第1章 绪论

1.1 风力发电的发展

1.1.1 世界风力发电的发展

人类利用风能已有3000多年的历史，而风力发电的历史不过100多年。

第一台风力发电机组由美国电力工业奠基者之一Charles F.Brush（1849-1929）在1887-1888年间研制，安装于美国俄亥俄州的克利夫兰市（Cleveland）；风电机组的风轮直径为17 m，由144个叶片组成，采用12 kW的直流发电机，输出电压为70 V，输出的电能给蓄电池充电。

1891年，丹麦Askov高等学校的Paul La Cour（1846-1908）发明了第一台4叶片的风电机组，同样采用直流发电机，输出电能用于电解水制氢。他的重要贡献是根据空气动力学理论和在风洞进行空气动力学的试验，提出多叶片风轮由于其转速慢不适合用于风力发电的论断。到1918年，丹麦已经有120台风电机组，单机容量在20～35 kW，总容量达3 MW，发电量约占丹麦当时用电量的3%。

第二次工业革命在催生电力工业的同时，也促进了内燃机的发明和使用。19世纪七八十年代，以煤和油为燃料的内燃机相继诞生，19世纪90年代柴油机研制成功，人类开始大规模开发利用化石能源和矿产资源，使用化石燃料的发电机组和内燃机成为主要的电力和动力来源。风力发电因其成本高和效率低，且具有间歇性和波动性的缺点，进入发展低潮。进入20世纪后，风电机组主要用于偏远地区独立供电，风电机组单机容量在0.3 ～3 kW。20世纪40年代以后，虽然在美国、法国、苏联和丹麦等国曾研制出百千瓦级以上并网型风电机组，但是由于成本和可靠性等原因都没有实现大规模推广应用。

20世纪70年代，在世界范围内先后发生两次石油危机，从而触发了第二次世界大战之后最严重的全球经济危机，对发达国家的经济造成了严重冲击；风力发电作为一种替代化石燃料的可再生能源，重新开始受到高度关注。美国和西欧等发达国家投入大量资金，开始研制兆瓦级并网型风电机组。例如，美国波音公司研制了2 500 kW和3 200 kW风电机组，英国宇航公司和德国MAN公司分别研制了3 000 MW风电机组。但是，限于当时技术水平和研制经验，这些兆瓦级风电机组均未能正常运行，没有实现规模化和市场化。

丹麦是风电机组制造业的成功范例，通过制定鼓励风电发展的有关政策，以及建立较为完善的风电机组研发、制造、检测和认证体系，促进了风电机组制造业的持续发展和技术进步。从20世纪70年代开始，丹麦生产的风电机组单机容量从数十千瓦发展到数百千瓦，直到目前的兆瓦级风电机组，并出现了VESTAS、NEG MICON（2003年12月被VESTAS收购）、BONUS（2004年被德国西门子公司兼并）等世界著名风电机组制造商。德国、美国、西班牙、印度和中国等国家也相继出台了鼓励风电发展的政策，带动了风电机组制造业发展，产生了一批世界著名风电机组制造商。

随着风电机组技术的不断进步，风力机直径和风电机组单机容量不断增大，结构形式趋于一致。在20世纪80年代，风电机组既有上风向式，也有下风向式；既有水平轴式，也有垂直轴式；叶片有一个、两个、三个和多个。目前，风电机组以上风向、三叶片、水平轴型为主，其中又可分为定桨距和变桨距、定速和变速、有齿轮箱和无齿轮箱等。同时，各种类型的兆瓦级风电机组实现了商品化。如图1-1所示为风电机组单机容量和叶轮直径的增长变化情况。

随着世界经济和社会的发展，减少温室气体排放和保护生态环境成为人类面临的重大课题。1992年6月，联合国在巴西里约热内卢召开环境与发展大会，又名地球首脑会议，会议通过了《关于环境与发展的里约热内卢宣言》、《21世纪议程》等文件。1997年12月，在日本京都召开的《联合国气候变化框架公约》缔约方第三次会议，通过了旨在限制发达国家温室气体排放量以抑制全球变暖的《京都议定书》。2005年2月16日，《京都议定书》正式生效。

在此背景下，利用可再生能源逐步替代化石类能源开始受到世界各国的重视。在各类可再生能源发电技术中，风力发电是技术最成熟、最具规模开发和商业化发展前景的可再生能源开发方式，因此从20世纪80年代开始，风力发电技术受到各国的重视，并得到了广泛的开发和应用。如图1-2所示为1996-2010年间世界风电累计装机容量的增长情况，风电装机容量基本以每年30%以上的速度增长，成为各种能源中增长最快的一种。

为了保障能源供应和减少温室气体排放，大规模利用以风力发电为代表的可再生能源势在必行。2002年，欧洲风能协会和国际绿色和平组织联合发布了《风力12：关于2020年风电达到世界电力总量12%的蓝图》，对2020年全球风力发电规模进行了前景分析，指出2020年全球风电装机容量可以达到1 200 GW，年发电量3 000 TWh，约相当于世界电力需求的12%。据测估，全球可利用的风能资源为200亿千瓦，约是可利用水力资源的10倍。如果利用1%的风能能量，可产生世界现有发电总量8% ～9%的电量。

1.1.2 中国风力发电的发展

我国风资源丰富，开发潜力巨大，主要分布在三北地区（华北、东北和西北）和东南沿海地区。在20世纪80年代后期和2004-2005年，中国气象局分别组织了第二次和第三次全国风能资源普查：我国陆地上离地面10 m高度处风能资源理论储量分别为3.23 TW和4.35 TW，技术可开发量分别为253 GW和297 GW。估算离地面50 m和70 m高度处陆地风能资源技术可开发量分别约为600 GW和700 GW。近年来，联合国环境署（UNEP）和中国气象局国家气候中心等采用数值模拟方法分别对我国风能资源进行了评价，得出我国陆地上离地面10 m高度处风能资源理论技术可开发量均在1 TW以上。

关于海上风能资源，中国气象局、中国科学院和联合国环境署都分别对我国海上风能资源进行过评价。根据《中国海岸带和海涂资源综合调查报告》和《全国海洋功能区划》，综合考虑航运、渔业、旅游及其他工程所用海区等因素，初步测算我国近海风电装机容量为100～200 GW。

我国风力发电始于20世纪70年代末，首先成功研制了小型风电机组（100 W～20 kW）的系列产品，并实现了商业化生产与应用，为解决偏远地区用电问题作出了巨大贡献。2007年，我国小型风电机组的年产量、生产能力和出口均列世界首位。

1986年5月，我国第一个并网型风电场在山东省荣城建成投运，安装了丹麦Vestas公司的3台55 kW风电机组。同年10月，福建省平潭风电场建成，安装了比利时Windmaster公司的4台200 kW风电机组。从此，并网型风力发电开始成为我国风能利用的主要方式。

1990年以后，我国陆续出台了一些鼓励风力发电的政策：原电力工业部颁布了《风力发电场并网运行管理规定》（试用），对风力发电并网运行做出了明确规定；国家发展计划委员会、国家科技委员会和国家经济贸易委员会制定发布《新能源和可再生能源发展纲要》（1996-2010），提出了我国“九五”至2010年新能源和可再生能源的发展目标、任务及相应的对策和措施；国家经济贸易委员会组织实施的国家级重点技术改造项目“双加工程”（即加大技术改造投资力度、加快企业改革步伐）中，支持风电项目77.1 MW，分别安装在河北省张北、内蒙古辉腾锡勒、浙江括苍山和新疆达坂城等风电场。

从2003年开始，国家发展和改革委员会开始实施风电特许权招标项目，在推动我国风电规模化发展和促进风电机组设备国产化方面起到了重要作用。2006年1月1日，《中华人民共和国可再生能源法》开始实施，政府陆续颁布了一系列配套法规和实施细则，包括要求电网企业全额收购可再生能源电力、上网电价及费用分摊措施等，大大促进了可再生能源产业的发展，风电也步入了快速增长时期。

2000-2010年我国风电装机容量（未计入中国台湾地区的数据）的增长情况如图1-3所示。2010年中国新增安装风电机组12 904台，装机容量18 927.99 MW，同比增长37.1%；累计安装风电机组34 485台，装机容量44 733.29 MW，年同比增长73.3%。

（数据来源：中国风能协会）

2010年中国各省区风电装机情况如图1-4所示，累计装机容量前5位的省区依次为内蒙古、甘肃、河北、辽宁、吉林，如表1-1所示。

（数据来源：中国风能协会）

（数据来源：中国风能协会）

1.1.3 风力发电的发展趋势

风力发电经历了100多年的发展，技术基本成熟，成本也逐渐降低，随着运行经验的增加和各国政府的重视，正在走向更大规模的快速发展道路。

风力发电的发展趋势大致体现在以下几个方面。

1. 单机容量不断增加

风力发电机组从早期的十几千瓦、几十千瓦，一直发展到几千千瓦。1941年在美国建成世界上第一台兆瓦级风力发电机（容量为1.25 MW）。目前，国际上陆上风电场的主流风电机组，单机容量多为1.5 MW左右。2.5 MW、3 MW的风电机组也被逐渐被应用。海上风电场的风电机组平均容量在3 MW左右，最大单机容量达到5～6 MW。随着风力机设计水平、叶片材料等方面的技术进步，单机容量可能还会继续增大。

2. 风电场规模不断增大

随着风电机组制造水平的提高和各国政府对风力发电的鼓励支持，风电场的装机规模越来越大。装有几十台、上百台风电机组的容量超过十万千瓦的风电场在我国已经很常见，百万千瓦、千万千瓦级的大型风电基地也在陆续建设。例如，我国将在内蒙古、甘肃、河北、吉林、新疆、江苏及山东沿海等省区建设多个百万千瓦和千万千瓦的大型风电基地。

3. 海上风电的快速发展

海上风电场的主要优点是基本不受地形地貌影响，风能资源更为丰富，平均风速高，可安装的风电机组单机容量大，年利用小时数更高。因此，海上风电受到很多国家的重视，发展也比较快，有很大的潜力。

4. 风电在电力结构中的比例逐步提高

风电是目前增长速度最快的电源之一。在2007年中国的电力结构中，风电装机容量所占的比重只有0.8%，发电量的比重只有0.2%。到2008年，中国风力发电的装机容量占全国电力装机容量的1.5%。截至2010年，中国的风电总装机容量达到44 733 MW。按照中国的《新能源产业振兴规划》，到2020年，风电总装机容量将达到1.5亿千瓦以上，风电在整个发电结构中的比重将明显提高。

随着风电场规模的扩大，以及风电在电网中比例的提高，风电的问题已经不再是单独的发电技术问题，风电与电网的联系越来越紧密，相互影响也越来越复杂。其中，风电场的无功和电压问题，作为风力发电接入电网最先出现也是最根本的问题，在风力发电持续大规模发展过程中及接入电网研究过程中，必须给予足够重视。