摘 要：風(fēng)力發(fā)電是新能源中技術(shù)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(fēng)能資源十分豐富。目前，我國的并網(wǎng)型風(fēng)機(jī)主要由國外廠家提供的，大型風(fēng)機(jī)也只能依賴進(jìn)口或者與外商合作生產(chǎn)。在風(fēng)機(jī)制造水平上，我國生產(chǎn)的最大風(fēng)電機(jī)組功率為750千瓦，國際主流機(jī)型兆瓦級(jí)風(fēng)電設(shè)備在我國還處于研發(fā)階段。但可以預(yù)計(jì)，隨著兆瓦級(jí)風(fēng)電設(shè)備的國產(chǎn)化和成功應(yīng)用推廣，中國即將成為世界風(fēng)電發(fā)展最令人矚目的國家之一。 　　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、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(fēng)電場和運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組統(tǒng)計(jì)表 　　我國風(fēng)電場和運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組統(tǒng)計(jì)表 　　截止到2003年底，中國已建成并網(wǎng)型風(fēng)電場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)電的風(fēng)場的主要分布在新疆、內(nèi)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(fēng)場分布圖[/align] 1 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，但是平均每個(gè)風(fēng)電場的裝機(jī)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(fēng)電裝機(jī)容量的對比圖。 [align=center] 圖2 2003年年底部分國家風(fēng)電裝機(jī)容量圖 圖3我國目前已裝機(jī)的國產(chǎn)化比例[/align] 　　另外一方面，由于各方面條件的制約，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，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于我國風(fēng)電場建設(shè)的要求。特別是我國資金短缺，尚不能在風(fēng)電場建設(shè)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(jī)的87%是從國外引進(jìn)的設(shè)備。 　　目前，我國的并網(wǎng)型風(fēng)機(jī)主要由Bonus，Vestas，NEG-Micon、Nordtank、Nordex，Gamesa等國外廠家提供的，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750千瓦。目前大型風(fēng)機(jī)只能依賴進(jìn)口或者與外商合作生產(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4和圖5所示。 [align=center] 圖4 我國風(fēng)電設(shè)備的機(jī)組數(shù)量分配圖 圖5 我國風(fēng)電設(shè)備的機(jī)組容量分配圖[/align] 　　圖6是2003年新增機(jī)組容量分配統(tǒng)計(jì)圖，從該圖上我們可以清楚的看到，國產(chǎn)化取得一定的成果，但是總體上，還是進(jìn)口產(chǎn)品的占有統(tǒng)治地位。 　　截止到2003年底，我國累計(jì)運(yùn)行中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組以600kW為主，共有497套，1MW（含）以上的機(jī)組共有16套，處于600kW（含）-1000kW（不含）這個(gè)范圍內(nèi)的機(jī)組占總數(shù)的65%，包括660kW、750kW以及850kW幾個(gè)功率等級(jí)，具體分布如圖7所示。 [align=center] 圖6 2003年當(dāng)年風(fēng)電市場份額分配圖 圖7 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/千瓦，后來部分國產(chǎn)化以后，造價(jià)降到7000元左右/千瓦。以600 千瓦風(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 轉(zhuǎn)左右增到1500 轉(zhuǎn)）。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1500 轉(zhuǎn)600 千瓦）。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。而對于變速風(fēng)機(jī)還需加上變頻器的價(jià)格，大約1000～1500元/kW，對于雙饋?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)成本的不到十分之一。 　　圖8是來源于中國新疆金風(fēng)公司風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的成本統(tǒng)計(jì)數(shù)字。 　　圖9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8 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9完整的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的成本[/align] 2 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)電機(jī)系統(tǒng)一般使用同步電機(jī)或者鼠籠式異步電機(jī)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。變速系統(tǒng)主要分為同步發(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，其結(jié)構(gòu)比較簡單、牢固。永磁同步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)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(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10所示。 　　采用電勵(lì)磁的同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)如圖11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 永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 圖11 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12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)子和功率變換器相連接，通過變換器的功率僅僅是轉(zhuǎn)差功率，雙饋調(diào)速將轉(zhuǎn)差功率回饋到電機(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)。 　　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Gemesa甘肅玉門風(fēng)場的12臺(tái)G42，上海奉賢風(fēng)場的4臺(tái)G52以及VESTAS裝在遼寧省彰武風(fēng)電場和康平風(fēng)電場各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(jī)轉(zhuǎn)子繞組的變頻器電源，交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(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)量多使之應(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，由九個(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)，輸出由三個(gè)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(fù)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(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。目前利用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)的電流型交直交變頻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，在過同步速時(shí)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)用的不多。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，并且該結(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)電的一個(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。Rockwell公司的PowerFlex7000是采用SGCT的電流源變流器，適用于中壓電機(jī)，而風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電機(jī)為690伏，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)。 3 前景展望 　　中國風(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100W到10kW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、1kW、2kW、5kW、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2577千瓦）。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%。用戶對產(chǎn)品的需求仍是以300W以下機(jī)組為主。全國累計(jì)到2001年底共生產(chǎn)了離網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組約21萬臺(tái)。同時(shí)，中國企業(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)厝嗣袢罕姷纳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51kW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（SVIAB）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)品具有啟動(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。 　　中國政府為了推動(dòng)并網(wǎng)風(fēng)電的商業(yè)化發(fā)展，2003年9月國家發(fā)改委明確提出我國風(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100萬千瓦，2010年全國風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到400萬千瓦，2015年全國風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到1000萬千瓦，2020年全國風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到2000萬千瓦，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)間內(nèi)，每年平均裝機(jī)容量需達(dá)到近60萬千瓦，2010到2015年，需達(dá)到近120萬千瓦，2015到2020年，需達(dá)到近200萬千瓦。可以預(yù)計(jì)，中國即將成為世界風(fēng)電發(fā)展最令人矚目的國家之一。