劉　波，賀志佳，金　昊

(東北電力大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

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風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

劉波，賀志佳，金昊

(東北電力大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

摘要：全球性的能源危機(jī)與環(huán)境污染使清潔、可再生能源得到廣泛關(guān)注，風(fēng)力發(fā)電作為風(fēng)能的開發(fā)利用受到世界許多國家的重視，積極鼓勵(lì)開展風(fēng)力發(fā)電，全球的風(fēng)電迅速發(fā)展擴(kuò)張，使風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀與發(fā)展前景相當(dāng)可觀。對國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電累計(jì)裝機(jī)、單機(jī)組容量、機(jī)組設(shè)計(jì)制造與控制技術(shù)及海上風(fēng)電等現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理、分析與歸納，并對我國風(fēng)電發(fā)展及存在問題進(jìn)行了詳細(xì)闡述；指出了風(fēng)電發(fā)展趨勢及我國風(fēng)電的發(fā)展方向。對全面掌握世界各國風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀；了解風(fēng)電發(fā)展趨勢；指導(dǎo)我國發(fā)展風(fēng)電、尋找差距、加快風(fēng)電技術(shù)的國產(chǎn)化進(jìn)程具有重要意義。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；發(fā)展；現(xiàn)狀；趨勢

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速增長，人類對于能源的需求也在不斷的增加。人類的生存離不開能源的開發(fā)，充足的能源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必要條件?？萍嫉娘w速發(fā)展導(dǎo)致以煤炭、石油、天然氣為主的常規(guī)能源過度的消耗，能源短缺和環(huán)境污染成為限制各國發(fā)展的主要問題，只有大力開發(fā)新能源，才能實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。新能源的開發(fā)與利用不僅能夠作為常規(guī)能源的補(bǔ)充，而且也可以有效的降低環(huán)境的污染[1]。

在新能源發(fā)展進(jìn)程中，風(fēng)能憑借著其建設(shè)周期短，環(huán)境要求低，儲(chǔ)量豐富，利用率較高等特點(diǎn)在世界各國得到了持續(xù)快速的發(fā)展。由于風(fēng)力發(fā)電是低排放、低污染的低碳電力發(fā)展模式，因此將其作為電能可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略選擇之一[2]。在2014年，中國陸上風(fēng)電年度新增裝機(jī)量達(dá)到20 700 MW，但是風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展不僅只是要求裝機(jī)總量的增加，還應(yīng)加強(qiáng)電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)以及提高解決技術(shù)問題的能力。在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，通過風(fēng)電機(jī)組自動(dòng)脫網(wǎng)來應(yīng)對的方法只適用于風(fēng)電裝機(jī)比例較低的情況，隨著風(fēng)電裝機(jī)比例的增加，切除風(fēng)機(jī)不僅會(huì)帶來大面積停電的問題，還會(huì)引起電網(wǎng)頻率的變化。現(xiàn)在的風(fēng)電場運(yùn)行規(guī)則要求在電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時(shí)，風(fēng)電機(jī)組能夠維持不脫網(wǎng)地運(yùn)行，當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落幅度較大時(shí)，風(fēng)電場還應(yīng)具有一定的無功補(bǔ)償能力。因此各國相繼提出了很嚴(yán)格的故障穿越標(biāo)準(zhǔn)[3]，要求機(jī)組在電網(wǎng)故障情況下能夠按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的時(shí)間并網(wǎng)運(yùn)行[4-5]。我國也提出了風(fēng)電場接入電網(wǎng)的技術(shù)要求[6]。

1風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀

近年來，全球風(fēng)力發(fā)電行業(yè)正進(jìn)入迅速發(fā)展擴(kuò)張階段，保持每年20%的增速，到2015年該行業(yè)總價(jià)值將達(dá)到目前平均水平的5倍以上。風(fēng)力發(fā)電行業(yè)在技術(shù)上的成熟度和在經(jīng)濟(jì)上的可行性，再加上各國政府不斷出臺(tái)可再生能源的鼓勵(lì)政策，使得風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展前景相當(dāng)可觀。

隨著20世紀(jì)八、九十年代風(fēng)電技術(shù)在歐洲的快速發(fā)展，機(jī)組單機(jī)容量也在不斷發(fā)展，1987-1997年10年間，風(fēng)電機(jī)組制造技術(shù)更加趨于成熟，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)開始了穩(wěn)定的商業(yè)模式并且大規(guī)模發(fā)展，1997年至今是風(fēng)電產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展時(shí)期，雙饋異步和永磁直驅(qū)式變速恒頻風(fēng)電機(jī)組已成為兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主流技術(shù)形式。

1.1風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量

隨著近年來風(fēng)電技術(shù)的不斷提高，世界各國的風(fēng)電并網(wǎng)容量也在不斷擴(kuò)大。各個(gè)國家對風(fēng)力發(fā)電的重視在不斷提升，全球的風(fēng)電裝機(jī)容量在近幾年中得到了顯著的提高[7]。2013年全球風(fēng)電新增總裝機(jī)容量為35 GW，與2012年相比，全球風(fēng)電新增的裝機(jī)容量出現(xiàn)小幅度下降，但是在如今全球經(jīng)濟(jì)衰退的大背景下，在制造行業(yè)中風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)的年增長率依然處于領(lǐng)先地位。目前，全球電力的發(fā)展受到環(huán)境以及能源短缺等諸多方面因素的影響，中國迫切地需要一個(gè)無須進(jìn)口且具有清潔、可靠、易于安裝等特點(diǎn)的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)電力的發(fā)展，因此，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)成為滿足這些條件的不二選擇[8-9]。

我國可開發(fā)的陸地和海洋風(fēng)能資源大約分別為253 GW和750 GW。年平均風(fēng)速達(dá)6 m/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。

根據(jù)中國可再生能源學(xué)會(huì)風(fēng)能專業(yè)委員會(huì)(CWEA)發(fā)布的《2015年1月至6月中國風(fēng)電裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)》報(bào)告顯示，與2014年同期相比，2 MW機(jī)組新增裝機(jī)容量增長13%，1.5 MW機(jī)組新增裝機(jī)容量下降了14%，在這一增一減之間，2 MW機(jī)組的風(fēng)電機(jī)組新增裝機(jī)量超過了1.5MW型風(fēng)電機(jī)組，成為2015年上半年新增裝機(jī)容量最高的機(jī)型。

在累計(jì)裝機(jī)容量方面，2 MW幾組的累計(jì)裝機(jī)容量不到1.5 MW機(jī)組的一半(詳見圖2)。但從圖2也能明顯看出，2 MW幾組的累計(jì)裝機(jī)上升趨勢更為明顯一些。

通過數(shù)據(jù)的對比，我們可以得出這樣的結(jié)論，風(fēng)電機(jī)組中最受歡迎的單機(jī)容量目前還很難分出伯仲。在未來的一段時(shí)間中，1.5 MW和2 MW機(jī)組都將是最受歡迎的機(jī)型，而其他容量機(jī)型想要追趕上他們，在短時(shí)間內(nèi)或?qū)⒑茈y實(shí)現(xiàn)。

圖1 1.5MW機(jī)組與2MW機(jī)組歷年新增裝機(jī)情況圖2 1.5MW機(jī)組與2MW機(jī)組歷年累計(jì)裝機(jī)情

1.2設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造與運(yùn)行控制技術(shù)

2009年，西班牙風(fēng)力發(fā)電機(jī)組制造商Gamesa在本土安裝了第一臺(tái)4.5 MW風(fēng)電機(jī)組[10]，葉輪直徑為128 m、機(jī)組采用中速齒輪箱和永磁同步發(fā)電機(jī)及全功率變流器設(shè)計(jì)，可以使機(jī)組在較低功率下運(yùn)行，提高了機(jī)組的可利用率；采用多變量控制系統(tǒng)配合獨(dú)立的葉片變槳控制，可以有效地降低機(jī)組的荷載，延長機(jī)組壽命。

美國風(fēng)電設(shè)備制造商GE的產(chǎn)能位居世界第一，其機(jī)型一種是雙饋部分容量功率變流器結(jié)構(gòu)，如1.5 MW和海上用3.6 MW機(jī)組；另一種是帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的永磁全容量功率變流器結(jié)構(gòu)，如2.5 MW和3.0 MW。在產(chǎn)品應(yīng)用方面，GE風(fēng)能已經(jīng)研發(fā)出一種閉環(huán)風(fēng)電場電壓控制，稱之為“動(dòng)態(tài)無功控制”(WindVAR)，可以向電網(wǎng)提供無功并穩(wěn)定電壓。

歐洲是世界海上風(fēng)電發(fā)展的先驅(qū)和海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)中心，擁有如雙饋齒輪驅(qū)動(dòng)、無齒輪直驅(qū)及混合驅(qū)動(dòng)技術(shù)等先進(jìn)的核心技術(shù)。并且如德國的Siemens、Vensys及丹麥的Vestas公司是海上風(fēng)機(jī)主要制造商。Vestas公司主要生產(chǎn)2 MW以下采用優(yōu)化滑差、主動(dòng)失速控制和2 MW以上采用雙饋?zhàn)兯?、?dú)立變距控制的兩種機(jī)型。德國Vensys公司的主要機(jī)型為1.2 MW和1.5 MW采用外轉(zhuǎn)子式永磁直驅(qū)式發(fā)電機(jī)、全容量變流器控制結(jié)構(gòu)。

在風(fēng)電設(shè)備的設(shè)計(jì)制造與運(yùn)行控制技術(shù)方面，丹麥Vestas公司推出的V164-7.0 MW機(jī)組的葉片長度達(dá)到了80 m，可以捕獲更多的風(fēng)能。同時(shí)，在降低葉片動(dòng)態(tài)載荷的獨(dú)立變槳控制功能方面進(jìn)行了深入研究并采取了創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

歐洲ENERCON、WINWIND等公司均發(fā)展和應(yīng)用了全功率變流并網(wǎng)技術(shù)，使風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)的調(diào)速范圍可從0到150%的額定轉(zhuǎn)速，提高了風(fēng)能的利用范圍，改善了向電網(wǎng)供電的電能質(zhì)量。ENERCON公司還將原來對每個(gè)風(fēng)電機(jī)組功率因數(shù)的分散控制加以集中，由并網(wǎng)變電站來統(tǒng)一調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)的有源功率因素校正和諧波補(bǔ)償。

由于變槳距功率調(diào)節(jié)方式具有載荷控制平穩(wěn)、安全和高效等優(yōu)點(diǎn)，近年在大型風(fēng)電機(jī)組上得到了廣泛采用。結(jié)合變槳距技術(shù)的應(yīng)用以及電力電子技術(shù)的發(fā)展，大多風(fēng)電機(jī)組開發(fā)制造廠商開始使用變速恒頻技術(shù)，并開發(fā)出了變槳變速風(fēng)電機(jī)組，使得在風(fēng)能轉(zhuǎn)換上有了進(jìn)一步完善和提高。

縱觀整個(gè)風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展歷程，可將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)從控制技術(shù)和運(yùn)行方式兩個(gè)方面進(jìn)行劃分，分別是變速恒頻和恒速恒頻兩大發(fā)電系統(tǒng)[11]。在風(fēng)力發(fā)電初始階段，采用較多的為定槳距恒速恒頻風(fēng)力機(jī)，但其最大的缺點(diǎn)是不能夠根據(jù)風(fēng)速變化進(jìn)行槳距角的調(diào)節(jié)，導(dǎo)致風(fēng)能利用率較低。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)日趨成熟，單機(jī)容量不斷的增大，低效率的定槳距角控制風(fēng)機(jī)的策略已經(jīng)無法滿足風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。為了使風(fēng)機(jī)能夠獲得最大程度的捕獲風(fēng)能，提高風(fēng)能的利用率，就必須對風(fēng)機(jī)的制造技術(shù)和控制技術(shù)進(jìn)行不斷地改進(jìn)，因此更為先進(jìn)的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)(VSCF，Variable Speed Constant Frequency)應(yīng)運(yùn)而生。VSCF 這類風(fēng)機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)是其發(fā)電機(jī)可根據(jù)風(fēng)速的變化進(jìn)而調(diào)整自身風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)速度，使之與風(fēng)速的變化相適應(yīng)并在最佳轉(zhuǎn)速附近運(yùn)行，最大限度的提高了風(fēng)能利用率。另外，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)常采用先進(jìn)的脈寬調(diào)制技術(shù)(Pulse Width Modulation，PWM)，不但可以降低開關(guān)的損耗率，而且可以靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率、抑制諧波，提高了風(fēng)能的利用率。風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，致使并網(wǎng)容量在逐年增加，恒速恒頻發(fā)電機(jī)組已逐漸被技術(shù)更為先進(jìn)的變速恒頻發(fā)電機(jī)組所取代。而雙饋式感應(yīng)異步發(fā)電機(jī)(DFIG，Double-fed Induction Generator)和直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)(PMSG)作為變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組兩大主流機(jī)組，近幾年來得到了飛速的發(fā)展[12]。

其中雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作為早期大量投入建設(shè)的機(jī)組，其所占市場份額已超過一半[13]。DFIG雖然具有較強(qiáng)的運(yùn)行能力，但對發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速要求很高，在電網(wǎng)故障期間，由于發(fā)電機(jī)定子與電網(wǎng)直接相連的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，會(huì)對發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行造成干擾。與DFIG相比，直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有以下優(yōu)點(diǎn)[14]：

(1) 增加了磁極對數(shù)，降低轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)無需齒輪箱連接，沒有齒輪箱造成的機(jī)械故障，簡化了風(fēng)電系統(tǒng)的組成，延長機(jī)組的運(yùn)行壽命，同時(shí)提高了機(jī)組的可靠性；

(2) 由于中間傳動(dòng)部件的減少，縮短了機(jī)組的生產(chǎn)與安裝周期，減少了機(jī)械損耗，機(jī)組的效率得到提高，同時(shí)也降低了機(jī)組運(yùn)行時(shí)的噪音；用永磁體代替電勵(lì)磁，不用外接勵(lì)磁電源，沒有集電環(huán)和電刷，運(yùn)行效率和可靠性大幅提高；

(3) 通過全功率PWM變流器將永磁發(fā)電機(jī)跟電網(wǎng)之間隔開，提高了機(jī)組的可靠性，與雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比，具有更好的低電壓穿越能力；

(4) 永磁同步發(fā)電機(jī)因?yàn)榫邆渫鈬娣e大的特點(diǎn)，容易散熱，可利用自然通風(fēng)冷卻機(jī)組。無需電勵(lì)磁，轉(zhuǎn)子損耗可忽略不計(jì)，且直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)組運(yùn)行功率因數(shù)值接近為1，電網(wǎng)兼容性強(qiáng)，具有無功調(diào)節(jié)能力，可提高電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量。

考慮到成本和安全性，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)方面的研究大多不能在真實(shí)的系統(tǒng)中進(jìn)行試驗(yàn)，所以通過仿真軟件對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行特性進(jìn)行研究顯得尤為重要。目前電力系統(tǒng)應(yīng)用較多的仿真軟件主要有PSASP，BPA，DigSILENT，PSCAD/EMTDC，MATLAB，Power World Simulator 等[15]。

1.3風(fēng)電聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行

風(fēng)電是一種強(qiáng)隨機(jī)波動(dòng)性、低可控性電源，風(fēng)電大規(guī)模接入對電網(wǎng)的運(yùn)行會(huì)帶來不利影響；同時(shí)電網(wǎng)擾動(dòng)或運(yùn)行品質(zhì)的惡化，又會(huì)影響聯(lián)網(wǎng)風(fēng)電的運(yùn)行[16]。風(fēng)電隨機(jī)波動(dòng)且不完全受控的電源特性與電網(wǎng)保證安全運(yùn)行的要求在本質(zhì)上是矛盾對立的關(guān)系，因此風(fēng)電電源與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)性顯得尤為重要。通過掌握風(fēng)電電源特性、準(zhǔn)確評估風(fēng)電對電網(wǎng)的影響，充分挖掘既有電網(wǎng)的風(fēng)電接納能力，使得該矛盾在電網(wǎng)安全運(yùn)行的邊界內(nèi)得到最大限度的協(xié)調(diào)。

目前風(fēng)電相關(guān)研究包括風(fēng)電功率預(yù)測、風(fēng)電聯(lián)網(wǎng)對電網(wǎng)影響及改善方法、電網(wǎng)風(fēng)電接納能力以及風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力等方向，上述研究基本屬于較為獨(dú)立的研究。對于改善源網(wǎng)之間協(xié)調(diào)的矛盾而言，更需要對風(fēng)電電源自身屬性以及從宏觀角度對風(fēng)電大規(guī)模接入電網(wǎng)后源網(wǎng)之間相互影響、相互制約的機(jī)理進(jìn)行研究，而這些研究目前尚屬空白。

2我國風(fēng)電發(fā)展進(jìn)程及存在的問題

近年來，在風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)和關(guān)鍵部件生產(chǎn)制造方面，我國的自主設(shè)計(jì)能力有所提高。通過技術(shù)引進(jìn)、消化吸收、聯(lián)合設(shè)計(jì)和自主研發(fā)等手段，打破了國外對兆瓦級機(jī)組設(shè)計(jì)制造技術(shù)的壟斷，金風(fēng)科技、華銳風(fēng)電、聯(lián)合動(dòng)力、東方電氣等企業(yè)都掌握了兆瓦級風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵的設(shè)計(jì)制造技術(shù)，其中，1.5 MW和2 MW整機(jī)設(shè)計(jì)已成熟，成為國內(nèi)陸上風(fēng)電機(jī)組的主流機(jī)型；并且在引進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)上自主創(chuàng)新，開發(fā)出了適應(yīng)中國風(fēng)資源和氣候特征的1.5 MW和2 MW低溫型、高原型及超低風(fēng)速型風(fēng)電機(jī)組。有多家企業(yè)完成5 MW和6 MW風(fēng)電機(jī)組樣機(jī)試制，10 MW等更高功率等級的風(fēng)電機(jī)組也已處于概念設(shè)計(jì)階段。在關(guān)鍵部件方面，葉片、齒輪箱和發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)能力也取得了一定進(jìn)步，如國內(nèi)已能生產(chǎn)度大于48.8 m、與3 MW風(fēng)電機(jī)組配套的大尺寸葉片，與6 MW風(fēng)電機(jī)組配套的葉片也已經(jīng)下線[17]。大連重工也已研發(fā)出用于匹配6 MW機(jī)組的齒輪箱產(chǎn)品，并在北京國際風(fēng)能大會(huì)受到廣泛關(guān)注。

目前，通過引進(jìn)或自主研發(fā)、建設(shè)高水平實(shí)驗(yàn)室和測試平臺(tái)等措施，形成了比較完整的自主研發(fā)體系。金風(fēng)科技開發(fā)了永磁直驅(qū)技術(shù)，開創(chuàng)了齒輪箱之外的又一風(fēng)電技術(shù)路徑；聯(lián)合動(dòng)力針對各類風(fēng)資源，研發(fā)了大容量、低風(fēng)速、高海拔、防風(fēng)沙、潮間帶、直驅(qū)永磁和?；L(fēng)機(jī)等多系列風(fēng)機(jī)產(chǎn)品。華銳風(fēng)電已經(jīng)開發(fā)出了我國自主研發(fā)、擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、全球技術(shù)領(lǐng)先的電網(wǎng)友好型國內(nèi)首臺(tái)6 MW海上風(fēng)電機(jī)組，使我國成為繼德國之后第二個(gè)能自主生產(chǎn)單機(jī)容量為6 MW風(fēng)電機(jī)組的國家。

但是，我國對大型風(fēng)力發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)的研究還十分薄弱，風(fēng)電機(jī)組的大型化、變槳距控制、無齒輪箱風(fēng)機(jī)直驅(qū)發(fā)電、變速恒頻運(yùn)行等先進(jìn)技術(shù)還未根本解決，大型風(fēng)電機(jī)組幾乎全部為進(jìn)口產(chǎn)品；在風(fēng)電設(shè)備制造方面，國產(chǎn)機(jī)組設(shè)備質(zhì)量雖逐年提高，但質(zhì)量問題仍然存在。采用國產(chǎn)機(jī)組的風(fēng)電場，機(jī)組可利用率仍低于采用國際先進(jìn)品牌的機(jī)組。根據(jù)龍?jiān)垂镜墓浪?，整體上要低6%左右，近五年投入運(yùn)行的一些國產(chǎn)機(jī)組也出現(xiàn)過輪轂裂紋、主軸問題、齒輪箱、電機(jī)故障等較大的質(zhì)量和技術(shù)問題；在風(fēng)電機(jī)組的整機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)軟件方面，特別是依據(jù)我國風(fēng)況條件的自主設(shè)計(jì)、研發(fā)的兆瓦級新型機(jī)組的能力不足，尚未開發(fā)出適宜我國資源條件的風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)。

與歐洲先進(jìn)國家相比，我國海上風(fēng)力資源測量分析技術(shù)較為落后，海上風(fēng)電場選址技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)不足，而且我國海上風(fēng)電場裝機(jī)容量較小，投入運(yùn)行的時(shí)間短，機(jī)組的可靠性和適應(yīng)性也需要通過考核驗(yàn)證。我國已經(jīng)批量生產(chǎn)并應(yīng)用的海上風(fēng)電機(jī)組為2.5 MW和3 MW，5 MW和6 MW海上風(fēng)電機(jī)組仍處于試驗(yàn)和示范應(yīng)用階段。在風(fēng)電場設(shè)計(jì)建設(shè)、風(fēng)資源分析、風(fēng)電行業(yè)公共研究測試平臺(tái)等方面也有不少差距。

另外，在我國風(fēng)電迅猛發(fā)展的同時(shí)，相應(yīng)輸送、消納配套產(chǎn)業(yè)發(fā)展滯后，導(dǎo)致一些電網(wǎng)出現(xiàn)新建風(fēng)電機(jī)組不能投運(yùn)和在役風(fēng)電機(jī)組大量棄風(fēng)的問題?！帮L(fēng)電入網(wǎng)送出難”已成為制約我國風(fēng)電發(fā)展的主要問題。

3風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展趨勢

隨著風(fēng)能的不斷開發(fā)利用，世界各國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，裝機(jī)容量連年上升，生產(chǎn)制造技術(shù)及控制技術(shù)不斷完善，并且風(fēng)電開發(fā)向海上發(fā)展的趨勢更加表明風(fēng)力發(fā)電正穩(wěn)步發(fā)展。

3.1機(jī)組單機(jī)容量持續(xù)增大

機(jī)組單機(jī)容量增大有利于提高風(fēng)能利用效率，降低單位成本，擴(kuò)大風(fēng)電場的規(guī)模效應(yīng)，減少風(fēng)電場的占地面積的應(yīng)用。 2005年以前，750 kW以下如600 kW是主流機(jī)型，2005年～2008年750 kW機(jī)組開始成為主機(jī)型，期間1.5 MW已經(jīng)開始研制并推向市場。2008年至今，3 MW以下，即1.5 MW和2.5 MW引領(lǐng)市場。預(yù)計(jì)2015年前2.5 MW將有大力發(fā)展。

海上風(fēng)電場的開發(fā)進(jìn)一步加快了大容量風(fēng)電機(jī)組的發(fā)展，單機(jī)容量為5 MW～6 MW的風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)營。美國7 MW風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)研制成功，正在研制10 MW機(jī)組；英國10 MW機(jī)組也正在進(jìn)行設(shè)計(jì)，挪威正在研制14 MW的機(jī)組，歐盟正在考慮研制20 MW的風(fēng)電機(jī)組，全球各主要風(fēng)電機(jī)組制造廠商都在為未來更大規(guī)模的海上風(fēng)電場建設(shè)做前期開發(fā)。

3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)向緊湊、柔性、輕盈化發(fā)展

隨著風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的不斷增大，為了便于運(yùn)輸和安裝，要求機(jī)組在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上做到緊湊、柔性和輕盈化。充分利用高新復(fù)合材料加長風(fēng)機(jī)葉片；采用直驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；調(diào)向系統(tǒng)放在塔架底部；整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)被置于緊湊的整鑄框架上，使荷載力以最佳方式從輪轂傳導(dǎo)到塔筒上等[17]。

3.3雙饋異步發(fā)電技術(shù)仍占主導(dǎo)地位

以丹麥Vestas公司的V80、V90為代表的雙饋異步型變速風(fēng)電機(jī)組，在國際市場中所占份額最大；西門子、德國的REpower等多家公司都在生產(chǎn)雙饋異步型變速風(fēng)電機(jī)組，其中德國REpower公司基于該技術(shù)開發(fā)的單機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到5 MW；2009年全球新增風(fēng)電機(jī)組中，雙饋異步變速型機(jī)組仍然占80%以上。目前，歐洲正在開發(fā)10 MW的雙饋異步型變速恒頻風(fēng)電機(jī)組。

我國內(nèi)資企業(yè)華銳風(fēng)電、國電聯(lián)合動(dòng)力等企業(yè)也在生產(chǎn)同類型變速風(fēng)電機(jī)組。2009年在我國新增風(fēng)電機(jī)組中，雙饋異步變速型機(jī)組仍然占82%以上。目前，華銳風(fēng)電研發(fā)的3 MW的雙饋異步型變速恒頻風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)投入運(yùn)行。

3.4直驅(qū)式、全功率變流技術(shù)將迅速發(fā)展

無齒輪箱的直驅(qū)方式能有效地減少由于齒輪箱問題而造成的機(jī)組故障，可有效提高系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性和壽命，減少維護(hù)成本。西門子公司已經(jīng)在丹麥的西部安裝了兩臺(tái)3.0 MW的直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組。我國金風(fēng)公司與德國Vensys公司合作研制的1.5 MW直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組已有上千臺(tái)安裝在國內(nèi)風(fēng)電場；同時(shí)，我國湘電公司的2 MW直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組也已批量進(jìn)入市場；廣西銀河艾邁迪、航天萬源等制造商也在積極開發(fā)研制直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組。

伴隨著直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組的出現(xiàn)，全功率變流技術(shù)得到了發(fā)展和應(yīng)用。全功率變流技術(shù)對低電壓穿越有很好且簡單的解決方案，為下一步風(fēng)電機(jī)組在故障狀態(tài)下控制技術(shù)的發(fā)展提供了有利條件。

3.5大型機(jī)組關(guān)鍵部件性能逐漸提高

隨著機(jī)組單機(jī)容量不斷增大，關(guān)鍵部件的性能指標(biāo)都有了提高，國外已研發(fā)出3 kV～12 kV的風(fēng)力發(fā)電專用高壓發(fā)電機(jī)；高壓三電平變流器的應(yīng)用大大減少了功率器件的損耗，使逆變效率達(dá)到了98%以上；德國Enercon公司對槳葉及變槳距系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，使葉片的風(fēng)能利用系數(shù)達(dá)到了0.5以上。

3.6機(jī)組運(yùn)行將引入智能控制技術(shù)

近年來，針對風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)及控制系統(tǒng)的特性，各種先進(jìn)的智能控制策略相繼提出并應(yīng)用于變槳距控制系統(tǒng)中，不同程度上解決了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的非線性、隨機(jī)擾動(dòng)等問題?；诟倪M(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最佳功率跟蹤控制策略，采用BP學(xué)習(xí)算法和改進(jìn)的粒子群優(yōu)化算法對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行在線訓(xùn)練，使槳距角根據(jù)功率的變化不斷進(jìn)行最佳調(diào)節(jié)[18]。

風(fēng)電機(jī)組的極限載荷和疲勞載荷是影響機(jī)組及部件可靠性和壽命的主要因素，風(fēng)電制造商通過采用智能化控制，并與整機(jī)設(shè)計(jì)相結(jié)合，努力減少和避免機(jī)組運(yùn)行在極限載荷和疲勞載荷狀態(tài)下。智能控制將逐步成為風(fēng)電系統(tǒng)控制技術(shù)的主要發(fā)展方向。

3.7低電壓穿越技術(shù)得到應(yīng)用

隨著機(jī)組單機(jī)容量及風(fēng)電場規(guī)模的不斷擴(kuò)大，風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)間的相互影響已日趨嚴(yán)重。一旦電網(wǎng)發(fā)生故障迫使大面積風(fēng)電機(jī)組因自身保護(hù)而脫網(wǎng)，將嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。隨著風(fēng)電機(jī)組接入電網(wǎng)的容量不斷增加，電網(wǎng)要求機(jī)組在電網(wǎng)故障出現(xiàn)電壓跌落的情況下不脫網(wǎng)運(yùn)行，并在故障切除后能盡快幫助電力系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行，即要求風(fēng)電機(jī)組在控制方面具有一定低電壓穿越能力[19]。雙饋異步風(fēng)機(jī)和直驅(qū)永磁風(fēng)機(jī)是目前各風(fēng)電場安裝的兩種主流機(jī)型，二者都通過采用不同的措施來實(shí)現(xiàn)此功能[20]。目前，很多國家對風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越控制技術(shù)做出了強(qiáng)行規(guī)定，確保風(fēng)電系統(tǒng)及電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

3.8陸上風(fēng)電向海上風(fēng)電發(fā)展

一般認(rèn)為2.0 MW是陸上風(fēng)電場發(fā)展的極限。陸上風(fēng)電場受風(fēng)能環(huán)境、機(jī)組占地及安裝等因素的制約，而這些問題對于海上風(fēng)電場相對比較容易解決。并且海上風(fēng)速大且穩(wěn)定，年平均利用小時(shí)可達(dá)3 000 h以上，年發(fā)電量可比陸上高出50%。

4我國風(fēng)電的發(fā)展方向

針對我國風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃和重點(diǎn)任務(wù)以及現(xiàn)有的技術(shù)狀況，我國發(fā)展風(fēng)電機(jī)組的重點(diǎn)將是努力掌握大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組核心及關(guān)鍵技術(shù)，包括總體設(shè)計(jì)、總裝技術(shù)及關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)制造技術(shù)等，整機(jī)技術(shù)將以歐洲國家的變槳變速雙饋異步型、低速永磁同步型為主；研制開發(fā)符合風(fēng)電場氣候條件的2.5 MW級風(fēng)電機(jī)組，國產(chǎn)化率達(dá)80%以上；葉片、電器控制與變流器、發(fā)電機(jī)、齒輪箱等關(guān)鍵部件立足國內(nèi)研制開發(fā)；滿足認(rèn)證機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)認(rèn)證；整機(jī)和關(guān)鍵部件樣機(jī)性能達(dá)到同類產(chǎn)品國際先進(jìn)水平；形成有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和整機(jī)及關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)制造能力。

另外，在我國風(fēng)電迅猛發(fā)展的同時(shí)，相應(yīng)輸送、消納配套產(chǎn)業(yè)發(fā)展滯后，導(dǎo)致一些電網(wǎng)出現(xiàn)新建風(fēng)電機(jī)組不能投運(yùn)和在役風(fēng)電機(jī)組大量棄風(fēng)的問題?！帮L(fēng)電入網(wǎng)送出難”已成為制約我國風(fēng)電發(fā)展的主要問題。

微電網(wǎng)作為分布式電源接入電網(wǎng)的一種有效手段，逐步引起了廣泛關(guān)注。而分布式電網(wǎng)容量較小，無法提供足夠的網(wǎng)側(cè)電壓支撐，與大電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)相比，分布式并網(wǎng)穩(wěn)定性和抗擾性降低。而經(jīng)過變流器并網(wǎng)的整個(gè)系統(tǒng)具有多參數(shù)、強(qiáng)藕合、非線性等特點(diǎn)。因此就如何提高永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)分布式直流并網(wǎng)的動(dòng)靜態(tài)性能，實(shí)現(xiàn)有效、可靠控制成為推動(dòng)分布式發(fā)電發(fā)展的重要研究方向。

5結(jié)語

風(fēng)能作為清潔的可再生能源，具有大規(guī)模開發(fā)、利用的前景，世界許多國家政府不斷出臺(tái)風(fēng)能開發(fā)、利用的鼓勵(lì)政策，使全球的風(fēng)力發(fā)電在累計(jì)裝機(jī)、單機(jī)組容量、設(shè)計(jì)制造與控制技術(shù)及海上風(fēng)電等方面得到了快速發(fā)展。本文對國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理、分析與歸納，并對我國風(fēng)電發(fā)展進(jìn)程及存在的問題進(jìn)行了詳細(xì)闡述；指出了世界風(fēng)電發(fā)展趨勢及我國風(fēng)電的發(fā)展方向，為全面掌握世界各國風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展?fàn)顩r、了解風(fēng)電的發(fā)展趨勢、指導(dǎo)我國風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展提供有效參考。

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Wind Power Status and Development Trends

LIU Bo，HE Zhi-jia，JIN Hao

(Northeast Dianli University Jilin City 132012 China)

Abstract：Global energy crisis and environmental pollution make clean，renewable energy to get attention，wind power as the development and utilization of wind energy in the attention of many countries in the world，and actively encourage wind power，wind power worldwide rapid growth and expansion，so that wind power Current Situation and Prospect considerable.Status of this article cumulative installed capacity of world wind power，single group capacity，the unit design and manufacturing and control technology and offshore wind power and other combed，analysis and induction，and China’s wind power development and problems were described in detail;indicates wind power development trends and the development direction of China’s wind power.To fully grasp the status of the world wind power generation;understanding of wind power development trends;guiding the development of China’s wind power，look for gaps and accelerate the process of domestic wind power technology has important significance.

Key words：wind power generation;development;status;trends

收稿日期：2016-01-12

作者簡介：劉波(1960-)，男，吉林省長春市人，東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院教授，主要研究方向：風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù).

文章編號(hào)：1005-2992(2016)02-0007-07

中圖分類號(hào)：TM733

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A