我国风力发电发展现状和前景

1、引言

    目前我国已经探明的风能储量约为3226GW，其中可利用风能约为253GW，主要分布在西北、华北和东北的草原和戈壁以及东部和东南沿海及岛屿上。
    截止到2003年底，我国己建成并网型风电场40座，累计运行风力发电机组1042台，总容量达567.02MW（以完成整机吊装作为统计依据），具体如表1所示。
    已经建成并网发电的M场的主要分布在新疆、内蒙、广东、浙江、辽宁等地。

2、国内外发展状况

    和其他国家相比较，我国的并网型风力发电的进展比较缓慢，风力发电仅占全国总装机容量的0.14％，尽管已经建立了40座风电场．但是平均每个风电场的装机容量不足l.5万KW，还末形成规模，图1是德国，美国、西班牙以及我国的风电装机容量的对比图。

    另外“方面，由于各方山条件的制约，我国并网风力发电技术的研究和开发与世界先进水平相比，差距甚大，电远远落后丁我国风电场建设的要求。特别是我田资金短缺，尚不能在风电场建设方而大量投资，因此这一市场目前基本上是由外国占据着，已装机的87％是从国外引进的设备，见图2。

    目前，我国的并网型风机土要由Bonus、Vestas、NEG-Micon、Nordtank、Nordex、Gamesa等境外厂家提供的，在风机制造水平上，已经成为国际主流机型的兆瓦级机型在中国还处于研发阶段，本土化生产的最大风电机组功率仅为750kW。目前大型风机只能依赖进口或与外商合作生产。我国的累计风电机组数量和装机容量分配图如图3和图4所示。

图5是2003年新增机组容量分配统汁图，从该图上我们可以清楚的看到，国产化取得定的成果，但是总体上，还是进口产品的占有统治地位。

    截至到2003年底，我国累计运行中的风力发电机组以600 kW为主，共有497套，l MW（含）以上的机组共有16套，处于600 kW（含）～l 000 kW（不含）这个范围内的机组占总数的65％，包括660 kW、750 kW以及850kW几个功率等级，具体分布如图6所示。

    我国开始建设的风电，大约9000～10000元/kW，后来部分国产化以后，造价降到7000元左右/kW。以600 kW风电机组为例，几个主要部件进行价格如下：①齿轮箱（从18 r/min左右增到l500 r/min）。进口约60万元、国产约18万元一台。②发电机（4极1500r／min600kW）。进口约58万元、国产约13～18万元。③风叶。国产约每只18万元，价格大概是进口产品的1/3～1/2。而对于变速风机还需加上变频器的价格，大约l000～1500元/kW，对于双馈变速恒频风力发电系统来说，变频器的容量大约是整个系统容量的1/3左右，即变频器占整个系统成本的不到1/10。图7 是来源于我国新疆金风公司风力发电机组的成本统计数字。图8是风力发电机组从筹划到投入使用时成本比例示意图。

3、风电设备关键技术

    风力发电系统中，发电机是能量转换的核心部分。风力发电机系统按照发电机运行的方式来分，主要有恒速恒频风力发电机系统和变速恒频风力发电机系统两大类。恒速恒频风力发电系统一般使用同步式或者笼式异步式作为发电机，通过定桨距失速控制的风轮机使发电机的转速保持在恒定的数值继而保证发电机端输出电压的频率和幅值的恒定，其运行范围比较窄。
    变速恒频风力发电系统通过变桨距控制风轮使整个系统在很大的速度范围内按照最佳的效率运行，这是当前风力发电发展的一个趋势。变速系统主要分，同步发电机系统和异步发电机系统。其中同步发电机系统包括永磁同步发电机系统和电励磁同步发电机系统；异步发电机系统主要是绕线异步发电机系统。永磁同步发电机是利用永久磁铁取代转子励磁磁场，其结构比较简单、牢同。永磁同步发电机变速恒频风，发电系统是通过控制套整流逆变装置．将发电机输出的变频变压交流电转换为满足电网要求的恒频恒压交流电，其典型结构图9所示。

  采用电励磁的同步风力发电系统如图10所示。发电机定子通过变频器和电网相连接，转子采用AC/DC整流装置给发电机提供励磁。发电机可以采用变速箱驱动，也可以使用直接驱动。

    目前，兆瓦级风力发电机组普遍采用绕线式异步发电机的变速恒频风力系统。其典型结构是采用双馈异步发电机的系统，如图11所示。这是一种比较合适的变速恒频方案，该结构定子和电网直接相连接，转予和功率变换器相连接，通过变换器的功率仪仅是转差功率，双馈调速将转差功率回馈到发电机轴或者电网，这是各种传动系统中效率比较高的。该结构适合于调速范围不宽的风力发电系统，尤其是大、中容量的风力发电系统。

    截至到2003年底，我国累计装机的变速风力发电机的比例还比较低，仅占总容量的6％，分别是甘肃玉门风场的12台Gemesa G42，上海奉贤风场的4台G52以及VESTAS装在辽宁省彰武风电场和康平风电场各12台V52，已经装机的变速系统全部为双馈变速恒频风力发电系统。另外还有部分Vestas的变滑差风力发电系统。
    双馈异步变速恒频风力发电系统按照转子变频器拓扑结构主要可以分为交交变频器、矩阵变换器和变一直一交变频器三大类。交一交变频器采用晶闸管自然换流方式。工作稳定，可靠，适合作为双馈发电机转子绕组的变频器电源，交一交变频的最高输出频率是电网频率的1/3～1/2，在大功率低频范围有很大的  优势。交一交变频没有直流环节，变频效率高，主回路简单，不合直流电路及滤波部分，与电源之间无功功率处理以及有功功率回馈容易。虽然交一交变频双馈系统得到了普遍的应用，但因其功率因数低，高次谐波多，输出频率低，变化范围窄，使用元件数量多使其应用受到了一定的限制。矩阵式变频器是一种交—交直接变频器，由9个直接接于三相输入和输出之间的开关阵组成。矩阵变换器没有中间直流环节，输出由三电平组成，谐波含量比较小；其功率电路简单、紧凑，并可输出频率、幅值及相位可控的正弦负载电压；矩阵变换器的输人功率因数可控，可在四象限工作。虽然矩阵变换器有很多优点，但是在其换流过程中不允许存在两个开关同时导通的或者关断的现象，实现起来比较困难。矩阵变换器最大输出电压能力低，器件承受电压高也是此类变换器一个很大缺点。应用在风力发电中，由于矩阵变换器的输入输出不解耦，即无论是负载还是电源侧的不对称都会影响到另一侧。另外，矩阵变换器的输入端必须接滤波电容，虽然其电容的容量比交直交的中间储能电容小，但由于它们是交流电容，要承受开关频率的交流电流，其体积并不小。目前利坩矩阵变换器的双馈异步风力发电系统还处于研究开发阶段。交—直—交变频器又可以分为电压型和电流型两种，由于控制方法和硬件设计等各种因素，电压型逆变器应用比较广泛。传统的电流型交—直—交变额器采用自然换流的晶闸管作为功率开关，其直流侧电感比较昂贵，而且应用于双馈调速中，在过同步速叫需要换流电路，在低转差频率的条件下性能也比较差，在双馈异步风力发电中应用的小多。采用电压型交—直—交变频器这种整流变频装置具有结构简单、谐波含量少、定转子功率因数可调等优异特点，可以明显地改善双馈发电机的运行状态和输出电能质量，井且该结构通过直流母线侧电容完全实现了网侧和转子侧的分离，是目前变速恒频风力发电的个代表方向。
    截止2003年底，中国所有装机的风力发电机组都是690V的低压机组，没有中高压机组，变速机组中所采用的变频器绝大部分为两电平电压型交—直—交变频器。罗克韦尔公司的PowerFlex7000是采用SGCT的电流源变流器，适用于中压发电机，而风力发电系统发电机为690V，电压等级不适用，如果应用在双馈变速恒频风力发电系统中，电压匹配需要做调整。为了保证转子侧的功率因数，需要采用有源前端，并且要满足电网对发电机谐波的要求。另外，双馈风力发电系统经常需要运行在同步速度附近，PowerFlex7000在低速和零速的性能需要改进。

4、前景展望

    我国风力发电产业的发展实际是从小型风力发电机组开始，并由小及大的。我国小型风力发电的技术比较成熟，能够自行研发容量从0l～10 kW的风力发电机组，累计保有量已经居于世界第一位。离网型风电经过20多年的发展，为农村电气化做出巨大贡献，到2001年底，开发和生产离网风电机组的单位共有43个，其中科研机构16个、主机生产企业17个，配套生产企业10个，年生产能力超过3万台。主要产品品种有100W、150W、200W、300W、500W、600W、IkW、2kW、5 kW、10kW风电机组等。2001年全国共生产各种型号的离网型风电机组12170台（约2577KW）。产品以150W机组为多，占总产量的41．45％，其次是100W和300W机组，分别占总产量的27.29％和19．8％。用户对产品的需求仍足以300W以下机组为主。全国累计到2001年底共生产了离州型风电机组约21万台。同时，我国企业通过合资、合作等形式引进了国外公司的离网型风电机组技术。如内蒙华德新技术公司与德国WENUS公司合作，生产出5kW风电机组，并成功地在新疆、内蒙古、广东等地安装了20多台（套），该机组或风力／柴油／蓄电池独立供电系统、风力提水系统及电视差转台风力供电系统，很好地解决了当地人民群众的牛活和生产用电。内蒙古天力风力机械厂引进法国AEROWATT公司的一个系列7个品种的风力发电机组，其中51 kW机组全部国产化。内蒙古商都牧机厂与瑞典斯维阿勃（SVlAB）公司合作生产了SVLAB065—24型风力发电机组。湖南湘潭电机厂和美国BERGEY公司成立了合资公司，生产600W、1kW风电机组。
    离网风电现在进入稳定的产业化发展时期，与国外同类型机组相比，我国产品具有起动风速低、低速发电性好、限速可靠、运行平稳等优点，而且价格便宜。但在外观质量、叶片材料的应用和制作工艺水平上以及在较大容量的离网型机组的生产制造技术方面，还存在一定差距。
    我国政府为了推动并网风电的商业化发展，2003年9月国家发改委叫确提出我国风电发展的规划目标：2005年全国风电装机容量达到100万KW，2010年全国风电装机容量达到400万kW，2015年全国风电装机容量达到1000万KW，2020年全国风电装机容量达到2000万KW，占全国总装机容量的2％左右。这就意味着在今后5年时问内，每年平均装机容量需达到近60万kW，2010～2015年，需达到近120万KW，2015～2020年，需达到近200万KW。可以预计，我国即将成为世界风电发展最令人瞩目的国家之一。