第1章 緒論

1.1 風力發電的發展

1.1.1 世界風力發電的發展

人類利用風能已有3000多年的歷史，而風力發電的歷史不過100多年。

第一臺風力發電機組由美國電力工業奠基者之一Charles F.Brush（1849-1929）在1887-1888年間研制，安裝于美國俄亥俄州的克利夫蘭市（Cleveland）；風電機組的風輪直徑為17 m，由144個葉片組成，采用12 kW的直流發電機，輸出電壓為70 V，輸出的電能給蓄電池充電。

1891年，丹麥Askov高等學校的Paul La Cour（1846-1908）發明了第一臺4葉片的風電機組，同樣采用直流發電機，輸出電能用于電解水制氫。他的重要貢獻是根據空氣動力學理論和在風洞進行空氣動力學的試驗，提出多葉片風輪由于其轉速慢不適合用于風力發電的論斷。到1918年，丹麥已經有120臺風電機組，單機容量在20～35 kW，總容量達3 MW，發電量約占丹麥當時用電量的3%。

第二次工業革命在催生電力工業的同時，也促進了內燃機的發明和使用。19世紀七八十年代，以煤和油為燃料的內燃機相繼誕生，19世紀90年代柴油機研制成功，人類開始大規模開發利用化石能源和礦產資源，使用化石燃料的發電機組和內燃機成為主要的電力和動力來源。風力發電因其成本高和效率低，且具有間歇性和波動性的缺點，進入發展低潮。進入20世紀后，風電機組主要用于偏遠地區獨立供電，風電機組單機容量在0.3 ～3 kW。20世紀40年代以后，雖然在美國、法國、蘇聯和丹麥等國曾研制出百千瓦級以上并網型風電機組，但是由于成本和可靠性等原因都沒有實現大規模推廣應用。

20世紀70年代，在世界范圍內先后發生兩次石油危機，從而觸發了第二次世界大戰之后最嚴重的全球經濟危機，對發達國家的經濟造成了嚴重沖擊；風力發電作為一種替代化石燃料的可再生能源，重新開始受到高度關注。美國和西歐等發達國家投入大量資金，開始研制兆瓦級并網型風電機組。例如，美國波音公司研制了2 500 kW和3 200 kW風電機組，英國宇航公司和德國MAN公司分別研制了3 000 MW風電機組。但是，限于當時技術水平和研制經驗，這些兆瓦級風電機組均未能正常運行，沒有實現規?；褪袌龌?/p>

丹麥是風電機組制造業的成功范例，通過制定鼓勵風電發展的有關政策，以及建立較為完善的風電機組研發、制造、檢測和認證體系，促進了風電機組制造業的持續發展和技術進步。從20世紀70年代開始，丹麥生產的風電機組單機容量從數十千瓦發展到數百千瓦，直到目前的兆瓦級風電機組，并出現了VESTAS、NEG MICON（2003年12月被VESTAS收購）、BONUS（2004年被德國西門子公司兼并）等世界著名風電機組制造商。德國、美國、西班牙、印度和中國等國家也相繼出臺了鼓勵風電發展的政策，帶動了風電機組制造業發展，產生了一批世界著名風電機組制造商。

隨著風電機組技術的不斷進步，風力機直徑和風電機組單機容量不斷增大，結構形式趨于一致。在20世紀80年代，風電機組既有上風向式，也有下風向式；既有水平軸式，也有垂直軸式；葉片有一個、兩個、三個和多個。目前，風電機組以上風向、三葉片、水平軸型為主，其中又可分為定槳距和變槳距、定速和變速、有齒輪箱和無齒輪箱等。同時，各種類型的兆瓦級風電機組實現了商品化。如圖1-1所示為風電機組單機容量和葉輪直徑的增長變化情況。

隨著世界經濟和社會的發展，減少溫室氣體排放和保護生態環境成為人類面臨的重大課題。1992年6月，聯合國在巴西里約熱內盧召開環境與發展大會，又名地球首腦會議，會議通過了《關于環境與發展的里約熱內盧宣言》、《21世紀議程》等文件。1997年12月，在日本京都召開的《聯合國氣候變化框架公約》締約方第三次會議，通過了旨在限制發達國家溫室氣體排放量以抑制全球變暖的《京都議定書》。2005年2月16日，《京都議定書》正式生效。

在此背景下，利用可再生能源逐步替代化石類能源開始受到世界各國的重視。在各類可再生能源發電技術中，風力發電是技術最成熟、最具規模開發和商業化發展前景的可再生能源開發方式，因此從20世紀80年代開始，風力發電技術受到各國的重視，并得到了廣泛的開發和應用。如圖1-2所示為1996-2010年間世界風電累計裝機容量的增長情況，風電裝機容量基本以每年30%以上的速度增長，成為各種能源中增長最快的一種。

為了保障能源供應和減少溫室氣體排放，大規模利用以風力發電為代表的可再生能源勢在必行。2002年，歐洲風能協會和國際綠色和平組織聯合發布了《風力12：關于2020年風電達到世界電力總量12%的藍圖》，對2020年全球風力發電規模進行了前景分析，指出2020年全球風電裝機容量可以達到1 200 GW，年發電量3 000 TWh，約相當于世界電力需求的12%。據測估，全球可利用的風能資源為200億千瓦，約是可利用水力資源的10倍。如果利用1%的風能能量，可產生世界現有發電總量8% ～9%的電量。

1.1.2 中國風力發電的發展

我國風資源豐富，開發潛力巨大，主要分布在三北地區（華北、東北和西北）和東南沿海地區。在20世紀80年代后期和2004-2005年，中國氣象局分別組織了第二次和第三次全國風能資源普查：我國陸地上離地面10 m高度處風能資源理論儲量分別為3.23 TW和4.35 TW，技術可開發量分別為253 GW和297 GW。估算離地面50 m和70 m高度處陸地風能資源技術可開發量分別約為600 GW和700 GW。近年來，聯合國環境署（UNEP）和中國氣象局國家氣候中心等采用數值模擬方法分別對我國風能資源進行了評價，得出我國陸地上離地面10 m高度處風能資源理論技術可開發量均在1 TW以上。

關于海上風能資源，中國氣象局、中國科學院和聯合國環境署都分別對我國海上風能資源進行過評價。根據《中國海岸帶和海涂資源綜合調查報告》和《全國海洋功能區劃》，綜合考慮航運、漁業、旅游及其他工程所用海區等因素，初步測算我國近海風電裝機容量為100～200 GW。

我國風力發電始于20世紀70年代末，首先成功研制了小型風電機組（100 W～20 kW）的系列產品，并實現了商業化生產與應用，為解決偏遠地區用電問題作出了巨大貢獻。2007年，我國小型風電機組的年產量、生產能力和出口均列世界首位。

1986年5月，我國第一個并網型風電場在山東省榮城建成投運，安裝了丹麥Vestas公司的3臺55 kW風電機組。同年10月，福建省平潭風電場建成，安裝了比利時Windmaster公司的4臺200 kW風電機組。從此，并網型風力發電開始成為我國風能利用的主要方式。

1990年以后，我國陸續出臺了一些鼓勵風力發電的政策：原電力工業部頒布了《風力發電場并網運行管理規定》（試用），對風力發電并網運行做出了明確規定；國家發展計劃委員會、國家科技委員會和國家經濟貿易委員會制定發布《新能源和可再生能源發展綱要》（1996-2010），提出了我國“九五”至2010年新能源和可再生能源的發展目標、任務及相應的對策和措施；國家經濟貿易委員會組織實施的國家級重點技術改造項目“雙加工程”（即加大技術改造投資力度、加快企業改革步伐）中，支持風電項目77.1 MW，分別安裝在河北省張北、內蒙古輝騰錫勒、浙江括蒼山和新疆達坂城等風電場。

從2003年開始，國家發展和改革委員會開始實施風電特許權招標項目，在推動我國風電規模化發展和促進風電機組設備國產化方面起到了重要作用。2006年1月1日，《中華人民共和國可再生能源法》開始實施，政府陸續頒布了一系列配套法規和實施細則，包括要求電網企業全額收購可再生能源電力、上網電價及費用分攤措施等，大大促進了可再生能源產業的發展，風電也步入了快速增長時期。

2000-2010年我國風電裝機容量（未計入中國臺灣地區的數據）的增長情況如圖1-3所示。2010年中國新增安裝風電機組12 904臺，裝機容量18 927.99 MW，同比增長37.1%；累計安裝風電機組34 485臺，裝機容量44 733.29 MW，年同比增長73.3%。

（數據來源：中國風能協會）

2010年中國各省區風電裝機情況如圖1-4所示，累計裝機容量前5位的省區依次為內蒙古、甘肅、河北、遼寧、吉林，如表1-1所示。

（數據來源：中國風能協會）

（數據來源：中國風能協會）

1.1.3 風力發電的發展趨勢

風力發電經歷了100多年的發展，技術基本成熟，成本也逐漸降低，隨著運行經驗的增加和各國政府的重視，正在走向更大規模的快速發展道路。

風力發電的發展趨勢大致體現在以下幾個方面。

1. 單機容量不斷增加

風力發電機組從早期的十幾千瓦、幾十千瓦，一直發展到幾千千瓦。1941年在美國建成世界上第一臺兆瓦級風力發電機（容量為1.25 MW）。目前，國際上陸上風電場的主流風電機組，單機容量多為1.5 MW左右。2.5 MW、3 MW的風電機組也被逐漸被應用。海上風電場的風電機組平均容量在3 MW左右，最大單機容量達到5～6 MW。隨著風力機設計水平、葉片材料等方面的技術進步，單機容量可能還會繼續增大。

2. 風電場規模不斷增大

隨著風電機組制造水平的提高和各國政府對風力發電的鼓勵支持，風電場的裝機規模越來越大。裝有幾十臺、上百臺風電機組的容量超過十萬千瓦的風電場在我國已經很常見，百萬千瓦、千萬千瓦級的大型風電基地也在陸續建設。例如，我國將在內蒙古、甘肅、河北、吉林、新疆、江蘇及山東沿海等省區建設多個百萬千瓦和千萬千瓦的大型風電基地。

3. 海上風電的快速發展

海上風電場的主要優點是基本不受地形地貌影響，風能資源更為豐富，平均風速高，可安裝的風電機組單機容量大，年利用小時數更高。因此，海上風電受到很多國家的重視，發展也比較快，有很大的潛力。

4. 風電在電力結構中的比例逐步提高

風電是目前增長速度最快的電源之一。在2007年中國的電力結構中，風電裝機容量所占的比重只有0.8%，發電量的比重只有0.2%。到2008年，中國風力發電的裝機容量占全國電力裝機容量的1.5%。截至2010年，中國的風電總裝機容量達到44 733 MW。按照中國的《新能源產業振興規劃》，到2020年，風電總裝機容量將達到1.5億千瓦以上，風電在整個發電結構中的比重將明顯提高。

隨著風電場規模的擴大，以及風電在電網中比例的提高，風電的問題已經不再是單獨的發電技術問題，風電與電網的聯系越來越緊密，相互影響也越來越復雜。其中，風電場的無功和電壓問題，作為風力發電接入電網最先出現也是最根本的問題，在風力發電持續大規模發展過程中及接入電網研究過程中，必須給予足夠重視。