劉俊

在不斷持續(xù)的能源緊張中，不少人想到了新能源利用。利用潔凈的能源（可再生能源）是人類社會(huì)文明進(jìn)步的表現(xiàn)、是科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、是環(huán)保理念的體現(xiàn)。潔凈能源指太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能、生物能等，這都是可再生取之不盡的能源，特別是風(fēng)能技術(shù)最為成熟，經(jīng)濟(jì)可行性較高，是一種較理想的發(fā)展能源。風(fēng)是地球上的一種自然現(xiàn)象，它是由太陽(yáng)輻射熱引起的。風(fēng)能是太陽(yáng)能的一種轉(zhuǎn)換形式，是一種重要的自然能源。太陽(yáng)照射到地球表面，地球表面各處受熱不同，產(chǎn)生溫差，從而引起大氣的對(duì)流運(yùn)動(dòng)形成風(fēng)。據(jù)估計(jì)到達(dá)地球的太陽(yáng)能中雖然只有大約2%轉(zhuǎn)化為風(fēng)能，但其總量仍是十分可觀的。全球的風(fēng)能約為2。74×109MW，其中可利用的風(fēng)能為2×107MW，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍。

我國(guó)風(fēng)能資源總量約42億千瓦，技術(shù)可開發(fā)量約3億千瓦。目前東南沿海是最大風(fēng)能資源區(qū)，風(fēng)能密度為200W/M2～300W/M2，大于6m/s的風(fēng)速時(shí)間全年3000h以上就可取得較大經(jīng)濟(jì)效益。

長(zhǎng)期以來，由于風(fēng)電電價(jià)高于火電電價(jià)，作為清潔能源的風(fēng)電對(duì)于解決能源短缺和環(huán)境保護(hù)問題的意義長(zhǎng)期得不到應(yīng)有的重視。事實(shí)上，風(fēng)電作為一項(xiàng)高新技術(shù)，具有著巨大的產(chǎn)業(yè)前景。而它作為新興能源，更對(duì)促進(jìn)邊遠(yuǎn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著巨大的作用。在電力緊張、能源緊缺的情況接踵而至的今天，我國(guó)應(yīng)該重新認(rèn)識(shí)風(fēng)能的利用問題。

首先，風(fēng)力發(fā)電的潛力體現(xiàn)為風(fēng)電電價(jià)的快速下降。截止到目前，風(fēng)電電價(jià)正在快速下降，甚至已日趨接近燃煤發(fā)電的成本，經(jīng)濟(jì)效益開始凸現(xiàn)。數(shù)據(jù)顯示，風(fēng)力發(fā)電能力每增加一倍，其成本就下降15%。縱觀近幾年，風(fēng)電增長(zhǎng)一直保持在30%以上，因而成本也正隨之不斷下降。目前，中國(guó)風(fēng)電成本約在0。5元以上，隨著中國(guó)風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)的國(guó)產(chǎn)化和發(fā)電的規(guī)?；?，風(fēng)電成本可望再降。此外，風(fēng)電外部成本幾乎為零，甚至低于核電成本。據(jù)初步測(cè)算，如果將內(nèi)部成本和外部成本同時(shí)計(jì)入成本，風(fēng)電將是當(dāng)前世界上最經(jīng)濟(jì)、最潔凈的能源。

其次，風(fēng)電的潛力體現(xiàn)于風(fēng)能資源的豐富性。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)、中國(guó)陸地10米和海面15米可供開發(fā)的風(fēng)力資源在幾億千瓦以上，相當(dāng)于可開發(fā)水能資源（3。9億千瓦）的2。5倍。而50米風(fēng)力資源還會(huì)增大一倍。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，地面 50-100米的風(fēng)力資源都可開發(fā)利用。2003年，我國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量為3。85億千瓦，專家認(rèn)為，中國(guó)單靠風(fēng)力發(fā)電就能將現(xiàn)有的電力生產(chǎn)翻一番。此外，風(fēng)電技術(shù)正日臻成熟。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)電技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。更大型、性能更好的機(jī)組的已開發(fā)并投人生產(chǎn)試運(yùn)行，可利用的風(fēng)速要求還會(huì)降低。

風(fēng)電產(chǎn)業(yè)要全面健康可持續(xù)發(fā)展，需要解決的問題很多，但依靠科技進(jìn)步來推動(dòng)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)是擺在我們面前的現(xiàn)實(shí)課題。

首先，需建立以企業(yè)為主體、市場(chǎng)為導(dǎo)向、產(chǎn)學(xué)研技術(shù)結(jié)合的創(chuàng)新體系。對(duì)開展試點(diǎn)的企業(yè)應(yīng)對(duì)其研發(fā)機(jī)構(gòu)，研發(fā)人員，研發(fā)資金，研發(fā)項(xiàng)目，專利申請(qǐng)，產(chǎn)品品牌，能力建設(shè)等方面提出具體要求和量化的指標(biāo)。

第二，正確處理技術(shù)引進(jìn)和技術(shù)創(chuàng)新的關(guān)系。采用自主研究開發(fā)和引進(jìn)消化國(guó)外技術(shù)相結(jié)合的方式，是實(shí)現(xiàn)提高競(jìng)爭(zhēng)能力的較好途徑。

第三，加強(qiáng)風(fēng)電創(chuàng)新能力建設(shè)，建立風(fēng)電公共技術(shù)服務(wù)平臺(tái)，共同對(duì)資源進(jìn)行整合、共享、完善和提高，通過建立共享機(jī)制和管理程序逐步做到資源有效利用。

其次就是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的要求了。

恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)， 采用了籠型異步發(fā)電機(jī)， 發(fā)電機(jī)通過變壓器直接接入電網(wǎng)。 因?yàn)榛\型異步發(fā)電機(jī)只能工作在額定轉(zhuǎn)速之上很窄的范圍內(nèi)， 所以通常稱之為恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)。 并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)， 異步發(fā)電機(jī)需要從電網(wǎng)吸收滯后的無功功率以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)， 這惡化了電網(wǎng)的功率因數(shù)， 易使電網(wǎng)無功容量不足， 影響電壓的穩(wěn)定性。 為此， 一般在發(fā)電機(jī)組和電網(wǎng)之間配備適當(dāng)容量的并聯(lián)補(bǔ)償電容器組以補(bǔ)償無功。 由于籠型異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低且可靠性高， 比較適合風(fēng)力發(fā)電這種特殊場(chǎng)合， 在風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的初期， 籠型異步發(fā)電機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用， 有效地促進(jìn)了風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的興起。 隨著風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用的深入， 恒速籠型異步發(fā)電機(jī)具有的一些固有缺點(diǎn)逐步顯現(xiàn)出來， 主要是籠型異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速只能在額定轉(zhuǎn)速之上1% ～ 5% 內(nèi)運(yùn)行， 輸入的風(fēng)功率不能過大或過小， 若發(fā)電機(jī)超過轉(zhuǎn)速上限， 將進(jìn)入不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)。 因此， 在多數(shù)場(chǎng)合需將2臺(tái)分別為高速和低速的籠型異步發(fā)電機(jī)組合使用， 以充分利用中低風(fēng)速的風(fēng)能資源。 另外， 風(fēng)速的波動(dòng)使風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨之波動(dòng)， 因?yàn)榘l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不變， 風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)之間的軸承、齒輪箱將會(huì)承受巨大的機(jī)械摩擦和疲勞應(yīng)力。 而且， 由于風(fēng)力機(jī)的速度不能調(diào)節(jié)， 不能從空氣中捕獲最大風(fēng)能， 效率較低。 齒輪箱的存在增加了風(fēng)力機(jī)的重量和系統(tǒng)的維護(hù)性， 影響了系統(tǒng)效率， 增加了噪聲。

有限變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)， 發(fā)電機(jī)采用繞線式異步發(fā)電機(jī)。 繞線式異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子外接可變電阻， 其工作原理是通過電力電子裝置調(diào)整轉(zhuǎn)子回路的電阻， 從而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率， 使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率可增大至10% ， 實(shí)現(xiàn)有限變速運(yùn)行， 提高輸出功率。 同時(shí)， 采用變槳距調(diào)節(jié)及轉(zhuǎn)子電流控制， 以提高動(dòng)態(tài)性能， 維持輸出功率穩(wěn)定， 減小陣風(fēng)對(duì)電網(wǎng)的擾動(dòng)。 然而， 由于外接電阻消耗了大量能量， 電機(jī)效率降低了。 有些文獻(xiàn)也把這種發(fā)電系統(tǒng)稱為高轉(zhuǎn)差率異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。

但通過以上綜合比較可以看出， 永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)有望逐漸成為大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主流， 并與DFIG風(fēng)力發(fā)電機(jī)組競(jìng)爭(zhēng)。 尤其是針對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)來說， 體積巨大的直接驅(qū)動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)并不會(huì)明顯增加運(yùn)輸和吊裝方面的難度。 基于全功率變換器的變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能夠更有效地處理例如低電壓穿越等問題，另外， 海上風(fēng)電場(chǎng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可靠性和可維護(hù)性要求更高， 因此直接驅(qū)動(dòng)概念或?qū)⑹紫仍诤Ｉ巷L(fēng)電場(chǎng)獲得大規(guī)模的應(yīng)用。