风力发电现状与发展趋势

刘　波，贺志佳，金　昊

(东北电力大学 自动化工程学院，吉林 吉林 132012)



风力发电现状与发展趋势

刘波，贺志佳，金昊

(东北电力大学 自动化工程学院，吉林 吉林 132012)

摘要：全球性的能源危机与环境污染使清洁、可再生能源得到广泛关注，风力发电作为风能的开发利用受到世界许多国家的重视，积极鼓励开展风力发电，全球的风电迅速发展扩张，使风力发电的现状与发展前景相当可观。对国内外风力发电累计装机、单机组容量、机组设计制造与控制技术及海上风电等现状进行了梳理、分析与归纳，并对我国风电发展及存在问题进行了详细阐述；指出了风电发展趋势及我国风电的发展方向。对全面掌握世界各国风力发电的现状；了解风电发展趋势；指导我国发展风电、寻找差距、加快风电技术的国产化进程具有重要意义。

关键词：风力发电；发展；现状；趋势

随着全球经济的快速增长，人类对于能源的需求也在不断的增加。人类的生存离不开能源的开发，充足的能源是经济发展的必要条件。科技的飞速发展导致以煤炭、石油、天然气为主的常规能源过度的消耗，能源短缺和环境污染成为限制各国发展的主要问题，只有大力开发新能源，才能实现可持续发展。新能源的开发与利用不仅能够作为常规能源的补充，而且也可以有效的降低环境的污染[1]。

在新能源发展进程中，风能凭借着其建设周期短，环境要求低，储量丰富，利用率较高等特点在世界各国得到了持续快速的发展。由于风力发电是低排放、低污染的低碳电力发展模式，因此将其作为电能可持续发展的重要战略选择之一[2]。在2014年，中国陆上风电年度新增装机量达到20 700 MW，但是风电产业的发展不仅只是要求装机总量的增加，还应加强电网基础设施的建设以及提高解决技术问题的能力。在电网电压跌落时，通过风电机组自动脱网来应对的方法只适用于风电装机比例较低的情况，随着风电装机比例的增加，切除风机不仅会带来大面积停电的问题，还会引起电网频率的变化。现在的风电场运行规则要求在电网电压发生跌落时，风电机组能够维持不脱网地运行，当电网电压跌落幅度较大时，风电场还应具有一定的无功补偿能力。因此各国相继提出了很严格的故障穿越标准[3]，要求机组在电网故障情况下能够按照标准规定的时间并网运行[4-5]。我国也提出了风电场接入电网的技术要求[6]。

1风力发电现状

近年来，全球风力发电行业正进入迅速发展扩张阶段，保持每年20%的增速，到2015年该行业总价值将达到目前平均水平的5倍以上。风力发电行业在技术上的成熟度和在经济上的可行性，再加上各国政府不断出台可再生能源的鼓励政策，使得风力发电行业的现状与发展前景相当可观。

随着20世纪八、九十年代风电技术在欧洲的快速发展，机组单机容量也在不断发展，1987-1997年10年间，风电机组制造技术更加趋于成熟，风电产业开始了稳定的商业模式并且大规模发展，1997年至今是风电产业高速发展时期，双馈异步和永磁直驱式变速恒频风电机组已成为兆瓦级风力发电机组的主流技术形式。

1.1风电机组装机容量

随着近年来风电技术的不断提高，世界各国的风电并网容量也在不断扩大。各个国家对风力发电的重视在不断提升，全球的风电装机容量在近几年中得到了显著的提高[7]。2013年全球风电新增总装机容量为35 GW，与2012年相比，全球风电新增的装机容量出现小幅度下降，但是在如今全球经济衰退的大背景下，在制造行业中风电累计装机的年增长率依然处于领先地位。目前，全球电力的发展受到环境以及能源短缺等诸多方面因素的影响，中国迫切地需要一个无须进口且具有清洁、可靠、易于安装等特点的技术来实现电力的发展，因此，风力发电技术成为满足这些条件的不二选择[8-9]。

我国可开发的陆地和海洋风能资源大约分别为253 GW和750 GW。年平均风速达6 m/s以上的内陆地区约占全国总面积的1%，仅次于美国和俄罗斯，居世界第三位。

根据中国可再生能源学会风能专业委员会(CWEA)发布的《2015年1月至6月中国风电装机容量统计》报告显示，与2014年同期相比，2 MW机组新增装机容量增长13%，1.5 MW机组新增装机容量下降了14%，在这一增一减之间，2 MW机组的风电机组新增装机量超过了1.5MW型风电机组，成为2015年上半年新增装机容量最高的机型。

在累计装机容量方面，2 MW几组的累计装机容量不到1.5 MW机组的一半(详见图2)。但从图2也能明显看出，2 MW几组的累计装机上升趋势更为明显一些。

通过数据的对比，我们可以得出这样的结论，风电机组中最受欢迎的单机容量目前还很难分出伯仲。在未来的一段时间中，1.5 MW和2 MW机组都将是最受欢迎的机型，而其他容量机型想要追赶上他们，在短时间内或将很难实现。

图1 1.5MW机组与2MW机组历年新增装机情况图2 1.5MW机组与2MW机组历年累计装机情

1.2设计生产制造与运行控制技术

2009年，西班牙风力发电机组制造商Gamesa在本土安装了第一台4.5 MW风电机组[10]，叶轮直径为128 m、机组采用中速齿轮箱和永磁同步发电机及全功率变流器设计，可以使机组在较低功率下运行，提高了机组的可利用率；采用多变量控制系统配合独立的叶片变桨控制，可以有效地降低机组的荷载，延长机组寿命。

美国风电设备制造商GE的产能位居世界第一，其机型一种是双馈部分容量功率变流器结构，如1.5 MW和海上用3.6 MW机组；另一种是带传动机构的永磁全容量功率变流器结构，如2.5 MW和3.0 MW。在产品应用方面，GE风能已经研发出一种闭环风电场电压控制，称之为“动态无功控制”(WindVAR)，可以向电网提供无功并稳定电压。

欧洲是世界海上风电发展的先驱和海上风电产业中心，拥有如双馈齿轮驱动、无齿轮直驱及混合驱动技术等先进的核心技术。并且如德国的Siemens、Vensys及丹麦的Vestas公司是海上风机主要制造商。Vestas公司主要生产2 MW以下采用优化滑差、主动失速控制和2 MW以上采用双馈变速、独立变距控制的两种机型。德国Vensys公司的主要机型为1.2 MW和1.5 MW采用外转子式永磁直驱式发电机、全容量变流器控制结构。

在风电设备的设计制造与运行控制技术方面，丹麦Vestas公司推出的V164-7.0 MW机组的叶片长度达到了80 m，可以捕获更多的风能。同时，在降低叶片动态载荷的独立变桨控制功能方面进行了深入研究并采取了创新设计。

欧洲ENERCON、WINWIND等公司均发展和应用了全功率变流并网技术，使风轮和发电机的调速范围可从0到150%的额定转速，提高了风能的利用范围，改善了向电网供电的电能质量。ENERCON公司还将原来对每个风电机组功率因数的分散控制加以集中，由并网变电站来统一调控，实现了电网的有源功率因素校正和谐波补偿。

由于变桨距功率调节方式具有载荷控制平稳、安全和高效等优点，近年在大型风电机组上得到了广泛采用。结合变桨距技术的应用以及电力电子技术的发展，大多风电机组开发制造厂商开始使用变速恒频技术，并开发出了变桨变速风电机组，使得在风能转换上有了进一步完善和提高。

纵观整个风电技术的发展历程，可将风力发电系统从控制技术和运行方式两个方面进行划分，分别是变速恒频和恒速恒频两大发电系统[11]。在风力发电初始阶段，采用较多的为定桨距恒速恒频风力机，但其最大的缺点是不能够根据风速变化进行桨距角的调节，导致风能利用率较低。随着风力发电技术日趋成熟，单机容量不断的增大，低效率的定桨距角控制风机的策略已经无法满足风电产业的发展。为了使风机能够获得最大程度的捕获风能，提高风能的利用率，就必须对风机的制造技术和控制技术进行不断地改进，因此更为先进的变速恒频风力发电系统(VSCF，Variable Speed Constant Frequency)应运而生。VSCF 这类风机的最大优点是其发电机可根据风速的变化进而调整自身风力机旋转速度，使之与风速的变化相适应并在最佳转速附近运行，最大限度的提高了风能利用率。另外，变速恒频风力发电系统常采用先进的脉宽调制技术(Pulse Width Modulation，PWM)，不但可以降低开关的损耗率，而且可以灵活调节系统功率、抑制谐波，提高了风能的利用率。风力发电产业的蓬勃发展，致使并网容量在逐年增加，恒速恒频发电机组已逐渐被技术更为先进的变速恒频发电机组所取代。而双馈式感应异步发电机(DFIG，Double-fed Induction Generator)和直驱永磁同步风力发电机(PMSG)作为变速恒频风力发电机组两大主流机组，近几年来得到了飞速的发展[12]。

其中双馈感应风力发电机组作为早期大量投入建设的机组，其所占市场份额已超过一半[13]。DFIG虽然具有较强的运行能力，但对发电机的转速要求很高，在电网故障期间，由于发电机定子与电网直接相连的拓扑结构，会对发电机的正常运行造成干扰。与DFIG相比，直驱永磁同步风力发电机组具有以下优点[14]：

(1) 增加了磁极对数，降低转子的转速，风力机与发电机无需齿轮箱连接，没有齿轮箱造成的机械故障，简化了风电系统的组成，延长机组的运行寿命，同时提高了机组的可靠性；

(2) 由于中间传动部件的减少，缩短了机组的生产与安装周期，减少了机械损耗，机组的效率得到提高，同时也降低了机组运行时的噪音；用永磁体代替电励磁，不用外接励磁电源，没有集电环和电刷，运行效率和可靠性大幅提高；

(3) 通过全功率PWM变流器将永磁发电机跟电网之间隔开，提高了机组的可靠性，与双馈风力发电系统相比，具有更好的低电压穿越能力；

(4) 永磁同步发电机因为具备外围面积大的特点，容易散热，可利用自然通风冷却机组。无需电励磁，转子损耗可忽略不计，且直驱永磁同步发电机组运行功率因数值接近为1，电网兼容性强，具有无功调节能力，可提高电网运行质量。

考虑到成本和安全性，风力发电技术方面的研究大多不能在真实的系统中进行试验，所以通过仿真软件对风力发电机组的运行特性进行研究显得尤为重要。目前电力系统应用较多的仿真软件主要有PSASP，BPA，DigSILENT，PSCAD/EMTDC，MATLAB，Power World Simulator 等[15]。

1.3风电联网运行

风电是一种强随机波动性、低可控性电源，风电大规模接入对电网的运行会带来不利影响；同时电网扰动或运行品质的恶化，又会影响联网风电的运行[16]。风电随机波动且不完全受控的电源特性与电网保证安全运行的要求在本质上是矛盾对立的关系，因此风电电源与电网的协调性显得尤为重要。通过掌握风电电源特性、准确评估风电对电网的影响，充分挖掘既有电网的风电接纳能力，使得该矛盾在电网安全运行的边界内得到最大限度的协调。

目前风电相关研究包括风电功率预测、风电联网对电网影响及改善方法、电网风电接纳能力以及风电机组低电压穿越能力等方向，上述研究基本属于较为独立的研究。对于改善源网之间协调的矛盾而言，更需要对风电电源自身属性以及从宏观角度对风电大规模接入电网后源网之间相互影响、相互制约的机理进行研究，而这些研究目前尚属空白。

2我国风电发展进程及存在的问题

近年来，在风电机组的设计和关键部件生产制造方面，我国的自主设计能力有所提高。通过技术引进、消化吸收、联合设计和自主研发等手段，打破了国外对兆瓦级机组设计制造技术的垄断，金风科技、华锐风电、联合动力、东方电气等企业都掌握了兆瓦级风电机组关键的设计制造技术，其中，1.5 MW和2 MW整机设计已成熟，成为国内陆上风电机组的主流机型；并且在引进技术基础上自主创新，开发出了适应中国风资源和气候特征的1.5 MW和2 MW低温型、高原型及超低风速型风电机组。有多家企业完成5 MW和6 MW风电机组样机试制，10 MW等更高功率等级的风电机组也已处于概念设计阶段。在关键部件方面，叶片、齿轮箱和发电机的设计和生产能力也取得了一定进步，如国内已能生产度大于48.8 m、与3 MW风电机组配套的大尺寸叶片，与6 MW风电机组配套的叶片也已经下线[17]。大连重工也已研发出用于匹配6 MW机组的齿轮箱产品，并在北京国际风能大会受到广泛关注。

目前，通过引进或自主研发、建设高水平实验室和测试平台等措施，形成了比较完整的自主研发体系。金风科技开发了永磁直驱技术，开创了齿轮箱之外的又一风电技术路径；联合动力针对各类风资源，研发了大容量、低风速、高海拔、防风沙、潮间带、直驱永磁和海基风机等多系列风机产品。华锐风电已经开发出了我国自主研发、拥有完全自主知识产权、全球技术领先的电网友好型国内首台6 MW海上风电机组，使我国成为继德国之后第二个能自主生产单机容量为6 MW风电机组的国家。

但是，我国对大型风力发电关键技术的研究还十分薄弱，风电机组的大型化、变桨距控制、无齿轮箱风机直驱发电、变速恒频运行等先进技术还未根本解决，大型风电机组几乎全部为进口产品；在风电设备制造方面，国产机组设备质量虽逐年提高，但质量问题仍然存在。采用国产机组的风电场，机组可利用率仍低于采用国际先进品牌的机组。根据龙源公司的估算，整体上要低6%左右，近五年投入运行的一些国产机组也出现过轮毂裂纹、主轴问题、齿轮箱、电机故障等较大的质量和技术问题；在风电机组的整机设计经验和设计软件方面，特别是依据我国风况条件的自主设计、研发的兆瓦级新型机组的能力不足，尚未开发出适宜我国资源条件的风电机组设计软件系统。

与欧洲先进国家相比，我国海上风力资源测量分析技术较为落后，海上风电场选址技术和经验不足，而且我国海上风电场装机容量较小，投入运行的时间短，机组的可靠性和适应性也需要通过考核验证。我国已经批量生产并应用的海上风电机组为2.5 MW和3 MW，5 MW和6 MW海上风电机组仍处于试验和示范应用阶段。在风电场设计建设、风资源分析、风电行业公共研究测试平台等方面也有不少差距。

另外，在我国风电迅猛发展的同时，相应输送、消纳配套产业发展滞后，导致一些电网出现新建风电机组不能投运和在役风电机组大量弃风的问题。“风电入网送出难”已成为制约我国风电发展的主要问题。

3风力发电的发展趋势

随着风能的不断开发利用，世界各国风电产业发展迅猛，装机容量连年上升，生产制造技术及控制技术不断完善，并且风电开发向海上发展的趋势更加表明风力发电正稳步发展。

3.1机组单机容量持续增大

机组单机容量增大有利于提高风能利用效率，降低单位成本，扩大风电场的规模效应，减少风电场的占地面积的应用。 2005年以前，750 kW以下如600 kW是主流机型，2005年～2008年750 kW机组开始成为主机型，期间1.5 MW已经开始研制并推向市场。2008年至今，3 MW以下，即1.5 MW和2.5 MW引领市场。预计2015年前2.5 MW将有大力发展。

海上风电场的开发进一步加快了大容量风电机组的发展，单机容量为5 MW～6 MW的风电机组已经进入商业化运营。美国7 MW风电机组已经研制成功，正在研制10 MW机组；英国10 MW机组也正在进行设计，挪威正在研制14 MW的机组，欧盟正在考虑研制20 MW的风电机组，全球各主要风电机组制造厂商都在为未来更大规模的海上风电场建设做前期开发。

3.2结构设计向紧凑、柔性、轻盈化发展

随着风电机组单机容量的不断增大，为了便于运输和安装，要求机组在结构设计上做到紧凑、柔性和轻盈化。充分利用高新复合材料加长风机叶片；采用直驱动系统；调向系统放在塔架底部；整个驱动系统被置于紧凑的整铸框架上，使荷载力以最佳方式从轮毂传导到塔筒上等[17]。

3.3双馈异步发电技术仍占主导地位

以丹麦Vestas公司的V80、V90为代表的双馈异步型变速风电机组，在国际市场中所占份额最大；西门子、德国的REpower等多家公司都在生产双馈异步型变速风电机组，其中德国REpower公司基于该技术开发的单机容量已经达到5 MW；2009年全球新增风电机组中，双馈异步变速型机组仍然占80%以上。目前，欧洲正在开发10 MW的双馈异步型变速恒频风电机组。

我国内资企业华锐风电、国电联合动力等企业也在生产同类型变速风电机组。2009年在我国新增风电机组中，双馈异步变速型机组仍然占82%以上。目前，华锐风电研发的3 MW的双馈异步型变速恒频风电机组已经投入运行。

3.4直驱式、全功率变流技术将迅速发展

无齿轮箱的直驱方式能有效地减少由于齿轮箱问题而造成的机组故障，可有效提高系统的运行可靠性和寿命，减少维护成本。西门子公司已经在丹麦的西部安装了两台3.0 MW的直驱式风电机组。我国金风公司与德国Vensys公司合作研制的1.5 MW直驱风电机组已有上千台安装在国内风电场；同时，我国湘电公司的2 MW直驱风电机组也已批量进入市场；广西银河艾迈迪、航天万源等制造商也在积极开发研制直驱风电机组。

伴随着直驱式风电机组的出现，全功率变流技术得到了发展和应用。全功率变流技术对低电压穿越有很好且简单的解决方案，为下一步风电机组在故障状态下控制技术的发展提供了有利条件。

3.5大型机组关键部件性能逐渐提高

随着机组单机容量不断增大，关键部件的性能指标都有了提高，国外已研发出3 kV～12 kV的风力发电专用高压发电机；高压三电平变流器的应用大大减少了功率器件的损耗，使逆变效率达到了98%以上；德国Enercon公司对桨叶及变桨距系统进行了优化，使叶片的风能利用系数达到了0.5以上。

3.6机组运行将引入智能控制技术

近年来，针对风电系统运行特点及控制系统的特性，各种先进的智能控制策略相继提出并应用于变桨距控制系统中，不同程度上解决了风力发电系统中的非线性、随机扰动等问题。基于改进的神经网络最佳功率跟踪控制策略，采用BP学习算法和改进的粒子群优化算法对神经网络进行在线训练，使桨距角根据功率的变化不断进行最佳调节[18]。

风电机组的极限载荷和疲劳载荷是影响机组及部件可靠性和寿命的主要因素，风电制造商通过采用智能化控制，并与整机设计相结合，努力减少和避免机组运行在极限载荷和疲劳载荷状态下。智能控制将逐步成为风电系统控制技术的主要发展方向。

3.7低电压穿越技术得到应用

随着机组单机容量及风电场规模的不断扩大，风电机组与电网间的相互影响已日趋严重。一旦电网发生故障迫使大面积风电机组因自身保护而脱网，将严重影响电力系统的运行稳定性。随着风电机组接入电网的容量不断增加，电网要求机组在电网故障出现电压跌落的情况下不脱网运行，并在故障切除后能尽快帮助电力系统恢复稳定运行，即要求风电机组在控制方面具有一定低电压穿越能力[19]。双馈异步风机和直驱永磁风机是目前各风电场安装的两种主流机型，二者都通过采用不同的措施来实现此功能[20]。目前，很多国家对风电机组的低电压穿越控制技术做出了强行规定，确保风电系统及电网的安全运行。

3.8陆上风电向海上风电发展

一般认为2.0 MW是陆上风电场发展的极限。陆上风电场受风能环境、机组占地及安装等因素的制约，而这些问题对于海上风电场相对比较容易解决。并且海上风速大且稳定，年平均利用小时可达3 000 h以上，年发电量可比陆上高出50%。

4我国风电的发展方向

针对我国风电发展规划和重点任务以及现有的技术状况，我国发展风电机组的重点将是努力掌握大型风力发电机组核心及关键技术，包括总体设计、总装技术及关键部件的设计制造技术等，整机技术将以欧洲国家的变桨变速双馈异步型、低速永磁同步型为主；研制开发符合风电场气候条件的2.5 MW级风电机组，国产化率达80%以上；叶片、电器控制与变流器、发电机、齿轮箱等关键部件立足国内研制开发；满足认证机构的设计认证；整机和关键部件样机性能达到同类产品国际先进水平；形成有自主知识产权和整机及关键部件的设计制造能力。

另外，在我国风电迅猛发展的同时，相应输送、消纳配套产业发展滞后，导致一些电网出现新建风电机组不能投运和在役风电机组大量弃风的问题。“风电入网送出难”已成为制约我国风电发展的主要问题。

微电网作为分布式电源接入电网的一种有效手段，逐步引起了广泛关注。而分布式电网容量较小，无法提供足够的网侧电压支撑，与大电网并网时相比，分布式并网稳定性和抗扰性降低。而经过变流器并网的整个系统具有多参数、强藕合、非线性等特点。因此就如何提高永磁风力发电机分布式直流并网的动静态性能，实现有效、可靠控制成为推动分布式发电发展的重要研究方向。

5结语

风能作为清洁的可再生能源，具有大规模开发、利用的前景，世界许多国家政府不断出台风能开发、利用的鼓励政策，使全球的风力发电在累计装机、单机组容量、设计制造与控制技术及海上风电等方面得到了快速发展。本文对国内外风力发电现状进行了梳理、分析与归纳，并对我国风电发展进程及存在的问题进行了详细阐述；指出了世界风电发展趋势及我国风电的发展方向，为全面掌握世界各国风力发电的发展状况、了解风电的发展趋势、指导我国风电行业的发展提供有效参考。

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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

作者简介：刘波(1960-)，男，吉林省长春市人，东北电力大学自动化工程学院教授，主要研究方向：风力发电控制技术.

文章编号：1005-2992(2016)02-0007-07

中图分类号：TM733

文献标识码：A