1、引言 目前我國已經(jīng)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(jīng)建成并網(wǎng)發(fā)電的M場的主要分布在新疆、內蒙、廣東、浙江、遼寧等地。 2、國內外發(fā)展狀況 和其他國家相比較，我國的并網(wǎng)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(jīng)建立了40座風電場．但是平均每個風電場的裝機容量不足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電裝機容量的對比圖。 [ALIGN=CENTER]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 圖1 2003年部分國家風電裝機容量圖 新華網(wǎng)2004.5.15《風力發(fā)電有望成為中國應對能源挑戰(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，電遠遠落后丁我國風電場建設的要求。特別是我田資金短缺，尚不能在風電場建設方而大量投資，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，見圖2。 [ALIGN=CENTER] 圖2我國目前已裝機的國產化比例[/ALIGN] 目前，我國的并網(wǎng)型風機土要由Bonus、Vestas、NEG-Micon、Nordtank、Nordex、Gamesa等境外廠家提供的，在風機制造水平上，已經(jīng)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750kW。目前大型風機只能依賴進口或與外商合作生產。我國的累計風電機組數(shù)量和裝機容量分配圖如圖3和圖4所示。 [ALIGN=CENTER] 圖3我國風電設備的機組數(shù)量分配圖[/ALIGN] [ALIGN=CENTER] 圖4 我國風電設備的機組客暈分配圖[/ALIGN] 圖5是2003年新增機組容量分配統(tǒng)汁圖，從該圖上我們可以清楚的看到，國產化取得定的成果，但是總體上，還是進口產品的占有統(tǒng)治地位。 [ALIGN=CENTER] 圖5 2003年風電市場份額分配圖[/ALIGN] 截至到2003年底，我國累計運行中的風力發(fā)電機組以600 kW為主，共有497套，l MW（含）以上的機組共有16套，處于600 kW（含）～l 000 kW（不含）這個范圍內的機組占總數(shù)的65％，包括660 kW、750 kW以及850kW幾個功率等級，具體分布如圖6所示。 [ALIGN=CENTER] 圖6風電設備容量分布圖[/ALIGN] 我國開始建設的風電，大約9000～10000元/kW，后來部分國產化以后，造價降到7000元左右/kW。以600 kW風電機組為例，幾個主要部件進行價格如下：①齒輪箱（從18 r/min左右增到l500 r/min）。進口約60萬元、國產約18萬元一臺。②發(fā)電機（4極1500r／min600kW）。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l000～1500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1/10。圖7 是來源于我國新疆金風公司風力發(fā)電機組的成本統(tǒng)計數(shù)字。圖8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7 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8 完整的風力發(fā)電機組的成本[/ALIGN] 3、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)電系統(tǒng)一般使用同步式或者籠式異步式作為發(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，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、牢同。永磁同步發(fā)電機變速恒頻風，發(fā)電系統(tǒng)是通過控制套整流逆變裝置．將發(fā)電機輸出的變頻變壓交流電轉換為滿足電網(wǎng)要求的恒頻恒壓交流電，其典型結構圖9所示。 [ALIGN=CENTER] 圖9永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)結構框圖[/ALIGN] 采用電勵磁的同步風力發(fā)電系統(tǒng)如圖10所示。發(fā)電機定子通過變頻器和電網(wǎng)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 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發(fā)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11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(wǎng)直接相連接，轉予和功率變換器相連接，通過變換器的功率儀僅是轉差功率，雙饋調速將轉差功率回饋到發(fā)電機軸或者電網(wǎng)，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)。 [ALIGN=CENTER] 圖11 雙饋電機風力發(fā)電系統(tǒng)結構框圖[/ALIGN] 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％，分別是甘肅玉門風場的12臺Gemesa 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(jīng)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)電機轉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。交一交變頻沒有直流環(huán)節(jié)，變頻效率高，主回路簡單，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，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。目前利坩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—交變額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，在過同步速叫需要換流電路，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)電中應用的小多。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，井且該結構通過直流母線側電容完全實現(xiàn)了網(wǎng)側和轉子側的分離，是目前變速恒頻風力發(fā)電的個代表方向。 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。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，而風力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電機為690V，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(wǎng)對發(fā)電機諧波的要求。另外，雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)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。 4、前景展望 我國風力發(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0l～10 kW的風力發(fā)電機組，累計保有量已經(jīng)居于世界第一位。離網(wǎng)型風電經(jīng)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(wǎng)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、IkW、2kW、5 kW、10kW風電機組等。2001年全國共生產各種型號的離網(wǎng)型風電機組12170臺（約2577KW）。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足以300W以下機組為主。全國累計到2001年底共生產了離州型風電機組約21萬臺。同時，我國企業(yè)通過合資、合作等形式引進了國外公司的離網(wǎng)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)厝嗣袢罕姷呐；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51 kW機組全部國產化。內蒙古商都牧機廠與瑞典斯維阿勃（SVlAB）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(wǎng)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，我國產品具有起動風速低、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(wǎng)型機組的生產制造技術方面，還存在一定差距。 我國政府為了推動并網(wǎng)風電的商業(yè)化發(fā)展，2003年9月國家發(fā)改委叫確提出我國風電發(fā)展的規(guī)劃目標：2005年全國風電裝機容量達到100萬KW，2010年全國風電裝機容量達到400萬kW，2015年全國風電裝機容量達到1000萬KW，2020年全國風電裝機容量達到2000萬KW，占全國總裝機容量的2％左右。這就意味著在今后5年時問內，每年平均裝機容量需達到近60萬kW，2010～2015年，需達到近120萬KW，2015～2020年，需達到近200萬KW?？梢灶A計，我國即將成為世界風電發(fā)展最令人矚目的國家之一。