概述
风力发电是利用风能来发电，而风力发电机组是将风能转化为电能的机械。风轮是风电机组最主要的部件，有桨叶和轮毂组成。坚固而具有良好的空气动力外形，在气流作用下能产生动力使风轮旋转，将风能转换成机械能，再通过齿轮箱增速驱动发电机，将机械能转变成电能。
风电的运行方式有三种：
①独立运行供电系统
即在电网未通达的偏远地区，用小型风力发电机为蓄电池充电，再通过逆变器转换成交流电向终端电器供电，单机容量一般为100W-10KW。
②风力发电与其他发电方式相结合
风力发电与柴油及发电或太阳能光电池相结合，组成混合供电系统，系统的容量约为10-200KW，用以解决小区（如一个单位、一个村庄或一个海岛）的供电问题。
③与电网并联运行
大规模风电通常作为常规电网的电源，向大电网提供电力。机组可以单独并网，也可以由多台、甚至成百上千台组成风电场。
技术原理
(1) 离网型风力发电系统
离网型风力发电机组，又称为独立运行的风力发电机组，应用的地区主要在农区、牧区、边远地区的边防连队、哨所、海岛驻军、内陆湖泊渔民、地处野外高山的微波站、航标灯、电视差转台站、气象站、森林中的瞭望烽火台、石油天然气输油管道，近海滩涂养殖业及沿海岛屿等地。
现阶段常规离网型户用风力发电系统的基本结构如图2-2所示，简述的运行过程为风轮将风能转变为机械能，风轮带动发电机旋转再将机械能转变为电能，由于风速的时变性，使得风力发电机的电压及频率变化，不易于直接被负载利用，所以目前的独立运行风力发电系统通过“交流-直流-交流”的转换方式供电，且要考虑风速很弱及无风的情况，系统的装置中使用了蓄电池进行储能。先用整流器将发电机的交流电变成直流电向蓄电池充电，再用逆变器将直流电变换成电压和频率稳定的交流电输出供给负载使用。系统的能量传输分配中要经过两次能量转换电能-化学能-电能，能量的利用率偏低，且由于风力发电发出的能量较小，往往达不到负载需求的电能。
本文研究的永磁直驱风力发电系统应用在离网环境下，设计的独立运行风力发电系统的结构组成原理图如图2-3所示。
独立运行风力发电系统由风轮机、永磁同步发电机、电能变换装置整流器、直流调压装置、逆变器、控制器、泄能负载、控制器、蓄电池、制动刹车装置和用户负载等组成。
正常启动风速到达后，风轮机开始运行，当风速较大时，风力发电机组发出的电能，经过电能变换装置调节后，得到用户负载所需要的交流电，多余的电能经过蓄电池储存起来当风速不足时，风力发电机组发出的电能较小或则不发电能，此时由蓄电池发电给电能变换装置，进而变换后，供给用户负载当风力发电机组发出的电能远大于用户所需的电能，且在蓄电池电量已被充满的情况下，采用泄能负载控制器对多余的电能放电。在整个风力发电系统的运行过程中，根据风速的变化，负载的变化以及储能装置容量的变化，各环节之间有着一定的联系，因此研究风电系统的控制策略对风力发电系统的稳定运行以及最大化的利用风能有着重要的意义。
(2)并网型风力发电系统
①并网接入技术
同步发电机
该结构中允许同步发电机以可变速度运行, 能够产生可变电压和频率的功率。作为在并网发电系统中普遍应用的同步发电机, 在运行时既能输出有功功率, 又能提供无功功率, 且频率稳定。对于由风力机驱动的同步发电机与电网并联运行时, 可采用自动准同步并网和自同步并网方式。由于风电的电压、频率的不稳定性, 往往造成应用前者并网比较困难; 而对于后者, 由于并网装置相对简单, 使得并网操作简化, 并网时间短。对于同步发电机, 最常见的结构是通过AC-DC-AC 的整流逆变方式与系统进行并网, 其原理结构如图1所示。
笼型异步发电机
由异步发电机的特点可知, 为了使风电与电网并联, 必须在风力机和异步发电机之间加装增速齿轮箱, 以提高转子的转速。由电机学可知, 异步发电机是靠滑差率调整负荷, 其输出的功率与转速近乎线性关系, 因此不需要同步设备, 并网相对简单, 维护较少; 但并网瞬间冲击电流较大, 而且需要电容无功补偿装置, 增加了结构的复杂性。一般采取的并网方式有直接并网、降压并网和晶闸管软并网,图2为异步发电机的晶闸管并网的结构原理图。
绕线式异步发电机
绕线式异步发电机的转子上有三相绕组, 可通过集电环与外部相连, 通过外接可变转子电阻, 改变发电机的转差率。与转子相连的方法有3种: 转差功率恢复、循环变换器和转子电阻斩波控制。
图3 给出了转差功率恢复的常用结构: 定子直接与电网相连, 电力变换器与绕线转子相连。其优点是功率调节相对简单。
双馈异步发电机
双馈异步发电机的转子通过变频器与电网相连, 能够实现功率的双向流动。由于在风力机变速运行时发电机也为变速运行, 因此为了实现与电网的并联, 将由双馈异步电机和以自关断器件为功率开关的变频器组成的系统采用脉宽调制技术( PWM) 控制。采用双馈异步电机, 只要根据风速的变化和发电机转速的变化调整转子的电流频率, 即可实现恒频控制。该方式需要的变频器容量较小,而且能够实现有功、无功的灵活控制, 其结构简图与图1 相似, 只是由同步电机变为双馈异步发电机, 同时增加了测速装置。
②并网变流技术
风力发电并网变流机组由风力机、发电机、塔架、变流器及其控制系统、输变电装置和其他机械装置组成。其中，风力机将风能转化为机械能，发电机将机械能转化为电能，而变流器则通过电能变换将发电机输出的能量馈入电网。随着空气动力学、材料、发电机技术、计算机和控制技术的发展，风力发电技术的发展极为迅速，单机容量不断增大，从最初的数十千瓦级发展到兆瓦级机组。大型风力发电机组对系统运行可靠性、发电质量以及风能利用效率等提出了更高的要求，相应的变流机组速度控制技术和功率控制技术也不断进步，经历了由恒速到变速、由定桨到变桨的发展过程。
国内发展和应用现状
和世界风电强国相比，我国风力发电事业起步较晚。截至2003年底，全国风电场总装机容量仅为0．567GW，占全国总装机容量的0．14％。为促进我国经济和社会的可持续发展，近年来，政府将风力发电作为改善能源结构、应对气候变化和能源安全问题的主要替代能源技术之一，给予了大力扶持，我国风电事业取得了突破性进展。2007年11月，中国资源综合利用协会可再生能源专委会、国际环保组织绿色和平和全球风能理事会于上海国际风能大会上共同发布了《中国风电发展报告2007》，报告指出，自1995年至2006年，我国风电装机容量的年平均增长率为46．8％；截至2006年底，我国共建设风电场100多个，风电装机容量已达2．6GW，跃居世界第六位：并有望于2008年实现风电装机容量突破5GW，提前完成政府原定的2010年发展目标。
国外发展和应用现状
①大型风力发电机
丹麦大型风力发电机
现代风力发电机起源于19世纪末期的丹麦，丹麦人首先发明了第一台风力发电机。在1900—1960年期间，丹麦研究制造出10～200 kW的各种类型的风力发电机，有些大型风力发电机和电力系统并网，其中以丹麦人盖瑟（Gedser）研制的200 kW风力机最为出色，设计者采用异步发电机、定桨距风轮和叶片端部带有制动的翼片，这种结构方式后来成为丹麦风电机组的主流。美国在1941年设计制造了1250 kW风力发电机，风轮直径为53.3 m，安装在佛蒙特州，于同年10月作为常规电站并入电网，后因一个叶片在1945年3月脱落而停止运行。另外，法国和前苏联也研制过百千瓦级的机组。这期间，由于风力发电机运行不够稳定，容易出现故障及事故，这一新生事物并未在全世界受到人们的关注。1973年发生石油危机以后，美国、西欧等发达国家为寻求替代矿物燃料的能源，投入大量经费，动员高科技产业，利用计算机技术、空气动力学、结构力学和材料科学等领域的新技术研制现代风力发电机组，取得了巨大进展，从而开创了风能利用的新时期。1987年美国研制出单机容量为3.2 MW的水平轴风力发电机组，风轮直径约为100 m，塔高为80 m，安装在夏威夷的瓦胡岛；1987年加拿大研制出单机容量为4.0 MW的垂直轴达里厄型风力发电机组，安装于魁北克省，不过这些巨型机组因故障维修困难，经费难以维持，未能发展成商业机组。到20世纪90年代，单机容量为100～200 kW的机组已在中型和大型风电场中成为主导机型，其后发展到300 kW、500 kW、600 kW和750 kW机型。当前，风力发电机组的技术正沿着增大单机容量、减轻每单位容量的自重、提高转换效率的方向发展。从全球来看，2004年以来兆瓦级风力发电机己经成为商业化机组的主流，1 MW以上的风力发电机已占到新增装机容量的74.9%，是2000年的2倍，其中德国的瑞普尔（Repower）公司研制了5 MW的风力发电机，其风力机风轮直径达125 m。尽管目前国际上主流的风电机组已达到2~3 MW，但每个国家和地区的情况不同，有的地区由于运输和物流等原因不适合采用大型风力发电机。在美国，风力发电机的平均容量仍维持在1.3 MW左右，印度也很少使用高端的兆瓦级的风力发电机。目前世界最大的风机生产商是丹麦的维斯塔斯（Vestas），其他比较重要的生产商是西班牙的歌美飒（Gamesa）、美国的通用电气（GE wind）、印度的苏司兰（Suzlon）和德国的意耐康（Enercon）。丹麦的维斯塔斯是全球领先的风电解决方案供应商，拥有全球市场23%的份额和35 500台的总装机数量。在五大洲63个国家共安装了35 500余台风电机。核心业务包括风力发电系统的开发、生产、销售、市场营销和维护。产品形成千瓦级、1.65 MW级、2.0 MW级、3.0 MW级等多个系列。2007年英国独立报将维斯塔斯公司列为“世界最绿色公司指南”第一名。维斯塔斯公司产品的80%可回收循环再利用，其生产过程中能耗的68%来自可再生能源。用一台风机6~8个月生产的能源就可以回收该风机的整个成本，包括制造、运输和最终拆除的费用。图1为丹麦维斯塔斯V90/3.0 MW级风力发电机。
美国通用电气公司风力发电机
美国GE 风能公司占据全球风电机组市场份额第二。自从通用电气公司2002年进入风电市场GE 风能公司快速发展成为全球领先的风能企业和风机制造商。在2008 年6 月第五届亚洲风能大会暨国际风能设备展览会上，GE展出了包括其1.5 MW风机在内的先进技术与绿色能源理念。GE的1.5 MW风机在世界风能产业中应用广泛，目前共有8500台机器在包括中国在内的世界各地运转。最近，GE的1.5 MW风机组的运营服务时间超过了11500万h，打破了单型号风机服务时间的行业纪录，成为最为可靠的风机之一。2006 年3 月，美国能源部（U.S.Department ofEnergy）和GE签订了2 700万美元的合同，设计下一代海上大型风力发电机。这种风机的额定功率确定为5~7 MW，并尽力优化使它的能耗最小，这将使它成为世界上最强有力的风机。这个合同也将提升美国的风能潜力。风机的研制工作主要在GE的全球研发中心进行，位于纽约州的尼斯卡于纳（Niskayuna，N.Y.）。联邦能源部的官员称，该风机的研发能降低风力发电的成本，估计可从原来的9.5美分/kWh，约降低为5美分/kWh。
德国风力发电机
德国意耐康（Enercon）公司是一个总部位于德国的私人企业，在马格德堡、德国、瑞典、巴西、印度和土耳其设有生产车间。成立于1984年，被誉为风能产业研究和发展的助推先锋力量。它作为全球研制兆瓦级风力发电机的领先企业，目前已安装了超过11 000个风力发电机，售出的风力机具有高产能、运行维护成本低的特点，且质量保证10年。目前该公司是德国最大的风电产业生产商，拥有全世界风能行业中约40%的专利技术。1991年，公司开发了世界上首个无齿轮风能系统，1993年，开始大规模制造无齿轮风力发电机并制定了能源输出、可靠性和服务寿命等方面的新标准。为了确保在风电机领域技术、质量和安全性的领先地位，叶轮等所有的主要构件都自行研发、生产。目前的单机容量为330 kW～6 MW，机型有E-33，E-48，E-70，E-112等，是生产变速风电机最多的公司。其中单机功率最大的风力发电机其型号为E-112/E-126，目前已经达到了6 MW。在零部件方面，Enercon公司目前叶片的产量是德国第一，世界前三，其风机叶片100%自给。公司强项为直驱风机。2006年挪威可再生能源展览会上，Enercon展出了E-112的改进型E-126风力机，样机于2007年安装。相比于E-112，E-126拥有更大的旋转直径，更高的轮毂和改进的叶片设计，该机型将比E-112更加经济。
印度风力发电机情况
印度苏司兰（Suzlon）能源有限公司是一家从事风能技术开发设计、风力发电设备生产、风力发电厂设计建造及技术咨询服务的综合性跨国公司，现在中国、美国、印度与比利时设有生产基地。公司整体生产能力为2 700 MW，并且于2007年1月提升到4 200 MW。作为印度最大的风电设备制造公司，拥有全球5％和亚洲地区30％的市场份额，风力涡轮发电机年产能达到1 500 MW，位居全球风力发电企业第五位，是世界上利用风能技术发展最快的公司之一。作为印度的一家本土风电企业，苏司兰已成为印度最大的风电机组制造商。
②小型风力发电机
在风能领域，国际风力发电机组的发展，一方面越来越趋于大型化，风机单机容量不断增大；另一方面，也有部分厂商却着眼于小型风力发电机的开发。由于小型风力发电机多为民用，具有尺寸小、安装使用方便、成本低、效率高等特点，因此适用于各种地域和气候环境。近年来，美国、英国、日本、韩国等国家都已推出相应的产品。巧合的是，小型风机多为垂直轴。结合垂直轴的优点，如垂直轴风力发电机具有启动风速较低，噪音小，便于安装维修等优点，这种巧合也非偶然。
来自日本经济新闻社的报道，日本神钢发电机公司开发了一种家用风力发电机，该风力发电机采用垂直轴风车叶片，而不是普通的螺旋桨叶片。可以利用来自各个方向的风，具有风切音（风切音可以描述为耳朵感受到的压力）较小的优点，由于采用了静音设计，因而也可用于住宅密集区。该垂直轴风机为了能在2 m/s的风速下发电，在使用低阻力轴承以减小机械损耗的同时，叶片材料采用铝合金以减轻重量。同时该风车通过自行开发产品部件及减少使用部件的数量，降低了价格，适于家庭使用。神钢发电机公司根据风车直径及高度的不同，共推出4款产品，价格为20万日元/台～30 万日元/台（约合人民币1.33 万元/台～2 万元/台）。除家庭外，这种小型风力发电机还可用于学校等公共设施。
英国Quietrevolution 公司制造的一种新型垂直风力发电机QR5，适用于风速较低，风向变化频繁的地区。QR5 已经获得英国贸易工业部（DTI）“低碳建筑物项目”的认可，并获得专利保护。第一台风机在2007年11月在温布尔登的Kings大学内安装风力机主体设计成熟，高5 m，直径3.1 m，风速范围为4~16 m/s，集成了多种形式的结构。3个S形螺旋状叶片的设计可以在获取风能的同时消除噪音和震动。只有一个可移动部件，且密封性良好，更易于日常维护。叶片、支撑杆、转矩管都采用高强度的碳纤维，直驱式内嵌发电机安装于支撑杆中，具有自动关闭和电力高峰跟踪的功能。
韩国IR windpower公司于2006年底注册成立，2007年4月注册涡轮风力发电机专利。与韩国首尔产业大学共同合作开发中小型风力发电系统与10 MW级风力发电系统。现在形成生活型风力发电机，中小型风力发电系统（1 kW、3 kW、5 kW、10 kW），大型风力发电系统（3 MW、10 MW）等系列产品。以额定功率为1 kW的小型风力发电机为例，据介绍它的启动风速为0.8 m/s，额定风速为10 m/s，转轮直径2.8 m，转轮高2 m。它采用高强度、轻量材料以及柔韧的构造设计，可以克服雷击，并且具有应对低风速性好，分件结构容易维修，低噪音发电等特点。该公司的小型风力发电系统的应用之一就是涡轮风力发电路灯，是以自然风为动力发电，并利用储存在蓄电池的电根据光照度自动点亮的路灯，有效发电风速为3 m/s。
供应商信息
①丹麦
Vestas
Bonus
②西班牙
Gamesa
EHN
③印度
Suzlon
④中国
新疆金风科技
浙江运达风电工程有限公司
沈阳工业大学
万电公司
上海蓝天
大连重工
东方汽轮
保定550
中国火箭运载发射院
西安维德
经典案例
详情见“海岛风能海水淡化组合体系研究.pdf”
以宁波市象山县高塘岛为例，对该岛的风能和水资源状况进行不同规模的风能海水淡化组合配置和设计进行比较。
4．1高塘岛的水资源状况
高塘岛是宁波市的第二大岛，面积为58 km2，总人口约为2万，经济结构以农业为主、渔业和工业为副。由于地理的局限性，岛上没有再建水库的条件，现有水库和河网蓄水量为460万m3，降雨复蓄量约为100万m3，总计贮水能力为560万m3／a，扣除工农业用水(约500万m3／a)和养殖业用水(约250万m3／a)，实际每年用水缺口为190万m3，抗旱能力只有40 d。可供高塘岛居民生活用水的水库蓄水量约为47万m3，有时供水量还不足40万m3。人均生活用水资源量仅为20 m3／a，即55 L／(人•d)。在干旱年份，可供高塘岛居民生活用水量仅为13 L／(人•d)。随着城市化进程的加快，城乡工农业和服务业迅速发展以及人们生活水平不断提高，在节约用水的基础上，城乡人口的用水标准也将逐步提高。据预测，2010年为210 L／(人•d)，2030年为250 L／(人•d)。按照上述人均生活用水指标预算，高塘岛生活用水资源量缺口较大。若按200 L／(人•d)的用水标准测算：丰水期(3个月)生活用水资源量缺口为26万m3，枯水期(9个月)生活用水资源量缺口为40万m3；在干旱年份，生活用水资源量缺口为105万m3。解决高塘岛缺水问题的主要办法有：一是从陆上运水上岛或铺设管道输水上岛，但两者成本太高，前者的“吨水成本”达10元左右，而后者不但工期较长，且旱季难以保证供水；二是在岛上建立反渗透海水淡化站，以目前海水淡化的“吨水成本”不到5元计算，应在可接受的范围内。第二种办法不仅可以缓解高塘岛居民生活用水问题，而且可以为高塘岛的经济发展提供基础保障。
4．2高塘岛海域的水质条件
高塘岛与石浦以石浦港隔海相望，石浦港海水盐度受石浦及周边陆缘径流影响较大，冬季盐度平均为24．27，夏季盐度平均为23．26，年变幅不大，盐度垂直分布均匀。由于高塘岛周围受石浦港海水低盐度交混的影响，海水盐度亦较低，低盐度海水可降低反渗透海水淡化的成本(一般远离大陆的海岛周边海水的盐度为31～34，对其进行反渗透海水淡化的成本较高)。考虑到取水口水质应不受排污影响，海水淡化厂厂址初步选择在高塘岛南端的小乌岩(图2)，相对于宁波沿海海域而言，小乌岩处海域的海水清澈，悬浮物含量低，海水水质受污染程度小(表3)。
鉴于宁波市地处东海海域，浮游生物量较大、海水混浊度稍高，为了保证反渗透膜的进水条件，在海水淡化中除采用常规的预处理和反冲洗工艺外，还可采用全膜法预处理工艺和高性能膜法预处理组件的新工艺、新技术。
4．3风能的气象条件
拟建风电场的小乌岩面向大海，风力资源丰富，根据石浦气象站测定的高塘岛2001～2003年风速持续时数如表4所示。
表4数据表明，全年风力发电天数为180 d左右(扣除5 m／s以下风速不能带动风机发电和17 m／s以上风速的强风或台风的天数)，全年可供风力发电的风速持续时数不低于4 000 h，能满足风能海水淡化的气象条件。
4．4岛内的电力设施
高塘乡电力设施齐全，现有变电所的容量为5 000 kW。如在高塘岛上设立1 000 kW以下的风力发电场，完全可以通过晶闸管软并网技术并网，并网时所产生的瞬间冲击电流在允许的范围内。上网价格将根据国家和宁波市相关部门的政策待定。
4．5拟建的风力发电场规模
按照我国人均生活用水指标，结合高塘岛人口增长率和岛上自然缺水的状况，为避免一次性投资过大，设计了两套建设方案进行类比：方案一为拟建日产500 t级的反渗透海水淡化厂，配套建设一座150kw的风力发电场；方案二为拟建日产300 t级的反渗透海水淡化厂，配套建设一座100 kW风力发电场。
4．5．1 方案一的资金概算
拟建日产500 t级的反渗透海水淡化厂，日产淡化水量为500 t(15℃)，淡化水的含盐量为25 000～30 000 mg／L，符合国家饮用水的水质标准，总溶解固体低于500 mg／L，水回收率为35％-40％；方案一合计总投资为596．9万元。
4．5．2方案一的制水成本
海水淡化属于水资源的开发建设工程，世界各国对水资源工程的政策差别很大。在我国，包括地表水、地下水的淡水资源尚未被作为有限资源来实现商品化，因此目前无法直接与市政供水费作比较。海水淡化的主要成本是能源(电能)的费用(一般占总成本的50％～60％)，如果利用风力发电为海水淡化提供能源，淡化水的价格有望低于市政供水价(不计投资回收)。海岛地区用海水淡化配置风力发电解决其能源是最经济的一种方式。表5和表6分别为高塘岛500 t级海水淡化工程使用电网电与使用配置风力发电的造水成本。
表5中有关计算数据的依据：装置生产能力为500 m3／d；工程投资为426．9万元；投资年利率为5．3％；装置开工率为90%(天数)；电费成本(现工业用电价)为0．73元／(kW•h)；单位产水能耗为4．0(kW•h)／t；维修费占总投资的1．5％；装置及配套设施的平均使用寿命为20 a；反渗透膜元件的平均使用寿命为5 a；反渗透膜元件的更换费用为25万元；化学试剂和易耗品的费用为0．15元／t；人工4人(包括管理人员)的人工费为20000元／(a•人)；作为海水淡化试点工程，如果完全由国家投资建设，不计投资利息，淡化吨水的成本价为4．09元。
表6的计算依据是风力发电年平均时间为180 d，总投资为596．9万元，其余同表5。
同样的如果不计投资利息，产水的单位成本为2．77元／t。间隙性生产(单纯的风力发电制水)产水的单位成本为1．43元／t。
4．5．3方案二的资金概算
拟建立日产300 t级的反渗透海水淡化厂，设计依据与方案一的相同；方案二合计总投资为440．2万元。
4．5．4方案二的制水成本
高塘岛使用配置风力发电，日产300 t淡化水，需建立一个100 kW的风电场。设立2台各50 kW的风力机组所需经费为120万元(包括基础设施等)。目前风电场的造价成本：机组(设备)为85万元，占造价成本的71％左右；基础设施为28万元，占造价成本的23％；调试及其它费用为7万元，占造价成本的6％。风能利用小时数约为4 300 h。表7和表8分别为高塘岛300 t级海水淡化工程使用电网电与使用配置风力发电的造水成本。
表7有关计算数据的依据：装置生产能力为300m3／d；工程投资为320．2万元；其余依据与方案一的相同。
作为海水淡化试点工程，如果完全由国家投资建设，不计投资利息，淡化水的成本价为4．67元／t。
表8有关计算数据的依据是风力发电时间年平均为180 d，总投资为440．2万元，其余同表7。同样的，如果不计投资利息，淡化水的单位成本为3．07元／t。
方案一和方案二的比较见表9。
从表9可以看出，方案一日产水量大、投资量也大，产水成本略低；方案二日产水量和投资量均略小，但产水成本略高。由于该项目依赖政府无偿扶持，从减少投资和试验示范的角度，我们倾向于方案二；但从目前高塘岛的缺水状况和投入产出率来看，方案一相对更有利一点。
参考文献
[1] 吕广强. 风力发电的并网接入及传输方式[J]. 江苏电机工程，2006，25（4）：55-57.
[2] 苏宪龙. 离网型风力发电系统的研究[D].重庆：重庆理工大学，2009.
[3] 陈瑶. 直驱型风力发电系统全功率并网变流技术的研究[D].北京：北京交通大学，2008.
[4] 任典勇，施慧雄. 海岛风能海水淡化组合体系研究[J]. 海洋学研究，2009，29（2）：111-118.