1 引言
來,全球可再生能源年增長率達(dá)到25%，可再生能源的利用將以電力行業(yè)為主導(dǎo)，非水力可再生能源的發(fā)電比例將擴大兩倍。據(jù)統(tǒng)計，2002年可再生能源的消費量約14億噸油當(dāng)量，2030年將超過22億噸油當(dāng)量?？稍偕茉窗ㄋΑL(fēng)能、太陽能、地?zé)帷⑸镔|(zhì)能、氫能、潮汐和波浪能等等，其中水力發(fā)電已是非常成熟的技術(shù)，風(fēng)能和太陽能發(fā)電是日益成熟的技術(shù)，以燃料電池為代表的氫能是未來最有發(fā)展前途的能源。圖1是全球2003～2030 年新增可再生能源發(fā)電機組容量的估計[1]。
圖1 2003～2030年全球可再生能源發(fā)電裝機容量
可再生能源可保持良好的環(huán)境，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起非常重要的作用。而且可長期持續(xù)供給能源，以合理的成本滿足日益增加的電力需求[2,3]。
可以預(yù)期，到2010年全球分布式可再生能源系統(tǒng)將以2.5～5gw/年的速率增長。
可再生能源技術(shù)是能量貯存設(shè)備和功率電子變換設(shè)備的集成，功率電子在環(huán)境保護(hù)和可再生能源利用中起了非常重要的作用。1980～2000年各種能源發(fā)電的零售價格如圖2所示（美國可再生能源實驗室提供）[4]。它清楚表明隨著科技的進(jìn)步，可再生能源電能的零售價格是穩(wěn)定的下降的。
圖2 1980～2000四種能源的電價
可再生能源的需求逐年增長，日本及歐美國家可再生能源的發(fā)展計劃如表1和表2所示。
2 風(fēng)力發(fā)電
近年來，風(fēng)力發(fā)電是發(fā)展最快的一種可再生能源技術(shù)，風(fēng)力發(fā)電在全球發(fā)電總量中所占的比例將從2002年的0.3% (52tw—小時)增加到2030年的3% (929tw—小時)，這將使風(fēng)力發(fā)電將成為僅次于水電的第二大可再生能源發(fā)電技術(shù)。功率電子和能源存儲設(shè)備的進(jìn)一步發(fā)展，將使風(fēng)力發(fā)電在總投資或發(fā)電費用上可與常規(guī)能源相競爭，風(fēng)能經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的發(fā)展也將促使成本下降，表3顯示風(fēng)力發(fā)電在過去20年的發(fā)展歷程[5]。
但總體來說，風(fēng)力發(fā)電成本一般要高于傳統(tǒng)化能源發(fā)電的成本，如果在風(fēng)力資源良好的地區(qū)，大約每兆瓦—小時的風(fēng)力發(fā)電成本要比化能源發(fā)電成本高45美元，雖然良好風(fēng)力資源直接發(fā)電成本比較接近常規(guī)發(fā)電技術(shù)，但處理間歇發(fā)電和電力并網(wǎng)問題所增加的資金，將會使風(fēng)力發(fā)電成本有較大上升?？捎糜诎l(fā)電的風(fēng)力資源主要包括陸地與近海離岸兩部分資源。
圖3是由異步發(fā)電機和動態(tài)無功補償裝置(d-var)組成的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。d-var可以在風(fēng)力突變情況下保持電壓的穩(wěn)定。當(dāng)風(fēng)力增強或減弱時，線電壓的變化瞬間被檢測并傳送到d-var[6]，其控制電路立即響應(yīng)，調(diào)節(jié)igbt增加無功功率以維持系統(tǒng)電壓。對于多余的無功功率，也可以通過d-var把電能儲存于電容器組。
圖3 裝有d-var裝置的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)
3 世界風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展
世界最早的風(fēng)力發(fā)電機1890年在美國發(fā)明，三葉風(fēng)機槳發(fā)明于1942年，全球風(fēng)力發(fā)電的大發(fā)展出現(xiàn)在20世紀(jì)70～80年代，并網(wǎng)技術(shù)使風(fēng)電場進(jìn)入電力系統(tǒng)。由于單機容量的迅速增大，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的性能與經(jīng)濟(jì)性顯著改善，從1993年起至今，世界各國風(fēng)力發(fā)電的裝機容量以每年30%的速度增長，截至2005年底，世界各國累計風(fēng)力發(fā)電總裝機容量如表4[2]。
過去10年來,歐洲的風(fēng)力發(fā)電有相當(dāng)大的發(fā)展,北歐風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)先進(jìn)性更為顯著。由表4可見,歐洲六國（德、西、丹麥、意、英、荷蘭）2005年裝機容量占60.8%,風(fēng)力發(fā)電量占世界總量的0.5%,歐洲未來發(fā)展的目標(biāo)是:2010年風(fēng)電總裝機容量近75gw,2020達(dá)180gw。預(yù)期到2020年全球風(fēng)力發(fā)電可提供12%的電力供應(yīng)。
現(xiàn)在德國的風(fēng)力發(fā)電裝機容量全球第一，緊接是西班牙、美國、印度和丹麥等。丹麥超過25%的電力來自風(fēng)電。美國2005年初，風(fēng)電總裝機容量達(dá)9149兆瓦，風(fēng)電年增長率為18%，到2020年可提供總電力需求的6%[7]。
印度希望到2012年擠身全球三大風(fēng)機制造商之一，(2001年,印度風(fēng)電總?cè)萘繛?430mw)。英國一項總投資130億美元的15座近海離岸風(fēng)力發(fā)電場正在興建中，總功率為5400～7200mw, 到2010年可提供英國10%的電力，到2020年提供的電力達(dá)到20%[3]。
風(fēng)力發(fā)電機趨于大型化，可以減少占地，降低并網(wǎng)成本和單位功率造價，有利于提高風(fēng)能利用效率。因而兆瓦級容量成為開發(fā)熱點[8]。風(fēng)力發(fā)電機組的技術(shù)也正沿著增大單機容量、提高轉(zhuǎn)換效率的方向發(fā)展。
近年來，全球mw級風(fēng)力發(fā)電機組的市場份額明顯增大，l997年以前還不到10%，2001年則超過一半，2002年達(dá)到62.1%，2003年全球安裝的風(fēng)力發(fā)電單機容量平均達(dá)到1.2mw。我國風(fēng)電機組單機容量也從600kw逐步走向mw級。
隨著海上風(fēng)電場的建設(shè)，需要單機容量更大的機組，2.5mw的機組目前已經(jīng)投入運行，3～5mw的巨型機組也已經(jīng)推向市場。2002年安裝的最大樣機是德國enercon公司的e-112型機組，風(fēng)輪直徑達(dá)到112m，額定功率4.5mw；美國ge公司的ge3.6型機組，葉輪直徑l00m，額定功率3.6mw。目前repower systems ag等公司推出的單機容量已達(dá)5mw，如表5所示，可以預(yù)見兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機將在風(fēng)力發(fā)電市場特別是海上風(fēng)電場中占主導(dǎo)地位。
4 我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀和展望
中國幅員遼闊，陸疆總長2萬多公里，海岸線1.8萬多公里，風(fēng)能資源豐富。根據(jù)資料統(tǒng)計，經(jīng)濟(jì)可開發(fā)的陸地風(fēng)能資源大約為253gw，可利用的海洋風(fēng)能資源經(jīng)濟(jì)可開發(fā)量大約為750gw。沿著東南沿海和附近的島嶼，以及內(nèi)蒙古、新疆、甘肅、青藏高原等地區(qū)都蘊藏著豐富的風(fēng)能資源。年平均風(fēng)速6m/s以上的內(nèi)陸地區(qū)約占全國總面積的1%，僅次于美國和俄羅斯，居世界第三位[9,10]。
2005年底，我國新增風(fēng)力發(fā)電裝機容量為583mw，風(fēng)力發(fā)電總量超過1260mw。我國利用風(fēng)能較好的省份是遼寧、新疆和內(nèi)蒙。由于遼寧省風(fēng)力資源較好，而且得到地方政府支持，該省共建設(shè)11個風(fēng)電場，裝機容量位居全國第一位。
我國1985年在海南東方風(fēng)電場安裝首臺vestas 55kw風(fēng)力發(fā)電機組，1986年，我國第一個風(fēng)電場在山東萊城并網(wǎng)發(fā)電。經(jīng)過20年來的努力，我國在開發(fā)利用風(fēng)能方面取得了長足發(fā)展，到2005年底，我國已建成61個風(fēng)電場（臺灣9個風(fēng)電場尚未計入）所發(fā)電量占全國總發(fā)電量的0.12%，2005年，年增長率達(dá)65%，具體數(shù)據(jù)如表6所示[2]。
在國家科技攻關(guān)項目、863等項目支持下，我國已經(jīng)基本掌握了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及主要部件的設(shè)計和制造技術(shù)，具備了200、250、600、750kw風(fēng)力發(fā)電機組批量生產(chǎn)能力?！笆濉逼陂g，我國完成mw級風(fēng)力發(fā)電機組的研制，為風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)參與常規(guī)能源市場競爭奠定基礎(chǔ)，這將對我國的生態(tài)環(huán)境保護(hù)、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、實現(xiàn)國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展起到積極的促進(jìn)作用。我國風(fēng)電場安裝最多的機型是600kw風(fēng)力發(fā)電機組。2001年遼寧營口仙人島風(fēng)電場安裝了4臺1.3mw風(fēng)力發(fā)電機組，這是我國迄今為止單機容量最大的機組，國內(nèi)正在研制開發(fā)1.5mw的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)和裝備。
目前，我國國產(chǎn)化機組產(chǎn)量仍然偏小，遠(yuǎn)未達(dá)到規(guī)模效益，使得零部件采購價格偏高，利潤空間很小。因此，我國的風(fēng)力發(fā)電裝備市場至今仍由國外風(fēng)力發(fā)電機組占據(jù)。截至2003年底，國外風(fēng)力發(fā)電機組在國內(nèi)的銷售量占市場份額的84.65％，而國產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備僅占國內(nèi)市場份額的15.35％。這一現(xiàn)實要求我國的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的制造企業(yè)，應(yīng)加快適合中國國情的新型風(fēng)力發(fā)電裝備的研制進(jìn)度，盡快提高大型風(fēng)力發(fā)電裝備的設(shè)計和制造技術(shù)，加大風(fēng)力發(fā)電裝備國產(chǎn)化進(jìn)程。注意穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，提高國產(chǎn)機組可靠性，以取得風(fēng)電場建設(shè)者的認(rèn)可，逐步加大市場份額。
據(jù)報道，到2020年，預(yù)計我國可再生能源裝機容量為121gw，其中風(fēng)電裝機容量達(dá)30gw。我國計劃在2010年以前新建20座風(fēng)力發(fā)電場，每座風(fēng)場的發(fā)電能力達(dá)到100mw，并要求風(fēng)力發(fā)電裝備本土化。在未來中國風(fēng)能利用的發(fā)展過程中，必須購買一定比例的風(fēng)能等可再生能源發(fā)電裝備是風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的關(guān)鍵，需要通過相關(guān)的法規(guī)予以保證，現(xiàn)正在制定過程中。風(fēng)力資源的好壞直接關(guān)系到風(fēng)電的成本高低，我國尚未建立風(fēng)力資源數(shù)據(jù)庫。風(fēng)力發(fā)電機的標(biāo)準(zhǔn)化工作還存在一定的差距，需要盡快完善。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)適合于安裝在風(fēng)力資源豐富的地區(qū)，目前風(fēng)電場建設(shè)有從陸地走向海洋的趨勢，我國海岸線較長，可利用的海洋風(fēng)能資源豐富，發(fā)展海上風(fēng)電場是我國風(fēng)力發(fā)電的一個重要方向。風(fēng)電的斷續(xù)性、低可靠性以及并網(wǎng)的困難，都會影響我國風(fēng)力發(fā)電的進(jìn)一步發(fā)展，值得注意。
5 風(fēng)力發(fā)電機的種類
目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中經(jīng)常采用的是交流勵磁的雙饋異步發(fā)電機、同步發(fā)電機或者直接驅(qū)動的多級永磁同步發(fā)電機，圖4為三種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)鋱D，系統(tǒng)運行時，不同的風(fēng)速下控制發(fā)電機變速運行，提高風(fēng)能的利用率，系統(tǒng)送入電網(wǎng)的電壓頻率恒定。對于雙饋異步發(fā)電機，通過控制轉(zhuǎn)子側(cè)滑差功率來改變其轉(zhuǎn)速；對于同步發(fā)電機，通過控制定子側(cè)有功功率來改變其轉(zhuǎn)速[11]。
圖4 三種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)鋱D
6 風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)
風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制子系統(tǒng)非常復(fù)雜，通常分為電氣和機械控制兩個子系統(tǒng)，電氣控制子系統(tǒng)的功能是:網(wǎng)側(cè)變流器驅(qū)動、機側(cè)變流器驅(qū)動和無功電容器組的投切;機械子系統(tǒng)的功能是:調(diào)節(jié)槳矩角、并網(wǎng)控制、偏航控制、制動和剎車等[11]。
（1）四象限變流器的設(shè)計
目前，國內(nèi)有很多廠家有能力生產(chǎn)四象限運行的變流裝置，然而它們的容量都很有限。隨著并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機的大型化發(fā)展，大容量變流器的實現(xiàn)非常關(guān)鍵；隨著容量的增大，變流器的可靠性、電磁兼容性等問題不可忽視。
（2）風(fēng)電機組模擬系統(tǒng)的設(shè)計
控制系統(tǒng)的優(yōu)劣需要通過一系列的實驗來檢驗，一般是在實驗室用原動機模擬風(fēng)電機組機械特性，通過原動機帶動發(fā)電機來驗證控制系統(tǒng)的性能。因此，風(fēng)力機模擬系統(tǒng)設(shè)計的好壞直接關(guān)系到實驗效果，該系統(tǒng)不但需要實現(xiàn)風(fēng)電機組的機械特性，而且需要保證風(fēng)速變化瞬間的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度。
（3）雙饋電機控制技術(shù)
雙饋電機的變速控制可以提高風(fēng)電系統(tǒng)的效率。如何找到系統(tǒng)的最優(yōu)運行點，實現(xiàn)最大風(fēng)能的捕獲;如何實現(xiàn)輸出電能的諧波盡可能小，功率因數(shù)接近為1，以上性能要求對雙饋電機的控制方法和控制系統(tǒng)設(shè)計帶來了挑戰(zhàn)。
（4）并網(wǎng)技術(shù)
并網(wǎng)技術(shù)包括并網(wǎng)條件監(jiān)測和并網(wǎng)控制。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是一類復(fù)雜的大系統(tǒng)，需要監(jiān)測的物理量非常多，包括風(fēng)速、電網(wǎng)電壓（相位、幅值、頻率）、風(fēng)機轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)溫度等等，對上述物理量的有效監(jiān)測有助于系統(tǒng)的穩(wěn)定性運行。并網(wǎng)控制對風(fēng)電系統(tǒng)的并網(wǎng)運行至關(guān)重要，其難點在于如何減小并網(wǎng)沖擊，以及如何與最大風(fēng)能捕獲和電能質(zhì)量控制相結(jié)合。
（5）槳矩角控制技術(shù)
槳矩角控制的目的在于限制風(fēng)機轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)輸出功率。由于槳矩角與風(fēng)機轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)輸出功率為強非線性關(guān)系，因此其控制規(guī)律很難把握，這給槳矩角控制帶來了困難。
（6）系統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)
由于風(fēng)機的安裝、起吊非常復(fù)雜昂貴，合理有效的實時監(jiān)測可以預(yù)防故障的發(fā)生，降低系統(tǒng)的運行成本，因此很有必要對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并根據(jù)監(jiān)測量作及時必要的容錯控制。而且風(fēng)能的隨機性和系統(tǒng)中大量電力電子裝置給輸出電能帶來了大量的諧波，電能質(zhì)量監(jiān)測評估也非常重要。
7 結(jié)束語
清華大學(xué)電機系多年來致力于國產(chǎn)化mw級變速恒頻雙饋異步發(fā)電機系統(tǒng)的研制，2003年研制出0.6mw雙饋異步電機風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，完成了并網(wǎng)試驗，2005年1月通過教育部主持的鑒定。其特點是當(dāng)風(fēng)速大范圍變動時，能通過有功和無功功率的解耦控制，維持發(fā)電頻率的恒定，而且還能夠調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率因數(shù)，減少輸出電壓的諧波，降低電機的損耗。目前清華大學(xué)已完成1.5mw的變速恒頻雙饋異步發(fā)電機系統(tǒng)試驗樣機的調(diào)試[12,13]。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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