第1章 概論

1.1 風力發電發展概況

風能是一種開發成本較低、清潔、安全、可再生的能源。因此，風能的開發利用越來越受到重視。根據貝茲理論，風力機從風中吸收的能量不到空氣動能的59.3%，同時由于受到機械結構等限制，實際值更小。因此，如何提高風能轉化效率，獲取更多風能，實現風能規模化利用，一直為學者及業界所關注。近年來，大型風電機組通過采用變速變槳距控制及最大功率跟蹤MPPT等技術，旨在提高響應速度，獲得最大能量（低風速時捕獲最大功率，高風速時捕獲額定功率）。但是，由于一些不確定因素的存在，風能轉換系統表現出強非線性特征，風力機產生的能量隨著風速和風向的連續波動是快速變化的。傳統線性定常控制器因存在較大超調和損失，系統穩定性差，不適合用來控制大型變速變槳距風電機組。根據風速大小，風力發電系統由4個動態過程構成，即啟動、變速運行、變槳距運行和剎車。其中，啟動、剎車過程使系統能在最短時間內有較快的響應速度；變速運行調節風能，減少或消除風能產生過程中的急劇波動，捕獲最大能量，減弱暫態負荷的影響；變槳距控制通過調節槳距角維持風電機組輸出額定功率不變。

世界上第1臺風電機組于1891年在丹麥建成，但由于技術和經濟等方面的原因，風力發電一直未能得到廣泛應用。直到1973年發生了石油危機，美國、西歐等發達國家為尋求替代化石燃料的能源，投入大量經費，采用新技術研制現代風電機組。20世紀80年代開始建立示范風電場。20世紀90年代，許多國家紛紛制定了激勵風力發電發展的優惠政策。1992年以來，全球風電累計裝機容量的年增長率一直高于15%，風力發電技術日臻成熟。2002年4月2～5日，首屆世界風能大會在法國巴黎舉行，歐洲和北美風力發電技術發展迅速。2006年，全球已有48個政府引入法規扶持風力發電等可再生能源的發展。2008年年底全球累計風電裝機容量已超過了120.8GW，相當于減排1.58億噸CO2。美國風電市場近幾年來一直保持高速發展， 2009年新增風電裝機容量9.92GW，累計風電裝機容量達到35.16GW，排名世界第1。

我國已成為繼歐洲、美國和印度之后風力發電應用的主要市場之一，風能資源豐富，可開發量為1400GW。其中，陸上開發量為600GW；海上開發量為800GW。我國在20世紀50年代末，使用各種木結構的布篷式風車。20世紀70年代中期以后，風能開發利用列入“六五”國家計劃。20世紀70年代末到80年代初，自主研制、批量生產了10kW以下的小型風力發電機，解決了居住分散的農牧民和島嶼居民的生產、生活用電，風力發電停留在蒙古包單家獨戶使用或實驗室研究階段。1983年，山東引進3臺丹麥Vestas 55kW風力發電機，開始了并網發電技術的試驗和示范；1986年5月，山東榮成建成我國第一個并網風電場，其次是新疆達坂城風電場。1986～1993年，全國共建12個風電場，裝機容量為13.3MW；1994～1999年，全國共建有21個風電場，裝機容量達到249.05MW。其中，1992～1996年的主力機型為200～300kW機組，1997～2002年的主力機型則為600kW機組。2008年，我國累計裝機容量達到12.21GW，其中并網發電的裝機容量為8.94W。截止到2009年年底，我國風電并網總量累計達到16.13GW，累計裝機容量為25 805.3MW。

1.1.1 風力發電的背景

1.能源危機

能源是人類賴以生存的物質基礎。自從工業革命以來，全球的能源消耗飛速增長，推動了世界工業化的進程，提高了社會發展水平和人類生活質量。全球經濟的急劇增長對能源的需求越來越大，能源危機制約了人類進一步發展。自20世紀 50年代以后，由于石油危機的爆發，對世界經濟造成巨大影響，國際輿論開始關注世界能源危機問題。全球能源危機的主要表現在于，全球能源儲量與開采時間有限。可以支配的化石資源的極限大約為1 180～1 510億噸，以1995年世界石油的開采量33.2億噸計算，石油儲量大約在 2050年左右即將枯竭；天然氣儲量估計 131 800～152 900m3，年開采量維持在 2 300m3，將在 57～65年內枯竭；煤的儲量約為 5 600億噸，1995年煤開采量為33億噸，可以供應169年；鈾的年開采量目前為每年6萬噸，據1993年世界能源委員會的估計可維持到21世紀30年代中期。

綜上所述，煤炭、石油、天然氣等不可再生化石能源的總量有限，亟待開發新的可再生能源。

2.環境危機

在能源消耗急劇增長，能源危機凸顯的同時，環境危機也出現了。現代社會對能源的巨大需求，導致大量的化石能源被燃燒。燃燒不斷產生CO2和其他溫室氣體，使得原來沉積在地下的碳元素，被大量釋放到空氣中。據估計，按照目前的趨勢，到2030年，由各種溫室氣體增加所引起的氣候變化，將相當于把大氣中CO2濃度提高到工業化社會以前CO2濃度的兩倍。到2100年，溫室效應強度將相當于把大氣中CO2濃度提高到工業化社會以前CO2濃度的3倍，達到5000萬年前的CO2濃度水平。能源消費在迅速擴大，已經達到了阻礙地球生態系統自律功能正常運轉的程度。研究表明：地球變暖并不是地球本身自然循環的變化，而是由人類活動排放的CO2等溫室氣體效應造成的。其過程與人類大量消耗化石能源資源，尤其是燃燒化石燃料發電大量排放的CO2密切相關。到2015年，世界溫室氣體的排放量將達到最高，全球變暖帶來的影響將不僅僅是更多的旱澇災害，還有海平面的上升。全球氣候的變化對農業和生態造成了嚴重的影響，時刻威脅著人類的生命和財產安全。

3.可再生能源開發利用

目前，如何解決能源危機及其引起的環境危機成為全球經濟可持續發展所面臨的亟待解決的重大課題。克服能源危機的出路在于大力發展新能源，用可再生能源替代化石能源。電能具有轉換和傳輸方便的優點，已成為現代工業快速發展不可替代的二次能源。為緩解或從根本上消除能源危機及其帶來的環境破壞，綠色電力的生產為世界各國所關注。綠色電力來源于風能、小水電、太陽能、地熱、生物質和其他可再生能源。因為它們在生產的過程中不消耗煤、石油、天然氣等燃料，所以不會產生對環境有害的排放物。相對于常規火力發電，更有利于環境保護和可持續發展。因此，開發綠色電力意義重大。

表1-1比較了不同能源發電方式對環境造成的影響。全球市場對于風電這樣的零排放技術有著巨大且持續增長的需求。為了避免發生不可逆轉的氣候變化后果，全球的溫室氣體排放必須在2020年前后達到峰值且開始下降，而風電是目前唯一能實現這一目標的發電技術。表1-2比較了不同能源發電方式的經濟成本。

4.風能儲量與利用

太陽的輻射造成地球表面受熱不均，引起大氣層中壓力分布不均，同時，地球發生自轉，使空氣沿水平方向運動，空氣流動所形成的動能稱為風能。據估計到達地球的太陽能只有大約 2%轉化為風能，理論上僅 1%的風能就能滿足人類能源的需求。全球的風能總量約為 2.74×106GW，其中可利用的風能總量為 2.74×104GW，比地球上可開發利用的水能總量還要大10倍。根據我國900多個氣象站陸地上離地10m高度資料進行估算，全國平均風功率密度為100W/m2，風能資源總儲量為3226GW，可開發和利用的陸地上風能儲量為 600GW，海上可開發和利用的風能儲量為800GW，共計約1400GW。50m或更高處可開發利用的風能儲量為2000GW。

人類利用風能的歷史可以追溯到公元前。在蒸汽機發明以前，風能曾經作為重要的動力，用于船舶航行、提水飲用和灌溉、排水造田、磨面和鋸木等。埃及被認為可能是最先利用風能的國家。12世紀，風車從中東傳入歐洲。16世紀，荷蘭人利用風車排水。隨著煤、石油、天然氣的大規模開采和廉價電力的獲得，由于成本高、效率低、使用不方便等，風力發電機械無法與蒸汽機、內燃機和電動機等競爭而逐漸被淘汰。1891年，丹麥建成了世界第一座風力發電站。20世紀30年代，丹麥、瑞典、蘇聯和美國應用航空工業的旋翼技術，成功地研制了一些小型風電機組。這種小型風電機組被廣泛運用在多風的海島和偏僻的鄉村，所獲得的電力成本比小型內燃機的發電成本低很多。不過，當時的發電量較低，大都在5kW以下。1973年，世界石油危機爆發以后，風能作為新能源得到重視，世界風力發電發展速度開始加快，各國都在積極研制、開發100kW以上的大型風電機組。美國在1974年開始實施聯邦風能計劃，20世紀80年代成功開發了 100kW、200kW、2000kW、2500kW、6200kW、7200kW 等6種風電機組。瑞典、荷蘭、英國、丹麥、德國、日本、西班牙等國，也根據各自國家的情況制訂了相應的風力發電計劃。在20世紀70年代中期以后，我國將風能開發利用列入“六五”國家重點項目，得到迅速發展。我國風力發電從20世紀80年代開始真正起步。20世紀70年代末80年代初，我國自主開發研制并批量生產了額定容量10kW以下的小型風電機組，解決了居住分散的農牧民和島嶼居民的生產生活用電。1986年5月，山東榮成建成了我國第一個并網風電場。20世紀80年代中期以后，我國先后從丹麥、比利時、瑞典、美國、德國引進一批中、大型風電機組，在新疆、內蒙古的風口及山東、浙江、福建、廣東的島嶼建立了 8座示范性風電場。

1.1.2 風力發電發展現狀與前景

1.世界風電

（1）風電成本

不考慮常規電力環境成本，根據目前的風電技術水平，風電成本仍高于常規電力成本，因此許多國家采取了諸如價格、市場配額、稅收等各種激勵政策，從不同的方面引導和支持風力發電的發展。經過30年的努力，隨著市場不斷擴展，風電成本大幅度下降，每千瓦時風電成本由20世紀80年代初的20美分下降到2007年的4～6美分。在風能資源較好的地方，風電價格完全可以和煤電競爭，低于燃氣電價。

（2）裝機容量高速增長

根據全球風能協會公布的 2003～2007年統計數據，全球風電平均增長率為24.7%。到2007年年底，全球總裝機容量累計達到近94GW，新增風電裝機容量20GW，分布在全球70多個國家和地區。2007年全球大約生產了2000億度風電電力，約占全球電力供應的1%。按照累計風電裝機容量數據排名，2007年，全球前十名的國家依次是德國、美國、西班牙、印度、中國、丹麥、意大利、法國、英國和葡萄牙。2008年全球新增裝機容量超過27GW，同比增長42%，風電裝機增長率為29%，高于過去5年的平均增長速度。2008年年底，總裝機容量達到了120.8 GW，美國超過德國，躍居全球風電裝機容量首位，同時也成為第二個風電裝機容量超過 20GW 的風電大國。中國超過印度，成為亞洲第一、世界第四的風電大國。到2008年年底，在世界風電累計裝機容量中，已有包括美國、中國、德國、西班牙、印度等在內的16個國家超過1GW。在歐盟2007年新增發電裝機容量中，風電開始超過天然氣發電成為第一大新增電源，占新增容量的 46%。歐洲 2008年風電新增裝機容量為88GW，累計裝機容量達到了 66GW。美國 2007年新增的風電裝機也僅次于天燃氣發電，位居第二。2008年內美國竣工的風電項目容量更是占當年度美國所有新增電力裝機的42%，新增裝機容量達到8.34GW，同比增長157%，累計增長49.6%，完成新增投資170億美元。風電在歐美發達國家已經逐步成為重要的替代能源。

（3）發展規劃

20世紀90年代初，歐盟提出了大力發展風電，到2010年風電裝機容量達到40GW的目標，并要求其成員國根據總體發展規劃制訂本國的發展目標與實施計劃。2007年年初，根據技術發展和能源需求的需要，歐盟又進一步修訂了發展計劃，希望2010年風電裝機容量達到 80GW；到 2020年風電裝機容量達到 180GW，發電量達到3600億kW·h；2030年風電裝機容量達到300GW，發電量達到6 000×108 kW·h，分別占屆時歐盟發電裝機容量和發電量的35%和20%。2006年，美國可再生能源理事會提出了將可再生能源的比例由目前的4%左右，提高到2025年的25%的發展目標。美國風能協會也提出了未來依靠風電滿足國內20%電力需求的宏偉目標。英國、法國、加拿大、澳大利亞、日本和東歐的波蘭等國也開始加速發展風電。

（4）發展前景

據全球風能理事會預測：未來5年全球風電還將保持20% 以上的增長速度；到2012年，全球風電裝機容量將達到240GW，年發電為5 000×108 kW·h，風電電力約占全球電力供應的3%；歐洲將繼續保持總裝機容量第一的位置，亞洲將會超過北美市場排在第二位；到 2012年，歐洲、亞洲和北美市場的風電裝機容量預期為102GW、66GW 和 61.3GW，占全球市場的份額依次是 42.5%、27.5%和 25.5%，亞洲的市場份額明顯上升，其次是北美，而歐洲在全球風電市場中的份額明顯下降；在亞洲和北美市場中增長最快、貢獻最大的國家將是中國和美國。該機構2006年所做的《2050年風電發展展望》認為，如果采取積極措施，2030年和2050年，世界風電裝機將分別達到 210GW 和 300GW，發電量分別達到 50 000×108 kW·h 和80 000×108 kW·h。

2.我國風電

（1）裝機容量

2004年年底，全國的風力發電裝機容量約為764MW。2005年2月《可再生能源法》頒布之后，當年風力發電新增裝機容量超過 60%，總容量達到了 1260GW。2006年新增裝機容量超過100%，累計裝機容量超過2.6GW。2007年又新增裝機容量3.3GW，累計裝機容量達到5.9GW，超過丹麥，成為世界第5風電大國。當年裝機增量僅次于美國和西班牙，超過德國和印度，成為世界上最主要的風電市場之一。風電累計裝機容量從2003年年末的567MW增加到了2008年年末的12.21GW，增加了205倍。2008年新增裝機容量超過印度，成為亞洲第一、世界第四、風電裝機容量超千萬千瓦的風電大國。2009年新增裝機容量 13.85GW，累計裝機容量為26GW，總裝機容量躍居世界第2位。

（2）風電設備制造能力

風電設備制造業發展迅猛。2005年之前，我國只有少數幾家風電設備制造商，它們規模小、技術落后，風電場建設主要依賴進口。《可再生能源法》頒布后，風電整機制造企業已超過40家。除金風科技和浙江運達加大投入、迅速擴張之外，東方汽輪機、華銳風電、中國船舶、通用電氣、湖南湘電、上海電氣、廣東明陽、維斯塔斯、歌美颯、蘇司蘭、西門子等一批國內外大型制造業和投資商紛紛進入我國風電設備制造業市場。

（3）風電技術研發

“九五”和“十五”期間，我國政府組織實施“乘風計劃”和“國家科技攻關計劃”，以及國債項目和風電特許權項目，支持建立了首批6家風電整機企業，進行風電技術的引進和消化吸收，部分企業掌握了單機容量600kW和750kW定槳距風電機組的總裝技術和關鍵部件設計制造技術，實現了規模化生產，邁出了產業化發展的第一步。“十五”期間，還開展了1000kW、1500kW變速恒頻風電機組，以及1200kW永磁直驅風電機組的研發與聯合攻關，取得階段性成果。經過“十五”期間的自主研究和技術引進，我國已基本掌握了以雙饋發電機為代表的變速恒頻風電機組的控制技術，研制成功兆瓦級風電機組樣機。我國風電技術與國外風電技術的差距正在不斷縮小。

（4）發展前景

2005年，首個有關我國風電發展現狀及未來的前瞻性報告《風力12在中國》正式對外公布。該報告將風力發電確定為我國電力事業未來發展的重點。報告指出，我國有能力在2020年實現40GW的風電裝機容量，年發電量將達到800×108 kW·h，可以滿足8000萬人的用電需求，同時每年可減少4800萬噸的CO2排放量；風電在電源結構中屆時約占全國總發電裝機1000GW容量的2%～3%，總電量的1%～1.5%。世界風電設備制造商和開發商均認為中國是世界上最具有發展前景的風電市場。按照歐盟的經驗，我國風電裝機容量在2010年和2020年分別達到30GW和150GW是完全有技術和市場保證的。我國風電裝備制造業的情況可能更加樂觀。根據中國可再生能源專業委員會推斷，2012年我國風電裝備制造能力將達到 10～15GW。除了能夠滿足我國風電市場的需求之外，還有可能成為世界主要的風電裝備制造基地，開始向美國、歐洲等地區出口。

我國風電發展面臨無限的機遇，到2020年將超過核電成為第三大主力發電電源。2030年以后，水能資源大部分將開發完，近海風電市場進入大規模開發時期。在2050年前后，風電裝機容量達到或超過400GW，超過水電，成為第二大主力發電電源。因此，風力發電未來可能成為我國的主要戰略能源之一。以上海海上風電規劃建設為例，總裝機容量為5950MW，如表1-3所示。

1.1.3 風力發電技術發展態勢

隨著風電技術的發展，風電機組容量更大、近海風電技術、新型結構和材料、直接驅動技術、變槳變速恒頻發電技術成為世界風電機組技術發展的新態勢。

1.機組容量

近20年來，隨著國際上大型風電機組技術日趨成熟，風電機組技術正朝著提高單機容量、減輕單位千瓦質量、提高轉換效率的方向發展。大功率風電機組的研制與開發始于1970年年末到1980年年初。但在1980年以前，比較成熟的商用機型的功率都在100kW以下，到1980年年末至1990年年初，商用機型的功率范圍擴展到150～450kW，1990年年末，擴大到600～750kW。從1999年至今，功率范圍為1.3～5MW。目前，世界上兆瓦級的風電機組已具備了商業化價值，2～3MW的風電機組已成為國內外風電市場的主流機型：美國的主流機型是1.5MW風電機組；丹麥主流機型是2.0～3.0MW風電機組。在我國，到2007年年底，兆瓦級以上的已安裝風電機組數量超過1000臺，占新安裝機組市場份額的95.7%，累計份額接近30%，絕大部分都是在最近兩年內安裝的。世界上已經運行的最大風電機組單機容量已經達到5MW，風力機葉輪直徑為126m。8～10MW的風電機組已經開始設計和制造。風力發電機葉輪直徑變化圖如圖1-1所示。

美國已經成功研制7MW風電機組，英國正在研制10MW的風電機組。預計到2020年，將會有20MW、30MW乃至40MW的風電機組面世。我國生產的3MW雙饋海上風電機組和2.5MW直驅型風電機組已成功并網發電。我國某高校自主研制了3MW雙饋變速恒頻風電機組樣機，其主要技術指標及其參數如表1-4所示。

2.近海風電技術發展迅猛

陸上風電場需要占用土地，而且噪聲會給周圍居民生活帶來不便，這些問題已逐漸顯露。在不斷降低風力發電成本和擴大可經濟利用的風能資源量的目標驅動下，國際上風電機組技術不斷向海上專用風電機組發展。風電場建在海上，不僅解決了占用陸地土地資源的問題，同時利用海上得天獨厚的廣闊空間和豐富的風能資源（為陸上的3倍），可以進行規模化生產，從而降低風力發電的成本。由于海上風電與陸地風電的差異性，近海風電技術為海上風電的順利發展提供了技術保障。歐洲未來的海上發展計劃：2010年裝機容量為3.5GW；2020年裝機容量為35GW；2030年裝機容量為130GW，屆時，海上風電將占歐洲總發電量的10%。美國也計劃建立本國的第一個容量為420MW的近海風電場，位于馬薩諸塞海岸對面的南度克（Nantucket）島附近。我國首個海上風電場落戶東海大橋附近海域，由34臺3MW的風電機組組成，每年發電量約為2×108 kW·h。

我國還規劃在浙江慈溪、臨海、岱山、江蘇鹽城、山東青島建設近海風電場。到2020年，全國規劃海上風電累計裝機容量超過15 000MW。目前，海上風電機組安裝及規劃主要在潮間帶（水深在5m以內，機組的基礎在漲潮時被水淹沒）、近海（水深在5～50m之間）和深海（水深超過50m）。

3.新型結構和新應用材料

盡管風電機組技術近年來有了長足的進步，但是從技術商業化程度看，風電機組壽命較短，難以保證使用壽命達到20年。因此，有必要通過改進機構提高轉子可靠性，優化設計風電機組系統，選用新材料、可變速轉子和先進的控制裝置等，減輕負荷和減少風電機組的質量和零部件成本。目前，國際上大規模安裝的 2.5～3.5MW風電機組，普遍采用輕質高性能的玻璃纖維葉片，5～10MW風電機組葉片則采用碳纖維材料。

4.直接驅動技術

近幾年，直接驅動技術發展迅速，避免了齒輪箱傳動環節和部件，能有效減少由于齒輪箱問題而造成的風電機組故障，使風電機組的可靠性和效率更高，增加了系統運行的壽命，大大減少維護成本。因此，這種無齒輪箱直驅式全功率變流風電技術得到快速發展，涉及的技術關鍵為永磁風力發電機的密封、安裝及防止退磁等。

無齒輪箱直驅式永磁風力發電機機軸直接連接到葉輪軸上，轉子的轉速隨風速改變而改變，輸出交流電的頻率也隨之變化，需要經過大功率電力電子變換器，將頻率不定的交流電整流成直流電，再逆變輸出與電網同頻率的交流電。國際先進的無齒輪箱直驅風力發電機的原理多沿用低速多極永磁發電機的原理，并使用一臺全功率變頻器將頻率變化的風電送入電網。

永磁發電機與電勵磁發電機相比，具有效率高、能量密度大和可靠等特點，再結合永磁材料性能不斷在提高、價格卻處于下降趨勢，以及全功率器件價格不斷下降，使得開發基于全功率變換器的可變速直接驅動永磁風力發電機越來越具有吸引力。考慮到單位造價或年產出能力，業界也采用一級增速齒輪箱（半直驅）的變速永磁風力發電機（如Multibrid 5MW和Win Wind 3MW永磁同步風力發電機），以及多級齒輪增速箱的永磁同步風力發電機（如GE Wind 2MW和Zephyros 2MW永磁同步風力發電機）。

德國沙爾蘭工業大學開發的直驅型永磁同步風力發電機，采用外轉子結構、永磁勵磁、蒸發冷卻、新型輪轂發電方式，省去了滑環和直流電源，發電機的磁鐵系統放在輪轂內，整機質量為現有同類直驅機型的60%，效率卻提高3%左右。

5.變槳變速恒頻發電技術

與恒速運行的風力發電機組相比，變速運行可以按照捕獲最大風能的要求，在風速變化的情況下實時地調節風力發電機轉速，使之始終運行在最佳轉速上，具有減小機組機械應力、增加風能捕獲、對風速變化的適應性好、生產成本低、效率高等優點。德國Enercon公司和丹麥Vestas公司生產的變速風電機組數量處于世界領先位置。

變槳距優于定槳距在于機組啟動性能好，輸出功率穩定，機組結構受力載荷小。另外，在風速高于切出風速時，還可通過槳葉順槳，保護風電機組不受到損壞，以增加風電機組的使用壽命。變槳機構已由同步變槳向智能獨立變槳發展。但不足之處在于，因增加了變槳裝置，故障率加大，控制程序比較復雜。

由于變槳距功率調節方式具有載荷控制平穩、安全、高效等優點，變槳距功率可調節型及雙饋異步風電機組技術發展迅速。兆瓦級以下風電機組中仍廣泛采用失速調節技術方式，兆瓦級以上風電機組普遍采用變槳變速恒頻先進技術。2006年，全球所安裝的風電機組有92%采用了變速恒頻技術，而且該比例還在逐漸增大。

6.風電場遠程監控系統及無線網絡技術應用

由于風電場一般包括數十臺風電機組，因此對風電場內的風電機組進行聯網集中管理與優化控制顯得尤為重要。普通以太網使用光纖通信，而對于大型風電場，隨著風電機組數量的增加，勢必增加布線費用，并且當風電場需要改建或擴充時，過多的通信線路會占用很多空間，造成鋪設困難等。風電場遠程監控系統一般都采用有線方式，成本較高。基于無線局域網的風電場監控系統，實現了每一臺風電機組的聯網，降低了布線難度和維護成本。