风电发电基础知识-风力发电应用现状和前景

风电机组及控制系统1内容基础导论E-WT风力发电机组控制风光互补发电系统控制2基础导论●历史、现状与发展趋势●风力机的基本理论●风力发电机组控制系统3风力机发展简史4

风能，是人类最早使用的能源之一。最初的古代风力机是一种简单的垂直轴风力机，公元644年波斯人制造了立轴式磨面用风力机，图1为古代风力机。图１古代风力机古代风力机5以后又发展了一种水平轴风力机，它的风轮具有十根梁，其间用张线固定，每根梁上有一块小帆布。至今在江苏一带还可见到竹木帆布结构的风力机。这种风力机在农田灌溉和盐池提水方面仍起到重要作用。6中世纪风力机到公元11世纪，在中东古代风力机应用很广泛。到13世纪，这种风力机传到了欧洲。到14世纪，荷兰率先改进了古代风力机，并广泛利用这种改进后的风力机为莱茵河三角洲的沼泽地和湖泊抽水。中国宋朝是风力机的全盛时期，当时流行着垂直轴天津风车。7在16世纪，荷兰先后建造了当时的第一个制油厂、第一个造纸厂以及锯木厂，这些都是利用风力机作动力的。1745年荷兰人发明了旋转机头并获专利，应用在荷兰风力磨坊。到19世纪中叶，在荷兰有9000台传统风力机在运行，图2为中世纪传统风力机。8图2中世纪传统风力机

910在产业革命期间，由于蒸汽机的出现，荷兰的风力机利用开始走下坡路。到20世纪，荷兰只有2500台风力机在运行。到1960年，仍在运行的风力机不到1000台。美国中西部的多叶式风力提水机，在十八世纪末曾多达数百万台。11欧洲(特别是荷兰和比利时)使用的荷兰式风力机。现有900台左右，一部分作为游览用在运行，大型的有直径超过20米的机组。12叶片由金属做成、风轮直径3－5m、功率500－1000W，

13近现代风力机在19世纪末，丹麦拥有3千台工业用的风力机和3万台用于家庭和农场的风力机。1890年丹麦的皮·拉库尔研制成功了风力发电机，1908年丹麦已建成几百个小型风力发电站。自20世纪初至60年代末，一些国家对风能资源的开发，尚处于小规模的利用阶段。14从20世纪50年代到60年代，中国研制了十几种风力发电机，最大的已超过30千瓦。从60年代开始研制的小型风力提水机，有30种不同型号，对我国开发利用风能起到了积极作用。15200W浓缩风能型风力发电机16500W风力发电机组17国名额定功率kW额定风速m/s叶轮直径m叶轮转速r/min叶片数塔高m投运年份苏联10010.530303301931美国125013.553.326233.51941-1945英国10015.2515.31303

1954英国10013.524.495.42301955丹麦2001524303241957表1国际上1970年以前研制的100kW级及以上的风力发电机组18国名额定功率kW额定风速m/s叶轮直径m叶轮转速r/min叶片数塔高m投运年份西德100834422241957-1968法国13212.521.2563

1958法国80016.730.247.3332.31958-1962英国10018.515.275310.71959法国10001735

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1963表1国际上1970年以前研制的100kW级及以上的风力发电机组19随着大型水电、火电机组的采用和电力系统的发展，1970年以前研制的中、大型风力发电机组因造价高和可靠性差而逐渐被淘汰，到20世纪60年代末相继都停止了运转。但是，这一阶段的试验研究表明，这些中、大型机组一般在技术上还是可行的，它为20世纪70年代后期的风电技术大发展奠定了基础。201973年，国际上出现了石油危机，不少国家面临能源短缺的困境，为此提出了能源多样化发展战略，因而风能的研究和开发工作又重新得到了重视。美国、荷兰、丹麦、英国、德国、日本、苏联、加拿大等国都对大力开发风能制定了规划，制定了采取扶持资助的鼓励性政策和法规。中国也开始重视风能的研究和开发。211980年以来，国际上风力发电机技术日益走向商业化。主要机组容量有300kW、600kW、750kW、850kW、1MW、2MW。1991年丹麦在Vindeby建成了世界上第一个海上风电场，由11台丹麦Bonus450kW单机组成，总装机4.95MW。22随后荷兰、瑞典、英国相继建成了自己的海上风电场。截止到2004年底，全球风力发电总装机为47000MW，离岸风力发电总装机为620MW,占总装机到了13.2%。23目前，已经具备离岸风力发电设备商业生产能力的厂家，主要有丹麦的Vestas（包括被其整合的NEG-Micon），美国的GE风能，德国的Nordex、Repower、Pfleiderer/Prokon和德国著名的Enercon公司。风力发电机大型化、巨型化趋势十分明显。24200/50kW风力发电机（意大利RivaCalzoni公司）110kW风力发电机（德国Ventis公司）25兆瓦级风电机组的研究与开发现在世界上风电机组在兆瓦级技术上早已形成主流，如美国为1.5MW，丹麦为2.0－3.0MW。另外，4.5MW风电机组也已经在2004年汉诺威世博会上亮相，目前Repower的风机型号是最大的，其5MW风机风轮直径达126m。26Enercon在德国安装了第五代样机为4.5MW，风轮直径达112m。已经有3种超过3MW的风机投入商业化，新一代兆瓦级风机的样机已经进入测试阶段(4.5MW-5MW)。272MW风力发电机组（丹麦Vestas公司）28。

德国Enercon公司首台E-126/6MW风力发电机样机于2007年11月在德国的埃姆登安装完成。

29。德国Repower公司研制的5MW的风电机组也已经在试验成功，目前已经在爱尔兰海上安装运行30Multibrid半直驱型（混合型）5MW机组也已试运行31。海上风电场发展32丹麦哥本哈根海上风电场33ＲＥＰＯＷＥＲ公司34美国加州风电场35国内风力发电发展现状自1986年建设山东荣成第一个示范风电场至今，经过近22年的努力，风电场装机规模不断扩大。截止2007年底，全国已建成158个风电场，累计安装风电机组6469台，装机规模已达5,906MW（590万kW）。2007年当年新增容量3,304MW（330万kW）中，内资企业生产的风电机组所占市场份额已达56%，首次超过了外资。但是累计容量内资企业占45%。361995年新疆建成了国内第一座兆瓦级风电场。浙江运达风力发电工程有限公司与丹麦BONUS公司合作生产120kW风力发电机，独立开发200kW、250kW风力发电机，国产化率达90%以上，拥有完全自主知识产权；1999年西安维德风电设备有限公司与德国公司组建合资公司组装了600kW大型风力发电机组，并已经安装在辽宁营口风电场并网发电运行；浙江华仪风能开发有限公司与金风科技公司合作进行大型风力发电机组整机制造，已具有成熟的600kW风力发电机组制造技术。当时市场上的主导产品已发展到600kW机组。37进入21世纪以后，风力发电技术进入快发展期，通过与国外公司合作，750kW机组的商品化开发和兆瓦级机组的相关技术正在进行攻关和实验研究，沈阳工业大学风能技术研究所一直致力于开发具有自主知识产权的大型风力发电机组，于2005年开发成功1MW机组，7月投入试运行，并合资成功开发具有自主知识产权的1.5MW风力发电机组；38上海电气风电设备有限公司与德国Aerodyn公司联合设计具有自主知识产权的2MW风力发电机组；哈尔滨哈飞威达风电设备有限公司和芬兰Winwind公司合资，生产1MW和3MW变桨变速并网型风力发电组；东方汽轮机厂与德国REpower公司合作进行1.5兆瓦MD70和MD77型风力发电机组整机设计。同时，在“十五”期间，中国的风电场和并网风电得到迅速发展，如：内蒙古、新疆、辽宁、宁夏、上海等地风电场和风电设备的发展。其中内蒙古赤峰大唐、辉腾锡勒风电场发展成为规模最大风电场。392007新增装机容量：内资企业占56%,首次超过外资企业402007累计装机容量：内资企业占45%41

从收集到的47个2006年底前建成的风电场，2007年的上网电量数据，初步推算出12个省的平均年等效满负荷小时数。统计中的风电场多采用进口的成熟机组，上网电量主要受风能资源的影响。422007年部分省区

风电场上网电量（小时数）和单机容量平均值

省区省场数等效满负荷小时数容量系数单机（kW）装机（万kW）河北423730.278858.8内蒙719330.2277039.0辽宁913250.1571521.7吉林419310.2279817.8上海216510.1913562.4浙江113440.156092.13福建520000.239868.9山东317280.208816.5广东616000.1856620.7海南114170.164830.87甘肃217370.2078612.7新疆424010.2765416.7

12个省4717870.2079115843我国兆瓦级风电机组历年装机容量统计国内兆瓦级风电机组的研究与开发44国产化兆瓦级风电机组

历年装机容量统计45序号企业名称兆瓦级风电机组装机容量（MW）1华锐679.52东汽222.03金风74.44上海电气22.55常牵新誉9.06湘电8.07华创3.08海装2.09南车时代1.6510明阳1.511惠德1.02007年内资制造商兆瓦级风电机组装机容量46华锐1.5MW风电机组东汽1.5MW风电机组上海电气1.25MW风电机组国内兆瓦级风电机组47国内兆瓦级风电机组南车时代1.65MW风电机组海装2MW风电机组48国内兆瓦级风电机组惠德1.0MW风电机组明阳1.5MW风电机组49金风6