1、引言 目前我國已經(jīng)探明的風(fēng)能儲(chǔ)量約為3226GW，其中可利用風(fēng)能約為253GW，主要分布在西北、華北和東北的草原和戈壁以及東部和東南沿海及島嶼上。 截止到2003年底，我國己建成并網(wǎng)型風(fēng)電場(chǎng)40座，累計(jì)運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組1042臺(tái)，總?cè)萘窟_(dá)567.02MW（以完成整機(jī)吊裝作為統(tǒng)計(jì)依據(jù)），具體如表1所示。 已經(jīng)建成并網(wǎng)發(fā)電的M場(chǎng)的主要分布在新疆、內(nèi)蒙、廣東、浙江、遼寧等地。 2、國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 和其他國家相比較，我國的并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電的進(jìn)展比較緩慢，風(fēng)力發(fā)電僅占全國總裝機(jī)容量的0.14％，盡管已經(jīng)建立了40座風(fēng)電場(chǎng)．但是平均每個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的裝機(jī)容量不足l.5萬KW，還末形成規(guī)模，圖1是德國，美國、西班牙以及我國的風(fēng)電裝機(jī)容量的對(duì)比圖。 [ALIGN=CENTER]表1截止到2003年底我國風(fēng)電場(chǎng)和運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組統(tǒng)計(jì)表 圖1 2003年部分國家風(fēng)電裝機(jī)容量圖 新華網(wǎng)2004.5.15《風(fēng)力發(fā)電有望成為中國應(yīng)對(duì)能源挑戰(zhàn)的新出路》[/ALIGN] 另外“方面，由于各方山條件的制約，我國并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究和開發(fā)與世界先進(jìn)水平相比，差距甚大，電遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后丁我國風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的要求。特別是我田資金短缺，尚不能在風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)方而大量投資，因此這一市場(chǎng)目前基本上是由外國占據(jù)著，已裝機(jī)的87％是從國外引進(jìn)的設(shè)備，見圖2。 [ALIGN=CENTER] 圖2我國目前已裝機(jī)的國產(chǎn)化比例[/ALIGN] 目前，我國的并網(wǎng)型風(fēng)機(jī)土要由Bonus、Vestas、NEG-Micon、Nordtank、Nordex、Gamesa等境外廠家提供的，在風(fēng)機(jī)制造水平上，已經(jīng)成為國際主流機(jī)型的兆瓦級(jí)機(jī)型在中國還處于研發(fā)階段，本土化生產(chǎn)的最大風(fēng)電機(jī)組功率僅為750kW。目前大型風(fēng)機(jī)只能依賴進(jìn)口或與外商合作生產(chǎn)。我國的累計(jì)風(fēng)電機(jī)組數(shù)量和裝機(jī)容量分配圖如圖3和圖4所示。 [ALIGN=CENTER] 圖3我國風(fēng)電設(shè)備的機(jī)組數(shù)量分配圖[/ALIGN] [ALIGN=CENTER] 圖4 我國風(fēng)電設(shè)備的機(jī)組客暈分配圖[/ALIGN] 圖5是2003年新增機(jī)組容量分配統(tǒng)汁圖，從該圖上我們可以清楚的看到，國產(chǎn)化取得定的成果，但是總體上，還是進(jìn)口產(chǎn)品的占有統(tǒng)治地位。 [ALIGN=CENTER] 圖5 2003年風(fēng)電市場(chǎng)份額分配圖[/ALIGN] 截至到2003年底，我國累計(jì)運(yùn)行中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組以600 kW為主，共有497套，l MW（含）以上的機(jī)組共有16套，處于600 kW（含）～l 000 kW（不含）這個(gè)范圍內(nèi)的機(jī)組占總數(shù)的65％，包括660 kW、750 kW以及850kW幾個(gè)功率等級(jí)，具體分布如圖6所示。 [ALIGN=CENTER] 圖6風(fēng)電設(shè)備容量分布圖[/ALIGN] 我國開始建設(shè)的風(fēng)電，大約9000～10000元/kW，后來部分國產(chǎn)化以后，造價(jià)降到7000元左右/kW。以600 kW風(fēng)電機(jī)組為例，幾個(gè)主要部件進(jìn)行價(jià)格如下：①齒輪箱（從18 r/min左右增到l500 r/min）。進(jìn)口約60萬元、國產(chǎn)約18萬元一臺(tái)。②發(fā)電機(jī)（4極1500r／min600kW）。進(jìn)口約58萬元、國產(chǎn)約13～18萬元。③風(fēng)葉。國產(chǎn)約每只18萬元，價(jià)格大概是進(jìn)口產(chǎn)品的1/3～1/2。而對(duì)于變速風(fēng)機(jī)還需加上變頻器的價(jià)格，大約l000～1500元/kW，對(duì)于雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)來說，變頻器的容量大約是整個(gè)系統(tǒng)容量的1/3左右，即變頻器占整個(gè)系統(tǒng)成本的不到1/10。圖7 是來源于我國新疆金風(fēng)公司風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的成本統(tǒng)計(jì)數(shù)字。圖8是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從籌劃到投入使用時(shí)成本比例示意圖。 [ALIGN=CENTER] 圖7 機(jī)組容量同機(jī)組千瓦造價(jià)的函數(shù)關(guān)系（U形曲線）[/ALIGN] [ALIGN=CENTER] 圖8 完整的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的成本[/ALIGN] 3、風(fēng)電設(shè)備關(guān)鍵技術(shù) 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)是能量轉(zhuǎn)換的核心部分。風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)按照發(fā)電機(jī)運(yùn)行的方式來分，主要有恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)兩大類。恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般使用同步式或者籠式異步式作為發(fā)電機(jī)，通過定槳距失速控制的風(fēng)輪機(jī)使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速保持在恒定的數(shù)值繼而保證發(fā)電機(jī)端輸出電壓的頻率和幅值的恒定，其運(yùn)行范圍比較窄。 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通過變槳距控制風(fēng)輪使整個(gè)系統(tǒng)在很大的速度范圍內(nèi)按照最佳的效率運(yùn)行，這是當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。變速系統(tǒng)主要分，同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。其中同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)包括永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)；異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)主要是繞線異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。永磁同步發(fā)電機(jī)是利用永久磁鐵取代轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)，其結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、牢同。永磁同步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)，發(fā)電系統(tǒng)是通過控制套整流逆變裝置．將發(fā)電機(jī)輸出的變頻變壓交流電轉(zhuǎn)換為滿足電網(wǎng)要求的恒頻恒壓交流電，其典型結(jié)構(gòu)圖9所示。 [ALIGN=CENTER] 圖9永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖[/ALIGN] 采用電勵(lì)磁的同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)如圖10所示。發(fā)電機(jī)定子通過變頻器和電網(wǎng)相連接，轉(zhuǎn)子采用AC/DC整流裝置給發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁。發(fā)電機(jī)可以采用變速箱驅(qū)動(dòng)，也可以使用直接驅(qū)動(dòng)。 [ALIGN=CENTER] 圖10 電勵(lì)磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖[/ALIGN] 目前，兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組普遍采用繞線式異步發(fā)電機(jī)的變速恒頻風(fēng)力系統(tǒng)。其典型結(jié)構(gòu)是采用雙饋異步發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)，如圖11所示。這是一種比較合適的變速恒頻方案，該結(jié)構(gòu)定子和電網(wǎng)直接相連接，轉(zhuǎn)予和功率變換器相連接，通過變換器的功率儀僅是轉(zhuǎn)差功率，雙饋調(diào)速將轉(zhuǎn)差功率回饋到發(fā)電機(jī)軸或者電網(wǎng)，這是各種傳動(dòng)系統(tǒng)中效率比較高的。該結(jié)構(gòu)適合于調(diào)速范圍不寬的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，尤其是大、中容量的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。 [ALIGN=CENTER] 圖11 雙饋電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖[/ALIGN] 截至到2003年底，我國累計(jì)裝機(jī)的變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)的比例還比較低，僅占總?cè)萘康?％，分別是甘肅玉門風(fēng)場(chǎng)的12臺(tái)Gemesa G42，上海奉賢風(fēng)場(chǎng)的4臺(tái)G52以及VESTAS裝在遼寧省彰武風(fēng)電場(chǎng)和康平風(fēng)電場(chǎng)各12臺(tái)V52，已經(jīng)裝機(jī)的變速系統(tǒng)全部為雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。另外還有部分Vestas的變滑差風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。 雙饋異步變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)按照轉(zhuǎn)子變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要可以分為交交變頻器、矩陣變換器和變一直一交變頻器三大類。交一交變頻器采用晶閘管自然換流方式。工作穩(wěn)定，可靠，適合作為雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的變頻器電源，交一交變頻的最高輸出頻率是電網(wǎng)頻率的1/3～1/2，在大功率低頻范圍有很大的 優(yōu)勢(shì)。交一交變頻沒有直流環(huán)節(jié)，變頻效率高，主回路簡(jiǎn)單，不合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。雖然交一交變頻雙饋系統(tǒng)得到了普遍的應(yīng)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)量多使其應(yīng)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9個(gè)直接接于三相輸入和輸出之間的開關(guān)陣組成。矩陣變換器沒有中間直流環(huán)節(jié)，輸出由三電平組成，諧波含量比較小；其功率電路簡(jiǎn)單、緊湊，并可輸出頻率、幅值及相位可控的正弦負(fù)載電壓；矩陣變換器的輸人功率因數(shù)可控，可在四象限工作。雖然矩陣變換器有很多優(yōu)點(diǎn)，但是在其換流過程中不允許存在兩個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通的或者關(guān)斷的現(xiàn)象，實(shí)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(gè)很大缺點(diǎn)。應(yīng)用在風(fēng)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(fù)載還是電源側(cè)的不對(duì)稱都會(huì)影響到另一側(cè)。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(chǔ)能電容小，但由于它們是交流電容，要承受開關(guān)頻率的交流電流，其體積并不小。目前利坩矩陣變換器的雙饋異步風(fēng)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(shè)計(jì)等各種因素，電壓型逆變器應(yīng)用比較廣泛。傳統(tǒng)的電流型交—直—交變額器采用自然換流的晶閘管作為功率開關(guān)，其直流側(cè)電感比較昂貴，而且應(yīng)用于雙饋調(diào)速中，在過同步速叫需要換流電路，在低轉(zhuǎn)差頻率的條件下性能也比較差，在雙饋異步風(fēng)力發(fā)電中應(yīng)用的小多。采用電壓型交—直—交變頻器這種整流變頻裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、諧波含量少、定轉(zhuǎn)子功率因數(shù)可調(diào)等優(yōu)異特點(diǎn)，可以明顯地改善雙饋發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和輸出電能質(zhì)量，井且該結(jié)構(gòu)通過直流母線側(cè)電容完全實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)的分離，是目前變速恒頻風(fēng)力發(fā)電的個(gè)代表方向。 截止2003年底，中國所有裝機(jī)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組都是690V的低壓機(jī)組，沒有中高壓機(jī)組，變速機(jī)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。羅克韋爾公司的PowerFlex7000是采用SGCT的電流源變流器，適用于中壓發(fā)電機(jī)，而風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電機(jī)為690V，電壓等級(jí)不適用，如果應(yīng)用在雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，電壓匹配需要做調(diào)整。為了保證轉(zhuǎn)子側(cè)的功率因數(shù)，需要采用有源前端，并且要滿足電網(wǎng)對(duì)發(fā)電機(jī)諧波的要求。另外，雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)常需要運(yùn)行在同步速度附近，PowerFlex7000在低速和零速的性能需要改進(jìn)。 4、前景展望 我國風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展實(shí)際是從小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開始，并由小及大的。我國小型風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)比較成熟，能夠自行研發(fā)容量從0l～10 kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，累計(jì)保有量已經(jīng)居于世界第一位。離網(wǎng)型風(fēng)電經(jīng)過20多年的發(fā)展，為農(nóng)村電氣化做出巨大貢獻(xiàn)，到2001年底，開發(fā)和生產(chǎn)離網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組的單位共有43個(gè)，其中科研機(jī)構(gòu)16個(gè)、主機(jī)生產(chǎn)企業(yè)17個(gè)，配套生產(chǎn)企業(yè)10個(gè)，年生產(chǎn)能力超過3萬臺(tái)。主要產(chǎn)品品種有100W、150W、200W、300W、500W、600W、IkW、2kW、5 kW、10kW風(fēng)電機(jī)組等。2001年全國共生產(chǎn)各種型號(hào)的離網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組12170臺(tái)（約2577KW）。產(chǎn)品以150W機(jī)組為多，占總產(chǎn)量的41．45％，其次是100W和300W機(jī)組，分別占總產(chǎn)量的27.29％和19．8％。用戶對(duì)產(chǎn)品的需求仍足以300W以下機(jī)組為主。全國累計(jì)到2001年底共生產(chǎn)了離州型風(fēng)電機(jī)組約21萬臺(tái)。同時(shí)，我國企業(yè)通過合資、合作等形式引進(jìn)了國外公司的離網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組技術(shù)。如內(nèi)蒙華德新技術(shù)公司與德國WENUS公司合作，生產(chǎn)出5kW風(fēng)電機(jī)組，并成功地在新疆、內(nèi)蒙古、廣東等地安裝了20多臺(tái)（套），該機(jī)組或風(fēng)力／柴油／蓄電池獨(dú)立供電系統(tǒng)、風(fēng)力提水系統(tǒng)及電視差轉(zhuǎn)臺(tái)風(fēng)力供電系統(tǒng)，很好地解決了當(dāng)?shù)厝嗣袢罕姷呐；詈蜕a(chǎn)用電。內(nèi)蒙古天力風(fēng)力機(jī)械廠引進(jìn)法國AEROWATT公司的一個(gè)系列7個(gè)品種的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其中51 kW機(jī)組全部國產(chǎn)化。內(nèi)蒙古商都牧機(jī)廠與瑞典斯維阿勃（SVlAB）公司合作生產(chǎn)了SVLAB065—24型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。湖南湘潭電機(jī)廠和美國BERGEY公司成立了合資公司，生產(chǎn)600W、1kW風(fēng)電機(jī)組。 離網(wǎng)風(fēng)電現(xiàn)在進(jìn)入穩(wěn)定的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展時(shí)期，與國外同類型機(jī)組相比，我國產(chǎn)品具有起動(dòng)風(fēng)速低、低速發(fā)電性好、限速可靠、運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，而且價(jià)格便宜。但在外觀質(zhì)量、葉片材料的應(yīng)用和制作工藝水平上以及在較大容量的離網(wǎng)型機(jī)組的生產(chǎn)制造技術(shù)方面，還存在一定差距。 我國政府為了推動(dòng)并網(wǎng)風(fēng)電的商業(yè)化發(fā)展，2003年9月國家發(fā)改委叫確提出我國風(fēng)電發(fā)展的規(guī)劃目標(biāo)：2005年全國風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到100萬KW，2010年全國風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到400萬kW，2015年全國風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到1000萬KW，2020年全國風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到2000萬KW，占全國總裝機(jī)容量的2％左右。這就意味著在今后5年時(shí)問內(nèi)，每年平均裝機(jī)容量需達(dá)到近60萬kW，2010～2015年，需達(dá)到近120萬KW，2015～2020年，需達(dá)到近200萬KW。可以預(yù)計(jì)，我國即將成為世界風(fēng)電發(fā)展最令人矚目的國家之一。