第1章 概论

1.1 风力发电发展概况

风能是一种开发成本较低、清洁、安全、可再生的能源。因此，风能的开发利用越来越受到重视。根据贝兹理论，风力机从风中吸收的能量不到空气动能的59.3%，同时由于受到机械结构等限制，实际值更小。因此，如何提高风能转化效率，获取更多风能，实现风能规模化利用，一直为学者及业界所关注。近年来，大型风电机组通过采用变速变桨距控制及最大功率跟踪MPPT等技术，旨在提高响应速度，获得最大能量（低风速时捕获最大功率，高风速时捕获额定功率）。但是，由于一些不确定因素的存在，风能转换系统表现出强非线性特征，风力机产生的能量随着风速和风向的连续波动是快速变化的。传统线性定常控制器因存在较大超调和损失，系统稳定性差，不适合用来控制大型变速变桨距风电机组。根据风速大小，风力发电系统由4个动态过程构成，即启动、变速运行、变桨距运行和刹车。其中，启动、刹车过程使系统能在最短时间内有较快的响应速度；变速运行调节风能，减少或消除风能产生过程中的急剧波动，捕获最大能量，减弱暂态负荷的影响；变桨距控制通过调节桨距角维持风电机组输出额定功率不变。

世界上第1台风电机组于1891年在丹麦建成，但由于技术和经济等方面的原因，风力发电一直未能得到广泛应用。直到1973年发生了石油危机，美国、西欧等发达国家为寻求替代化石燃料的能源，投入大量经费，采用新技术研制现代风电机组。20世纪80年代开始建立示范风电场。20世纪90年代，许多国家纷纷制定了激励风力发电发展的优惠政策。1992年以来，全球风电累计装机容量的年增长率一直高于15%，风力发电技术日臻成熟。2002年4月2～5日，首届世界风能大会在法国巴黎举行，欧洲和北美风力发电技术发展迅速。2006年，全球已有48个政府引入法规扶持风力发电等可再生能源的发展。2008年年底全球累计风电装机容量已超过了120.8GW，相当于减排1.58亿吨CO2。美国风电市场近几年来一直保持高速发展， 2009年新增风电装机容量9.92GW，累计风电装机容量达到35.16GW，排名世界第1。

我国已成为继欧洲、美国和印度之后风力发电应用的主要市场之一，风能资源丰富，可开发量为1400GW。其中，陆上开发量为600GW；海上开发量为800GW。我国在20世纪50年代末，使用各种木结构的布篷式风车。20世纪70年代中期以后，风能开发利用列入“六五”国家计划。20世纪70年代末到80年代初，自主研制、批量生产了10kW以下的小型风力发电机，解决了居住分散的农牧民和岛屿居民的生产、生活用电，风力发电停留在蒙古包单家独户使用或实验室研究阶段。1983年，山东引进3台丹麦Vestas 55kW风力发电机，开始了并网发电技术的试验和示范；1986年5月，山东荣成建成我国第一个并网风电场，其次是新疆达坂城风电场。1986～1993年，全国共建12个风电场，装机容量为13.3MW；1994～1999年，全国共建有21个风电场，装机容量达到249.05MW。其中，1992～1996年的主力机型为200～300kW机组，1997～2002年的主力机型则为600kW机组。2008年，我国累计装机容量达到12.21GW，其中并网发电的装机容量为8.94W。截止到2009年年底，我国风电并网总量累计达到16.13GW，累计装机容量为25 805.3MW。

1.1.1 风力发电的背景

1.能源危机

能源是人类赖以生存的物质基础。自从工业革命以来，全球的能源消耗飞速增长，推动了世界工业化的进程，提高了社会发展水平和人类生活质量。全球经济的急剧增长对能源的需求越来越大，能源危机制约了人类进一步发展。自20世纪 50年代以后，由于石油危机的爆发，对世界经济造成巨大影响，国际舆论开始关注世界能源危机问题。全球能源危机的主要表现在于，全球能源储量与开采时间有限。可以支配的化石资源的极限大约为1 180～1 510亿吨，以1995年世界石油的开采量33.2亿吨计算，石油储量大约在 2050年左右即将枯竭；天然气储量估计 131 800～152 900m3，年开采量维持在 2 300m3，将在 57～65年内枯竭；煤的储量约为 5 600亿吨，1995年煤开采量为33亿吨，可以供应169年；铀的年开采量目前为每年6万吨，据1993年世界能源委员会的估计可维持到21世纪30年代中期。

综上所述，煤炭、石油、天然气等不可再生化石能源的总量有限，亟待开发新的可再生能源。

2.环境危机

在能源消耗急剧增长，能源危机凸显的同时，环境危机也出现了。现代社会对能源的巨大需求，导致大量的化石能源被燃烧。燃烧不断产生CO2和其他温室气体，使得原来沉积在地下的碳元素，被大量释放到空气中。据估计，按照目前的趋势，到2030年，由各种温室气体增加所引起的气候变化，将相当于把大气中CO2浓度提高到工业化社会以前CO2浓度的两倍。到2100年，温室效应强度将相当于把大气中CO2浓度提高到工业化社会以前CO2浓度的3倍，达到5000万年前的CO2浓度水平。能源消费在迅速扩大，已经达到了阻碍地球生态系统自律功能正常运转的程度。研究表明：地球变暖并不是地球本身自然循环的变化，而是由人类活动排放的CO2等温室气体效应造成的。其过程与人类大量消耗化石能源资源，尤其是燃烧化石燃料发电大量排放的CO2密切相关。到2015年，世界温室气体的排放量将达到最高，全球变暖带来的影响将不仅仅是更多的旱涝灾害，还有海平面的上升。全球气候的变化对农业和生态造成了严重的影响，时刻威胁着人类的生命和财产安全。

3.可再生能源开发利用

目前，如何解决能源危机及其引起的环境危机成为全球经济可持续发展所面临的亟待解决的重大课题。克服能源危机的出路在于大力发展新能源，用可再生能源替代化石能源。电能具有转换和传输方便的优点，已成为现代工业快速发展不可替代的二次能源。为缓解或从根本上消除能源危机及其带来的环境破坏，绿色电力的生产为世界各国所关注。绿色电力来源于风能、小水电、太阳能、地热、生物质和其他可再生能源。因为它们在生产的过程中不消耗煤、石油、天然气等燃料，所以不会产生对环境有害的排放物。相对于常规火力发电，更有利于环境保护和可持续发展。因此，开发绿色电力意义重大。

表1-1比较了不同能源发电方式对环境造成的影响。全球市场对于风电这样的零排放技术有着巨大且持续增长的需求。为了避免发生不可逆转的气候变化后果，全球的温室气体排放必须在2020年前后达到峰值且开始下降，而风电是目前唯一能实现这一目标的发电技术。表1-2比较了不同能源发电方式的经济成本。

4.风能储量与利用

太阳的辐射造成地球表面受热不均，引起大气层中压力分布不均，同时，地球发生自转，使空气沿水平方向运动，空气流动所形成的动能称为风能。据估计到达地球的太阳能只有大约 2%转化为风能，理论上仅 1%的风能就能满足人类能源的需求。全球的风能总量约为 2.74×106GW，其中可利用的风能总量为 2.74×104GW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。根据我国900多个气象站陆地上离地10m高度资料进行估算，全国平均风功率密度为100W/m2，风能资源总储量为3226GW，可开发和利用的陆地上风能储量为 600GW，海上可开发和利用的风能储量为800GW，共计约1400GW。50m或更高处可开发利用的风能储量为2000GW。

人类利用风能的历史可以追溯到公元前。在蒸汽机发明以前，风能曾经作为重要的动力，用于船舶航行、提水饮用和灌溉、排水造田、磨面和锯木等。埃及被认为可能是最先利用风能的国家。12世纪，风车从中东传入欧洲。16世纪，荷兰人利用风车排水。随着煤、石油、天然气的大规模开采和廉价电力的获得，由于成本高、效率低、使用不方便等，风力发电机械无法与蒸汽机、内燃机和电动机等竞争而逐渐被淘汰。1891年，丹麦建成了世界第一座风力发电站。20世纪30年代，丹麦、瑞典、苏联和美国应用航空工业的旋翼技术，成功地研制了一些小型风电机组。这种小型风电机组被广泛运用在多风的海岛和偏僻的乡村，所获得的电力成本比小型内燃机的发电成本低很多。不过，当时的发电量较低，大都在5kW以下。1973年，世界石油危机爆发以后，风能作为新能源得到重视，世界风力发电发展速度开始加快，各国都在积极研制、开发100kW以上的大型风电机组。美国在1974年开始实施联邦风能计划，20世纪80年代成功开发了 100kW、200kW、2000kW、2500kW、6200kW、7200kW 等6种风电机组。瑞典、荷兰、英国、丹麦、德国、日本、西班牙等国，也根据各自国家的情况制订了相应的风力发电计划。在20世纪70年代中期以后，我国将风能开发利用列入“六五”国家重点项目，得到迅速发展。我国风力发电从20世纪80年代开始真正起步。20世纪70年代末80年代初，我国自主开发研制并批量生产了额定容量10kW以下的小型风电机组，解决了居住分散的农牧民和岛屿居民的生产生活用电。1986年5月，山东荣成建成了我国第一个并网风电场。20世纪80年代中期以后，我国先后从丹麦、比利时、瑞典、美国、德国引进一批中、大型风电机组，在新疆、内蒙古的风口及山东、浙江、福建、广东的岛屿建立了 8座示范性风电场。

1.1.2 风力发电发展现状与前景

1.世界风电

（1）风电成本

不考虑常规电力环境成本，根据目前的风电技术水平，风电成本仍高于常规电力成本，因此许多国家采取了诸如价格、市场配额、税收等各种激励政策，从不同的方面引导和支持风力发电的发展。经过30年的努力，随着市场不断扩展，风电成本大幅度下降，每千瓦时风电成本由20世纪80年代初的20美分下降到2007年的4～6美分。在风能资源较好的地方，风电价格完全可以和煤电竞争，低于燃气电价。

（2）装机容量高速增长

根据全球风能协会公布的 2003～2007年统计数据，全球风电平均增长率为24.7%。到2007年年底，全球总装机容量累计达到近94GW，新增风电装机容量20GW，分布在全球70多个国家和地区。2007年全球大约生产了2000亿度风电电力，约占全球电力供应的1%。按照累计风电装机容量数据排名，2007年，全球前十名的国家依次是德国、美国、西班牙、印度、中国、丹麦、意大利、法国、英国和葡萄牙。2008年全球新增装机容量超过27GW，同比增长42%，风电装机增长率为29%，高于过去5年的平均增长速度。2008年年底，总装机容量达到了120.8 GW，美国超过德国，跃居全球风电装机容量首位，同时也成为第二个风电装机容量超过 20GW 的风电大国。中国超过印度，成为亚洲第一、世界第四的风电大国。到2008年年底，在世界风电累计装机容量中，已有包括美国、中国、德国、西班牙、印度等在内的16个国家超过1GW。在欧盟2007年新增发电装机容量中，风电开始超过天然气发电成为第一大新增电源，占新增容量的 46%。欧洲 2008年风电新增装机容量为88GW，累计装机容量达到了 66GW。美国 2007年新增的风电装机也仅次于天燃气发电，位居第二。2008年内美国竣工的风电项目容量更是占当年度美国所有新增电力装机的42%，新增装机容量达到8.34GW，同比增长157%，累计增长49.6%，完成新增投资170亿美元。风电在欧美发达国家已经逐步成为重要的替代能源。

（3）发展规划

20世纪90年代初，欧盟提出了大力发展风电，到2010年风电装机容量达到40GW的目标，并要求其成员国根据总体发展规划制订本国的发展目标与实施计划。2007年年初，根据技术发展和能源需求的需要，欧盟又进一步修订了发展计划，希望2010年风电装机容量达到 80GW；到 2020年风电装机容量达到 180GW，发电量达到3600亿kW·h；2030年风电装机容量达到300GW，发电量达到6 000×108 kW·h，分别占届时欧盟发电装机容量和发电量的35%和20%。2006年，美国可再生能源理事会提出了将可再生能源的比例由目前的4%左右，提高到2025年的25%的发展目标。美国风能协会也提出了未来依靠风电满足国内20%电力需求的宏伟目标。英国、法国、加拿大、澳大利亚、日本和东欧的波兰等国也开始加速发展风电。

（4）发展前景

据全球风能理事会预测：未来5年全球风电还将保持20% 以上的增长速度；到2012年，全球风电装机容量将达到240GW，年发电为5 000×108 kW·h，风电电力约占全球电力供应的3%；欧洲将继续保持总装机容量第一的位置，亚洲将会超过北美市场排在第二位；到 2012年，欧洲、亚洲和北美市场的风电装机容量预期为102GW、66GW 和 61.3GW，占全球市场的份额依次是 42.5%、27.5%和 25.5%，亚洲的市场份额明显上升，其次是北美，而欧洲在全球风电市场中的份额明显下降；在亚洲和北美市场中增长最快、贡献最大的国家将是中国和美国。该机构2006年所做的《2050年风电发展展望》认为，如果采取积极措施，2030年和2050年，世界风电装机将分别达到 210GW 和 300GW，发电量分别达到 50 000×108 kW·h 和80 000×108 kW·h。

2.我国风电

（1）装机容量

2004年年底，全国的风力发电装机容量约为764MW。2005年2月《可再生能源法》颁布之后，当年风力发电新增装机容量超过 60%，总容量达到了 1260GW。2006年新增装机容量超过100%，累计装机容量超过2.6GW。2007年又新增装机容量3.3GW，累计装机容量达到5.9GW，超过丹麦，成为世界第5风电大国。当年装机增量仅次于美国和西班牙，超过德国和印度，成为世界上最主要的风电市场之一。风电累计装机容量从2003年年末的567MW增加到了2008年年末的12.21GW，增加了205倍。2008年新增装机容量超过印度，成为亚洲第一、世界第四、风电装机容量超千万千瓦的风电大国。2009年新增装机容量 13.85GW，累计装机容量为26GW，总装机容量跃居世界第2位。

（2）风电设备制造能力

风电设备制造业发展迅猛。2005年之前，我国只有少数几家风电设备制造商，它们规模小、技术落后，风电场建设主要依赖进口。《可再生能源法》颁布后，风电整机制造企业已超过40家。除金风科技和浙江运达加大投入、迅速扩张之外，东方汽轮机、华锐风电、中国船舶、通用电气、湖南湘电、上海电气、广东明阳、维斯塔斯、歌美飒、苏司兰、西门子等一批国内外大型制造业和投资商纷纷进入我国风电设备制造业市场。

（3）风电技术研发

“九五”和“十五”期间，我国政府组织实施“乘风计划”和“国家科技攻关计划”，以及国债项目和风电特许权项目，支持建立了首批6家风电整机企业，进行风电技术的引进和消化吸收，部分企业掌握了单机容量600kW和750kW定桨距风电机组的总装技术和关键部件设计制造技术，实现了规模化生产，迈出了产业化发展的第一步。“十五”期间，还开展了1000kW、1500kW变速恒频风电机组，以及1200kW永磁直驱风电机组的研发与联合攻关，取得阶段性成果。经过“十五”期间的自主研究和技术引进，我国已基本掌握了以双馈发电机为代表的变速恒频风电机组的控制技术，研制成功兆瓦级风电机组样机。我国风电技术与国外风电技术的差距正在不断缩小。

（4）发展前景

2005年，首个有关我国风电发展现状及未来的前瞻性报告《风力12在中国》正式对外公布。该报告将风力发电确定为我国电力事业未来发展的重点。报告指出，我国有能力在2020年实现40GW的风电装机容量，年发电量将达到800×108 kW·h，可以满足8000万人的用电需求，同时每年可减少4800万吨的CO2排放量；风电在电源结构中届时约占全国总发电装机1000GW容量的2%～3%，总电量的1%～1.5%。世界风电设备制造商和开发商均认为中国是世界上最具有发展前景的风电市场。按照欧盟的经验，我国风电装机容量在2010年和2020年分别达到30GW和150GW是完全有技术和市场保证的。我国风电装备制造业的情况可能更加乐观。根据中国可再生能源专业委员会推断，2012年我国风电装备制造能力将达到 10～15GW。除了能够满足我国风电市场的需求之外，还有可能成为世界主要的风电装备制造基地，开始向美国、欧洲等地区出口。

我国风电发展面临无限的机遇，到2020年将超过核电成为第三大主力发电电源。2030年以后，水能资源大部分将开发完，近海风电市场进入大规模开发时期。在2050年前后，风电装机容量达到或超过400GW，超过水电，成为第二大主力发电电源。因此，风力发电未来可能成为我国的主要战略能源之一。以上海海上风电规划建设为例，总装机容量为5950MW，如表1-3所示。

1.1.3 风力发电技术发展态势

随着风电技术的发展，风电机组容量更大、近海风电技术、新型结构和材料、直接驱动技术、变桨变速恒频发电技术成为世界风电机组技术发展的新态势。

1.机组容量

近20年来，随着国际上大型风电机组技术日趋成熟，风电机组技术正朝着提高单机容量、减轻单位千瓦质量、提高转换效率的方向发展。大功率风电机组的研制与开发始于1970年年末到1980年年初。但在1980年以前，比较成熟的商用机型的功率都在100kW以下，到1980年年末至1990年年初，商用机型的功率范围扩展到150～450kW，1990年年末，扩大到600～750kW。从1999年至今，功率范围为1.3～5MW。目前，世界上兆瓦级的风电机组已具备了商业化价值，2～3MW的风电机组已成为国内外风电市场的主流机型：美国的主流机型是1.5MW风电机组；丹麦主流机型是2.0～3.0MW风电机组。在我国，到2007年年底，兆瓦级以上的已安装风电机组数量超过1000台，占新安装机组市场份额的95.7%，累计份额接近30%，绝大部分都是在最近两年内安装的。世界上已经运行的最大风电机组单机容量已经达到5MW，风力机叶轮直径为126m。8～10MW的风电机组已经开始设计和制造。风力发电机叶轮直径变化图如图1-1所示。

美国已经成功研制7MW风电机组，英国正在研制10MW的风电机组。预计到2020年，将会有20MW、30MW乃至40MW的风电机组面世。我国生产的3MW双馈海上风电机组和2.5MW直驱型风电机组已成功并网发电。我国某高校自主研制了3MW双馈变速恒频风电机组样机，其主要技术指标及其参数如表1-4所示。

2.近海风电技术发展迅猛

陆上风电场需要占用土地，而且噪声会给周围居民生活带来不便，这些问题已逐渐显露。在不断降低风力发电成本和扩大可经济利用的风能资源量的目标驱动下，国际上风电机组技术不断向海上专用风电机组发展。风电场建在海上，不仅解决了占用陆地土地资源的问题，同时利用海上得天独厚的广阔空间和丰富的风能资源（为陆上的3倍），可以进行规模化生产，从而降低风力发电的成本。由于海上风电与陆地风电的差异性，近海风电技术为海上风电的顺利发展提供了技术保障。欧洲未来的海上发展计划：2010年装机容量为3.5GW；2020年装机容量为35GW；2030年装机容量为130GW，届时，海上风电将占欧洲总发电量的10%。美国也计划建立本国的第一个容量为420MW的近海风电场，位于马萨诸塞海岸对面的南度克（Nantucket）岛附近。我国首个海上风电场落户东海大桥附近海域，由34台3MW的风电机组组成，每年发电量约为2×108 kW·h。

我国还规划在浙江慈溪、临海、岱山、江苏盐城、山东青岛建设近海风电场。到2020年，全国规划海上风电累计装机容量超过15 000MW。目前，海上风电机组安装及规划主要在潮间带（水深在5m以内，机组的基础在涨潮时被水淹没）、近海（水深在5～50m之间）和深海（水深超过50m）。

3.新型结构和新应用材料

尽管风电机组技术近年来有了长足的进步，但是从技术商业化程度看，风电机组寿命较短，难以保证使用寿命达到20年。因此，有必要通过改进机构提高转子可靠性，优化设计风电机组系统，选用新材料、可变速转子和先进的控制装置等，减轻负荷和减少风电机组的质量和零部件成本。目前，国际上大规模安装的 2.5～3.5MW风电机组，普遍采用轻质高性能的玻璃纤维叶片，5～10MW风电机组叶片则采用碳纤维材料。

4.直接驱动技术

近几年，直接驱动技术发展迅速，避免了齿轮箱传动环节和部件，能有效减少由于齿轮箱问题而造成的风电机组故障，使风电机组的可靠性和效率更高，增加了系统运行的寿命，大大减少维护成本。因此，这种无齿轮箱直驱式全功率变流风电技术得到快速发展，涉及的技术关键为永磁风力发电机的密封、安装及防止退磁等。

无齿轮箱直驱式永磁风力发电机机轴直接连接到叶轮轴上，转子的转速随风速改变而改变，输出交流电的频率也随之变化，需要经过大功率电力电子变换器，将频率不定的交流电整流成直流电，再逆变输出与电网同频率的交流电。国际先进的无齿轮箱直驱风力发电机的原理多沿用低速多极永磁发电机的原理，并使用一台全功率变频器将频率变化的风电送入电网。

永磁发电机与电励磁发电机相比，具有效率高、能量密度大和可靠等特点，再结合永磁材料性能不断在提高、价格却处于下降趋势，以及全功率器件价格不断下降，使得开发基于全功率变换器的可变速直接驱动永磁风力发电机越来越具有吸引力。考虑到单位造价或年产出能力，业界也采用一级增速齿轮箱（半直驱）的变速永磁风力发电机（如Multibrid 5MW和Win Wind 3MW永磁同步风力发电机），以及多级齿轮增速箱的永磁同步风力发电机（如GE Wind 2MW和Zephyros 2MW永磁同步风力发电机）。

德国沙尔兰工业大学开发的直驱型永磁同步风力发电机，采用外转子结构、永磁励磁、蒸发冷却、新型轮毂发电方式，省去了滑环和直流电源，发电机的磁铁系统放在轮毂内，整机质量为现有同类直驱机型的60%，效率却提高3%左右。

5.变桨变速恒频发电技术

与恒速运行的风力发电机组相比，变速运行可以按照捕获最大风能的要求，在风速变化的情况下实时地调节风力发电机转速，使之始终运行在最佳转速上，具有减小机组机械应力、增加风能捕获、对风速变化的适应性好、生产成本低、效率高等优点。德国Enercon公司和丹麦Vestas公司生产的变速风电机组数量处于世界领先位置。

变桨距优于定桨距在于机组启动性能好，输出功率稳定，机组结构受力载荷小。另外，在风速高于切出风速时，还可通过桨叶顺桨，保护风电机组不受到损坏，以增加风电机组的使用寿命。变桨机构已由同步变桨向智能独立变桨发展。但不足之处在于，因增加了变桨装置，故障率加大，控制程序比较复杂。

由于变桨距功率调节方式具有载荷控制平稳、安全、高效等优点，变桨距功率可调节型及双馈异步风电机组技术发展迅速。兆瓦级以下风电机组中仍广泛采用失速调节技术方式，兆瓦级以上风电机组普遍采用变桨变速恒频先进技术。2006年，全球所安装的风电机组有92%采用了变速恒频技术，而且该比例还在逐渐增大。

6.风电场远程监控系统及无线网络技术应用

由于风电场一般包括数十台风电机组，因此对风电场内的风电机组进行联网集中管理与优化控制显得尤为重要。普通以太网使用光纤通信，而对于大型风电场，随着风电机组数量的增加，势必增加布线费用，并且当风电场需要改建或扩充时，过多的通信线路会占用很多空间，造成铺设困难等。风电场远程监控系统一般都采用有线方式，成本较高。基于无线局域网的风电场监控系统，实现了每一台风电机组的联网，降低了布线难度和维护成本。