摘 要：風力發(fā)電是新能源中技術最成熟的、最具規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式，目前其發(fā)電成本已接近常規(guī)發(fā)電方式。中國的風能資源十分豐富。目前，我國的并網型風機主要由國外廠家提供的，大型風機也只能依賴進口或者與外商合作生產。在風機制造水平上，我國生產的最大風電機組功率為750千瓦，國際主流機型兆瓦級風電設備在我國還處于研發(fā)階段。但可以預計，隨著兆瓦級風電設備的國產化和成功應用推廣，中國即將成為世界風電發(fā)展最令人矚目的國家之一。 　　前我國已經探明的風能儲量約為3226GW，其中可利用風能約為253GW，主要分布在西北、華北、東北的草原和戈壁以及東部和東南沿海及島嶼上。 　　表1 截止到2003年底我國風電場和運行風力發(fā)電機組統(tǒng)計表 　　我國風電場和運行風力發(fā)電機組統(tǒng)計表 　　截止到2003年底，中國已建成并網型風電場40座，累計運行風力發(fā)電機組1042臺，總容量達567.02MW（以完成整機吊裝作為統(tǒng)計依據(jù)），具體如表1所示。 　　已經建成并網發(fā)電的風場的主要分布在新疆、內蒙、廣東、浙江、遼寧等地，其分布示意如圖1所示。 [align=center] 圖1 中國已建（待建）風場分布圖[/align] 1 國內外發(fā)展狀況 　　和其他國家相比較，我國的并網型風力發(fā)電的進展比較緩慢，風力發(fā)電僅占全國總裝機容量的0.14%，盡管已經建立了40座風電場，但是平均每個風電場的裝機容量不足1.5萬千瓦，還未形成規(guī)模，圖2是德國，美國，西班牙以及我國的風電裝機容量的對比圖。 [align=center] 圖2 2003年年底部分國家風電裝機容量圖 圖3我國目前已裝機的國產化比例[/align] 　　另外一方面，由于各方面條件的制約，我國并網風力發(fā)電技術的研究和開發(fā)與世界先進水平相比，差距甚大，也遠遠落后于我國風電場建設的要求。特別是我國資金短缺，尚不能在風電場建設方面大量投資，因此這一市場目前基本上是由外國占據(jù)著，已裝機的87%是從國外引進的設備。 　　目前，我國的并網型風機主要由Bonus，Vestas，NEG-Micon、Nordtank、Nordex，Gamesa等國外廠家提供的，在風機制造水平上，已經成為國際主流機型的兆瓦級機型在中國還處于研發(fā)階段，本土化生產的最大風電機組功率僅為750千瓦。目前大型風機只能依賴進口或者與外商合作生產。我國的累計風電機組數(shù)量和裝機容量分配圖如圖4和圖5所示。 [align=center] 圖4 我國風電設備的機組數(shù)量分配圖 圖5 我國風電設備的機組容量分配圖[/align] 　　圖6是2003年新增機組容量分配統(tǒng)計圖，從該圖上我們可以清楚的看到，國產化取得一定的成果，但是總體上，還是進口產品的占有統(tǒng)治地位。 　　截止到2003年底，我國累計運行中的風力發(fā)電機組以600kW為主，共有497套，1MW（含）以上的機組共有16套，處于600kW（含）-1000kW（不含）這個范圍內的機組占總數(shù)的65%，包括660kW、750kW以及850kW幾個功率等級，具體分布如圖7所示。 [align=center] 圖6 2003年當年風電市場份額分配圖 圖7 風電設備容量分布圖[/align] 　　我國開始建設的風電，大約9000-10000元/千瓦，后來部分國產化以后，造價降到7000元左右/千瓦。以600 千瓦風電機組為例，幾個主要部件進行價格如下：①齒輪箱（從18 轉左右增到1500 轉）。進口約60萬元，國產約18萬元一臺。②發(fā)電機（4 極1500 轉600 千瓦）。進口約58 萬元國產約13～18 萬元。③風葉。國產約每只18萬元，價格大概是進口產品的1/3～1/2。而對于變速風機還需加上變頻器的價格，大約1000～1500元/kW，對于雙饋變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)來說，變頻器的容量大約是整個系統(tǒng)容量的1/3左右，即變頻器占整個系統(tǒng)成本的不到十分之一。 　　圖8是來源于中國新疆金風公司風力發(fā)電機組的成本統(tǒng)計數(shù)字。 　　圖9是風力發(fā)電機組從籌劃到投入使用時成本比例示意圖。 [align=center] 圖8 機組容量同機組千瓦造價的函數(shù)關系（U形曲線）[/align] [align=center] 圖9完整的風力發(fā)電機組的成本[/align] 2 風電設備關鍵技術 　　風力發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)電機是能量轉換的核心部分，風力發(fā)電機系統(tǒng)按照發(fā)電機運行的方式來分主要有恒速恒頻風力發(fā)電機系統(tǒng)和變速恒頻風力發(fā)電機系統(tǒng)兩大類。恒速恒頻風力發(fā)電機系統(tǒng)一般使用同步電機或者鼠籠式異步電機作為發(fā)電機，通過定槳距失速控制的風輪機使發(fā)電機的轉速保持在恒定的數(shù)值繼而保證發(fā)電機端輸出電壓的頻率和幅值的恒定，其運行范圍比較窄。 　　變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)通過變槳距控制風輪使整個系統(tǒng)在很大的速度范圍內按照最佳的效率運行，這是當前風力發(fā)電發(fā)展的一個趨勢。變速系統(tǒng)主要分為同步發(fā)電機系統(tǒng)和異步發(fā)電機系統(tǒng)。其中同步發(fā)電機系統(tǒng)包括永磁同步發(fā)電機系統(tǒng)和電勵磁同步發(fā)電機系統(tǒng);異步發(fā)電機系統(tǒng)主要是繞線異步發(fā)電機系統(tǒng)。永磁同步發(fā)電機是利用永久磁鐵取代轉子勵磁磁場，其結構比較簡單、牢固。永磁同步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)是通過控制一套整流逆變裝置，將發(fā)電機輸出的變頻變壓交流電轉換為滿足電網要求的恒頻恒壓交流電。其典型結構圖10所示。 　　采用電勵磁的同步風力發(fā)電系統(tǒng)如圖11所示，發(fā)電機定子通過變頻器和電網相連接，轉子采用AC/DC整流裝置給發(fā)電機提供勵磁。發(fā)電機可以采用變速箱驅動，也可以使用直接驅動。 [align=center] 圖10 永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)結構框圖 圖11 電勵磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)結構框圖[/align] 　　目前，兆瓦級風力發(fā)電機組普遍采用繞線式異步電機的變速恒頻風力系統(tǒng)。其典型結構是采用雙饋異步發(fā)電機的系統(tǒng)，如圖12所示。這是一種比較合適的變速恒頻方案，該結構定子和電網直接相連接，轉子和功率變換器相連接，通過變換器的功率僅僅是轉差功率，雙饋調速將轉差功率回饋到電機軸或者電網，這是各種傳動系統(tǒng)中效率比較高的。該結構適合于調速范圍不寬的風力發(fā)電系統(tǒng)，尤其是大、中容量的風力發(fā)電系統(tǒng)。 　　截至到2003年底，我國累計裝機的變速風力發(fā)電機的比例還比較低，僅占總容量的6%，分別是Gemesa甘肅玉門風場的12臺G42，上海奉賢風場的4臺G52以及VESTAS裝在遼寧省彰武風電場和康平風電場各12臺V52，已經裝機的變速系統(tǒng)全部為雙饋變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)。另外還有部分Vestas的變滑差風力發(fā)電系統(tǒng)。 　　雙饋異步變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)按照轉子變頻器拓撲結構主要可以分為交交變頻器、矩陣變換器和交直交變頻器三大類。交交變頻器采用晶閘管自然換流方式，工作穩(wěn)定，可靠，適合作為雙饋電機轉子繞組的變頻器電源，交交變頻的最高輸出頻率是電網頻率的1/3～1/2，在大功率低頻范圍有很大的優(yōu)勢。交交變頻沒有直流環(huán)節(jié)，變頻效率高，主回路簡單，不含直流電路及濾波部分，與電源之間無功功率處理以及有功功率回饋容易。雖然交交變頻雙饋系統(tǒng)得到了普遍的應用，但因其功率因數(shù)低，高次諧波多，輸出頻率低，變化范圍窄，使用元件數(shù)量多使之應用受到了一定的限制。矩陣式變頻器是一種交交直接變頻器，由九個直接接于三相輸入和輸出之間的開關陣組成。矩陣變換器沒有中間直流環(huán)節(jié)，輸出由三個電平組成，諧波含量比較小;其功率電路簡單、緊湊，并可輸出頻率、幅值及相位可控的正弦負載電壓;矩陣變換器的輸入功率因數(shù)可控，可在四象限工作。雖然矩陣變換器有很多優(yōu)點，但是在其換流過程中不允許存在兩個開關同時導通的或者關斷的現(xiàn)象，實現(xiàn)起來比較困難。矩陣變換器最大輸出電壓能力低，器件承受電壓高也是此類變換器一個很大缺點。應用在風力發(fā)電中，由于矩陣變換器的輸入輸出不解耦，即無論是負載還是電源側的不對稱都會影響到另一側。另外，矩陣變換器的輸入端必須接濾波電容，雖然其電容的容量比交直交的中間儲能電容小，但由于它們是交流電容，要承受開關頻率的交流電流，其體積并不小。目前利用矩陣變換器的雙饋異步風力發(fā)電系統(tǒng)還處于研究開發(fā)階段。交直交變頻器又可以分為電壓型和電流型兩種，由于控制方法和硬件設計等各種因素，電壓型逆變器應用比較廣泛。傳統(tǒng)的電流型交直交變頻器采用自然換流的晶閘管作為功率開關，其直流側電感比較昂貴，而且應用于雙饋調速中，在過同步速時需要換流電路，在低轉差頻率的條件下性能也比較差，在雙饋異步風力發(fā)電中應用的不多。采用電壓型交直交變頻器這種整流變頻裝置具有結構簡單、諧波含量少、定轉子功率因數(shù)可調等優(yōu)異特點，可以明顯地改善雙饋發(fā)電機的運行狀態(tài)和輸出電能質量，并且該結構通過直流母線側電容完全實現(xiàn)了網側和轉子側的分離，是目前變速恒頻風力發(fā)電的一個代表方向。 　　截止2003年底，中國所有裝機的風力發(fā)電機組都是690V的低壓機組，沒有中高壓機組，變速機組中所采用的變頻器絕大部分為兩電平電壓型交直交變頻器。Rockwell公司的PowerFlex7000是采用SGCT的電流源變流器，適用于中壓電機，而風力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電機為690伏，電壓等級不適用，如果應用在雙饋變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)中，電壓匹配需要做調整。為了保證轉子側的功率因數(shù)，需要采用有源前端，并且要滿足電網對發(fā)電機諧波的要求。另外，雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)經常需要運行在同步速度附近，PowerFlex7000在低速和零速的性能需要改進。 3 前景展望 　　中國風力發(fā)電產業(yè)的發(fā)展實際是從小型風力發(fā)電機組開始，并由小及大的。我國小型風力發(fā)電的技術比較成熟，能夠自行研發(fā)容量從100W到10kW的風力發(fā)電機組，累計保有量已經居于世界第一位。離網型風電經過20多年的發(fā)展，為農村電氣化做出巨大貢獻，到2001年底，開發(fā)和生產離網風電機組的單位共有43個，其中科研機構16個、主機生產企業(yè)17個，配套生產企業(yè)10個，年生產能力超過3萬臺。主要產品品種有100W、150W、200W、300W、500W、600W、1kW、2kW、5kW、10kW風電機組等。2001年全國共生產各種型號的離網型風電機組12170臺（約2577千瓦）。產品以150W機組為多，占總產量的41.45%，其次是100W和300W機組，分別占總產量的27.29%和19.8%。用戶對產品的需求仍是以300W以下機組為主。全國累計到2001年底共生產了離網型風電機組約21萬臺。同時，中國企業(yè)通過合資、合作等形式引進了國外公司的離網型風電機組技術。如內蒙華德新技術公司與德國WENUS公司合作，生產出5kW風電機組，并成功地在新疆、內蒙古、廣東等地安裝了20多臺（套），該機組或風力/柴油/蓄電池獨立供電系統(tǒng)、風力提水系統(tǒng)及電視差轉臺風力供電系統(tǒng)，很好地解決了當?shù)厝嗣袢罕姷纳詈蜕a用電。內蒙古天力風力機械廠引進法國AEROWATT公司的一個系列7個品種的風力發(fā)電機組，其中51kW機組全部國產化。內蒙古商都牧機廠與瑞典斯維阿勃（SVIAB）公司合作生產了SVLAB065—24型風力發(fā)電機組。湖南湘潭電機廠和美國BERGEY公司成立了合資公司，生產600W、1kW風電機組。 　　離網風電現(xiàn)在進入穩(wěn)定的產業(yè)化發(fā)展時期，與國外同類型機組相比，我國產品具有啟動風速低、低速發(fā)電性好、限速可靠、運行平穩(wěn)等優(yōu)點，而且價格便宜。但在外觀質量、葉片材料的應用和制作工藝水平上以及在較大容量的離網型機組的生產制造技術方面，還存在一定差距。 　　中國政府為了推動并網風電的商業(yè)化發(fā)展，2003年9月國家發(fā)改委明確提出我國風電發(fā)展的規(guī)劃目標：2005年全國風電裝機容量達到100萬千瓦，2010年全國風電裝機容量達到400萬千瓦，2015年全國風電裝機容量達到1000萬千瓦，2020年全國風電裝機容量達到2000萬千瓦，占全國總裝機容量的2%左右。這就意味著在今后5年時間內，每年平均裝機容量需達到近60萬千瓦，2010到2015年，需達到近120萬千瓦，2015到2020年，需達到近200萬千瓦?？梢灶A計，中國即將成為世界風電發(fā)展最令人矚目的國家之一。