過(guò)50m）。

3.新型結(jié)構(gòu)和新應(yīng)用材料

盡管風(fēng)電機(jī)組技術(shù)近年來(lái)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是從技術(shù)商業(yè)化程度看，風(fēng)電機(jī)組壽命較短，難以保證使用壽命達(dá)到20年。因此，有必要通過(guò)改進(jìn)機(jī)構(gòu)提高轉(zhuǎn)子可靠性，優(yōu)化設(shè)計(jì)風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)，選用新材料、可變速轉(zhuǎn)子和先進(jìn)的控制裝置等，減輕負(fù)荷和減少風(fēng)電機(jī)組的質(zhì)量和零部件成本。目前，國(guó)際上大規(guī)模安裝的 2.5～3.5MW風(fēng)電機(jī)組，普遍采用輕質(zhì)高性能的玻璃纖維葉片，5～10MW風(fēng)電機(jī)組葉片則采用碳纖維材料。

4.直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)

近幾年，直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展迅速，避免了齒輪箱傳動(dòng)環(huán)節(jié)和部件，能有效減少由于齒輪箱問(wèn)題而造成的風(fēng)電機(jī)組故障，使風(fēng)電機(jī)組的可靠性和效率更高，增加了系統(tǒng)運(yùn)行的壽命，大大減少維護(hù)成本。因此，這種無(wú)齒輪箱直驅(qū)式全功率變流風(fēng)電技術(shù)得到快速發(fā)展，涉及的技術(shù)關(guān)鍵為永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的密封、安裝及防止退磁等。

無(wú)齒輪箱直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)軸直接連接到葉輪軸上，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速改變而改變，輸出交流電的頻率也隨之變化，需要經(jīng)過(guò)大功率電力電子變換器，將頻率不定的交流電整流成直流電，再逆變輸出與電網(wǎng)同頻率的交流電。國(guó)際先進(jìn)的無(wú)齒輪箱直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原理多沿用低速多極永磁發(fā)電機(jī)的原理，并使用一臺(tái)全功率變頻器將頻率變化的風(fēng)電送入電網(wǎng)。

永磁發(fā)電機(jī)與電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)相比，具有效率高、能量密度大和可靠等特點(diǎn)，再結(jié)合永磁材料性能不斷在提高、價(jià)格卻處于下降趨勢(shì)，以及全功率器件價(jià)格不斷下降，使得開(kāi)發(fā)基于全功率變換器的可變速直接驅(qū)動(dòng)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)越來(lái)越具有吸引力。考慮到單位造價(jià)或年產(chǎn)出能力，業(yè)界也采用一級(jí)增速齒輪箱（半直驅(qū)）的變速永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)（如Multibrid 5MW和Win Wind 3MW永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)），以及多級(jí)齒輪增速箱的永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)（如GE Wind 2MW和Zephyros 2MW永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)）。

德國(guó)沙爾蘭工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)的直驅(qū)型永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、永磁勵(lì)磁、蒸發(fā)冷卻、新型輪轂發(fā)電方式，省去了滑環(huán)和直流電源，發(fā)電機(jī)的磁鐵系統(tǒng)放在輪轂內(nèi)，整機(jī)質(zhì)量為現(xiàn)有同類直驅(qū)機(jī)型的60%，效率卻提高3%左右。

5.變槳變速恒頻發(fā)電技術(shù)

與恒速運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相比，變速運(yùn)行可以按照捕獲最大風(fēng)能的要求，在風(fēng)速變化的情況下實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使之始終運(yùn)行在最佳轉(zhuǎn)速上，具有減小機(jī)組機(jī)械應(yīng)力、增加風(fēng)能捕獲、對(duì)風(fēng)速變化的適應(yīng)性好、生產(chǎn)成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)。德國(guó)Enercon公司和丹麥Vestas公司生產(chǎn)的變速風(fēng)電機(jī)組數(shù)量處于世界領(lǐng)先位置。

變槳距優(yōu)于定槳距在于機(jī)組啟動(dòng)性能好，輸出功率穩(wěn)定，機(jī)組結(jié)構(gòu)受力載荷小。另外，在風(fēng)速高于切出風(fēng)速時(shí)，還可通過(guò)槳葉順槳，保護(hù)風(fēng)電機(jī)組不受到損壞，以增加風(fēng)電機(jī)組的使用壽命。變槳機(jī)構(gòu)已由同步變槳向智能獨(dú)立變槳發(fā)展。但不足之處在于，因增加了變槳裝置，故障率加大，控制程序比較復(fù)雜。

由于變槳距功率調(diào)節(jié)方式具有載荷控制平穩(wěn)、安全、高效等優(yōu)點(diǎn)，變槳距功率可調(diào)節(jié)型及雙饋異步風(fēng)電機(jī)組技術(shù)發(fā)展迅速。兆瓦級(jí)以下風(fēng)電機(jī)組中仍廣泛采用失速調(diào)節(jié)技術(shù)方式，兆瓦級(jí)以上風(fēng)電機(jī)組普遍采用變槳變速恒頻先進(jìn)技術(shù)。2006年，全球所安裝的風(fēng)電機(jī)組有92%采用了變速恒頻技術(shù)，而且該比例還在逐漸增大。

6.風(fēng)電場(chǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用

由于風(fēng)電場(chǎng)一般包括數(shù)十臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，因此對(duì)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)集中管理與優(yōu)化控制顯得尤為重要。普通以太網(wǎng)使用光纖通信，而對(duì)于大型風(fēng)電場(chǎng)，隨著風(fēng)電機(jī)組數(shù)量的增加，勢(shì)必增加布線費(fèi)用，并且當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)需要改建或擴(kuò)充時(shí)，過(guò)多的通信線路會(huì)占用很多空間，造成鋪設(shè)困難等。風(fēng)電場(chǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)一般都采用有線方式，成本較高。基于無(wú)線局域網(wǎng)的風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了每一臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的聯(lián)網(wǎng)，降低了布線難度和維護(hù)成本。