1 引言
來,全球可再生能源年增長率達到25%，可再生能源的利用將以電力行業為主導，非水力可再生能源的發電比例將擴大兩倍。據統計，2002年可再生能源的消費量約14億噸油當量，2030年將超過22億噸油當量?？稍偕茉窗ㄋΑL能、太陽能、地熱、生物質能、氫能、潮汐和波浪能等等，其中水力發電已是非常成熟的技術，風能和太陽能發電是日益成熟的技術，以燃料電池為代表的氫能是未來最有發展前途的能源。圖1是全球2003～2030 年新增可再生能源發電機組容量的估計[1]。
圖1 2003～2030年全球可再生能源發電裝機容量
可再生能源可保持良好的環境，在經濟發展中起非常重要的作用。而且可長期持續供給能源，以合理的成本滿足日益增加的電力需求[2,3]。
可以預期，到2010年全球分布式可再生能源系統將以2.5～5gw/年的速率增長。
可再生能源技術是能量貯存設備和功率電子變換設備的集成，功率電子在環境保護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步，可再生能源電能的零售價格是穩定的下降的。
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展計劃如表1和表2所示。
2 風力發電
近年來，風力發電是發展最快的一種可再生能源技術，風力發電在全球發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)，這將使風力發電將成為僅次于水電的第二大可再生能源發電技術。功率電子和能源存儲設備的進一步發展，將使風力發電在總投資或發電費用上可與常規能源相競爭，風能經濟和技術的發展也將促使成本下降，表3顯示風力發電在過去20年的發展歷程[5]。
但總體來說，風力發電成本一般要高于傳統化能源發電的成本，如果在風力資源良好的地區，大約每兆瓦—小時的風力發電成本要比化能源發電成本高45美元，雖然良好風力資源直接發電成本比較接近常規發電技術，但處理間歇發電和電力并網問題所增加的資金，將會使風力發電成本有較大上升?？捎糜诎l電的風力資源主要包括陸地與近海離岸兩部分資源。
圖3是由異步發電機和動態無功補償裝置(d-var)組成的風力發電系統。d-var可以在風力突變情況下保持電壓的穩定。當風力增強或減弱時，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，調節igbt增加無功功率以維持系統電壓。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裝置的風力發電系統
3 世界風力發電技術的發展
世界最早的風力發電機1890年在美國發明，三葉風機槳發明于1942年，全球風力發電的大發展出現在20世紀70～80年代，并網技術使風電場進入電力系統。由于單機容量的迅速增大，風力發電技術的性能與經濟性顯著改善，從1993年起至今，世界各國風力發電的裝機容量以每年30%的速度增長，截至2005年底，世界各國累計風力發電總裝機容量如表4[2]。
過去10年來,歐洲的風力發電有相當大的發展,北歐風力發電的技術先進性更為顯著。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%,風力發電量占世界總量的0.5%,歐洲未來發展的目標是:2010年風電總裝機容量近75gw,2020達180gw。預期到2020年全球風力發電可提供12%的電力供應。
現在德國的風力發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%的電力來自風電。美國2005年初，風電總裝機容量達9149兆瓦，風電年增長率為18%，到2020年可提供總電力需求的6%[7]。
印度希望到2012年擠身全球三大風機制造商之一，(2001年,印度風電總容量為4430mw)。英國一項總投資130億美元的15座近海離岸風力發電場正在興建中，總功率為5400～7200mw, 到2010年可提供英國10%的電力，到2020年提供的電力達到20%[3]。
風力發電機趨于大型化，可以減少占地，降低并網成本和單位功率造價，有利于提高風能利用效率。因而兆瓦級容量成為開發熱點[8]。風力發電機組的技術也正沿著增大單機容量、提高轉換效率的方向發展。
近年來，全球mw級風力發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年達到62.1%，2003年全球安裝的風力發電單機容量平均達到1.2mw。我國風電機組單機容量也從600kw逐步走向mw級。
隨著海上風電場的建設，需要單機容量更大的機組，2.5mw的機組目前已經投入運行，3～5mw的巨型機組也已經推向市場。2002年安裝的最大樣機是德國enercon公司的e-112型機組，風輪直徑達到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5mw，如表5所示，可以預見兆瓦級風力發電機將在風力發電市場特別是海上風電場中占主導地位。
4 我國風力發電技術發展的現狀和展望
中國幅員遼闊，陸疆總長2萬多公里，海岸線1.8萬多公里，風能資源豐富。根據資料統計，經濟可開發的陸地風能資源大約為253gw，可利用的海洋風能資源經濟可開發量大約為750gw。沿著東南沿海和附近的島嶼，以及內蒙古、新疆、甘肅、青藏高原等地區都蘊藏著豐富的風能資源。年平均風速6m/s以上的內陸地區約占全國總面積的1%，僅次于美國和俄羅斯，居世界第三位[9,10]。
2005年底，我國新增風力發電裝機容量為583mw，風力發電總量超過1260mw。我國利用風能較好的省份是遼寧、新疆和內蒙。由于遼寧省風力資源較好，而且得到地方政府支持，該省共建設11個風電場，裝機容量位居全國第一位。
我國1985年在海南東方風電場安裝首臺vestas 55kw風力發電機組，1986年，我國第一個風電場在山東萊城并網發電。經過20年來的努力，我國在開發利用風能方面取得了長足發展，到2005年底，我國已建成61個風電場（臺灣9個風電場尚未計入）所發電量占全國總發電量的0.12%，2005年，年增長率達65%，具體數據如表6所示[2]。
在國家科技攻關項目、863等項目支持下，我國已經基本掌握了風力發電系統及主要部件的設計和制造技術，具備了200、250、600、750kw風力發電機組批量生產能力。“十五”期間，我國完成mw級風力發電機組的研制，為風力發電產業參與常規能源市場競爭奠定基礎，這將對我國的生態環境保護、能源結構調整、實現國民經濟可持續發展起到積極的促進作用。我國風電場安裝最多的機型是600kw風力發電機組。2001年遼寧營口仙人島風電場安裝了4臺1.3mw風力發電機組，這是我國迄今為止單機容量最大的機組，國內正在研制開發1.5mw的風力發電技術和裝備。
目前，我國國產化機組產量仍然偏小，遠未達到規模效益，使得零部件采購價格偏高，利潤空間很小。因此，我國的風力發電裝備市場至今仍由國外風力發電機組占據。截至2003年底，國外風力發電機組在國內的銷售量占市場份額的84.65％，而國產風力發電設備僅占國內市場份額的15.35％。這一現實要求我國的風力發電設備的制造企業，應加快適合中國國情的新型風力發電裝備的研制進度，盡快提高大型風力發電裝備的設計和制造技術，加大風力發電裝備國產化進程。注意穩定產品質量，提高國產機組可靠性，以取得風電場建設者的認可，逐步加大市場份額。
據報道，到2020年，預計我國可再生能源裝機容量為121gw，其中風電裝機容量達30gw。我國計劃在2010年以前新建20座風力發電場，每座風場的發電能力達到100mw，并要求風力發電裝備本土化。在未來中國風能利用的發展過程中，必須購買一定比例的風能等可再生能源發電裝備是風力發電發展的關鍵，需要通過相關的法規予以保證，現正在制定過程中。風力資源的好壞直接關系到風電的成本高低，我國尚未建立風力資源數據庫。風力發電機的標準化工作還存在一定的差距，需要盡快完善。風力發電系統適合于安裝在風力資源豐富的地區，目前風電場建設有從陸地走向海洋的趨勢，我國海岸線較長，可利用的海洋風能資源豐富，發展海上風電場是我國風力發電的一個重要方向。風電的斷續性、低可靠性以及并網的困難，都會影響我國風力發電的進一步發展，值得注意。
5 風力發電機的種類
目前風力發電系統中經常采用的是交流勵磁的雙饋異步發電機、同步發電機或者直接驅動的多級永磁同步發電機，圖4為三種風力發電系統拓撲圖，系統運行時，不同的風速下控制發電機變速運行，提高風能的利用率，系統送入電網的電壓頻率恒定。對于雙饋異步發電機，通過控制轉子側滑差功率來改變其轉速；對于同步發電機，通過控制定子側有功功率來改變其轉速[11]。
圖4 三種風力發電系統拓撲圖
6 風力發電控制系統及關鍵技術
風力發電系統的控制子系統非常復雜，通常分為電氣和機械控制兩個子系統，電氣控制子系統的功能是:網側變流器驅動、機側變流器驅動和無功電容器組的投切;機械子系統的功能是:調節槳矩角、并網控制、偏航控制、制動和剎車等[11]。
（1）四象限變流器的設計
目前，國內有很多廠家有能力生產四象限運行的變流裝置，然而它們的容量都很有限。隨著并網型風力發電機的大型化發展，大容量變流器的實現非常關鍵；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）風電機組模擬系統的設計
控制系統的優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電機組機械特性，通過原動機帶動發電機來驗證控制系統的性能。因此，風力機模擬系統設計的好壞直接關系到實驗效果，該系統不但需要實現風電機組的機械特性，而且需要保證風速變化瞬間的轉矩響應速度。
（3）雙饋電機控制技術
雙饋電機的變速控制可以提高風電系統的效率。如何找到系統的最優運行點，實現最大風能的捕獲;如何實現輸出電能的諧波盡可能小，功率因數接近為1，以上性能要求對雙饋電機的控制方法和控制系統設計帶來了挑戰。
（4）并網技術
并網技術包括并網條件監測和并網控制。風力發電系統是一類復雜的大系統，需要監測的物理量非常多，包括風速、電網電壓（相位、幅值、頻率）、風機轉速、系統溫度等等，對上述物理量的有效監測有助于系統的穩定性運行。并網控制對風電系統的并網運行至關重要，其難點在于如何減小并網沖擊，以及如何與最大風能捕獲和電能質量控制相結合。
（5）槳矩角控制技術
槳矩角控制的目的在于限制風機轉速和系統輸出功率。由于槳矩角與風機轉速、系統輸出功率為強非線性關系，因此其控制規律很難把握，這給槳矩角控制帶來了困難。
（6）系統監控技術
由于風機的安裝、起吊非常復雜昂貴，合理有效的實時監測可以預防故障的發生，降低系統的運行成本，因此很有必要對風力發電系統的運行狀態進行監控，并根據監測量作及時必要的容錯控制。而且風能的隨機性和系統中大量電力電子裝置給輸出電能帶來了大量的諧波，電能質量監測評估也非常重要。
7 結束語
清華大學電機系多年來致力于國產化mw級變速恒頻雙饋異步發電機系統的研制，2003年研制出0.6mw雙饋異步電機風力發電系統，完成了并網試驗，2005年1月通過教育部主持的鑒定。其特點是當風速大范圍變動時，能通過有功和無功功率的解耦控制，維持發電頻率的恒定，而且還能夠調節系統功率因數，減少輸出電壓的諧波，降低電機的損耗。目前清華大學已完成1.5mw的變速恒頻雙饋異步發電機系統試驗樣機的調試[12,13]。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
