第1章 风光互补发电基础知识

1.1 风力发电系统

1.1.1 风力发电技术

1.风的形成

风是一种自然现象，地球表面的空气水平运动称为风，风是地球外表大气层由于太阳的热辐射而引起的空气流动。太阳辐射对地球表面不均匀性加热是形成风的主要原因。太阳对地球的辐射，透过厚厚的大气层，到达地球表面，地球表面各处（海洋和陆地；高山岩石和平原土壤；沙漠、荒原和植被、森林地区）吸收热量不同；由于地球自转、公转、季节、气候的变化和昼夜温差的影响，使地表各处散热情况也各不相同，散热多的地区靠近地表的空气受热膨胀，压力减小，形成低气压区，这时空气从高气压区向低气压区流动，就产生了风，也就是说风能最终还是来自太阳能。地形、地貌的差异，地球自转、公转的影响，更加剧了空气流动的力量和流动方向的多变性，使风速和风向的变化更加复杂。简单地说，太阳的辐射造成地球表面受热不均，引起大气层中压力分布不均，空气沿水平方向运动形成风，风的形成就是空气流动的结果。

大气压差是风产生的根本原因，由于大气层中的压力分布不均，从而使空气沿水平方向运动，空气流动所形成的动能称为风能。据估计到达地球的太阳能中虽然只有大约2%转化为风能，但其总量仍是十分可观的。地球上全部风能估计约为2×1017kW，其中，可利用的约为2×1010kW，这个能量是相当大的。它是地球水能的10倍。因此也可以说风能是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源。

2.风的种类

1）贸易风

在地球赤道上，热空气向空间上升，分为流向地球南北两极的两股强力气流，在纬度30°附近，这股气流下降，并分别流向赤道与两极。在接近赤道地区，由于大气层中大量的空气环流，形成了固定方向的风，自古以来，人们利用这种定向风，开展海上远洋贸易，所以称为贸易风。由于地球自西向东旋转的原因，贸易风向西倾斜，此时北半球产生了东北风，而南半球则产生了东南风。

2）旋风和反旋风

在由地球南北两极流向赤道的冷空气气流与由赤道流向两极的热空气气流相遇处（在纬度50°～60°附近）构成了涡流运动，形成旋风和反旋风。

3）地区性风

由于地形的差异（如陆地、海洋、山岳、森林、沙漠），使空气在同一纬度上受到不同程度的加热，因而产生了地区性风。白天山坡受热快，温度高于山谷上方同高度的空气温度，坡地上的暖空气从山坡流向谷地上方，谷地的空气则沿着山坡向上补充流失的空气，这时由山谷吹向山坡的风，称为谷风。夜间，山坡因冷却降温速度比同高度的空气快，冷空气沿坡地向下流入山谷，称为山风。山谷能改变气流运动的方向，还能使风速增大，而丘陵、山地会因为摩擦而使风速减小，孤立的山峰会因海拔高而使风速增大。

4）轻风

由于昼夜之间的温度变化而产生的沿海岸风称为轻风，在有太阳时，陆地所接受的热量较海洋强烈，因而陆地上空的空气较轻，于是陆地上空的空气向上升，冷空气力图自海洋流向沿岸陆地，于是产生了海风。陆地上的热空气则流向海洋，到离海岸某一距离处下降。而在夜间，陆地上的空气比海洋上的空气冷却较快，因此，陆地上的下层空气流向海洋，而上层空气则由海洋流向陆地，形成了与白昼相反的风向，称为陆地风。轻风方向的更换决定于地形条件。海风通常自上午9～10时开始，陆地风则在日落以后开始。轻风仅在沿海岸才遇到，流动的距离约为在海洋和陆地两方各40km之间。

5）季节风

陆地上每年的温度变化较海洋大，同样也引起与轻风相似，但具有季节性的气流循环，它的强度大于轻风的气流循环强度，这种风称为季节风。

6）平原和山岳风

山岳地区在一昼夜间有周期性的风向变换，与轻风相似，平原风每日上午自9～10时至日落沿山岳的坡度向高处流动，在夜间则与此相反，气流自山岳流向平原，形成了山岳风。如果平原处于海岸处，则会引起特别强劲的风，因为在夜间，山岳风被陆地风增强了，而在日间，平原风被海风增强。夜间的山岳风是由于山顶的冷空气具有较大密度，流向平原，形成夜间山岳风。平原风的产生则是由于日照山岳斜面上的空气较平原上的空气热，因此地势低处的空气膨胀，引起空气流动。

3.风的变化

1）风随时间变化

在一天内，风的强弱是随机变化的。在地面上，白天风大，而夜间风小；相反，在高空中却是夜间风大，白天风小。在沿海地区，由于陆地和海洋热容量不同，白天产生海风（从海洋吹向陆地）；夜间产生陆风（从陆地吹向海洋）。在不同的季节，太阳和地球的相对位置也发生变化，使地球上存在季节性温差，因此，风向和风的强度也会发生季节性变化。在我国，大部分地区风的季节性变化规律是：春季最强，冬季次强，秋季第三，夏季最弱。

2）风随高度变化

由于空气的黏性和地面摩擦的影响，风速随高度变化因地面的平坦度、地表粗糙度及风通道上的气温变化不同而异。特别是受地表粗糙度的影响程度最大。从地球表面到10000m高空层内，空气的流动受到涡流、黏滞和地面摩擦等因素的影响，风速随着高度的增加而增大。通过实验，常用的计算风速随高度变化的公式有如下两个。

指数公式

对数公式

式中 v1——高度h1处的风速；

h1——高度（一般为10m）；

v——待测高度h处的速度；

h——待测点离地高度；

h0——风速为零的高度；

n——指数，取决于地面的平整度（粗糙度）和大气的稳定度，取值范围为1/8～1/2。在开阔、平坦、稳定度正常的地区，n值取1/7。粗糙度大的大城市n常取1/3，一般上下风速差较小，n较小，反之，n值取大。

3）风变化的随机性

自然风是一种平均风速与激烈变动的瞬间紊乱气流相重合的风，气流紊乱主要与地面的摩擦有关，除此之外，当风速与稳定层是垂直分布时会产生重力波，在山风下侧也会产生山岳波。这种紊乱气流不仅影响风速，也明显影响风向。如果按时间区分，可将风向的变化区分为：

（1）一年或一个月内风向的趋势。

（2）短时间内变动的紊乱气流。

（3）介于两者之间的平均风向。

对于第一种风向的变化状况，如制成风向玫瑰图（风向频度），便可清楚地看出风向的大致趋势，如图1-1所示。一般采用年平均风速时间曲线（表示一地方一年中各种风速小时数）来进行记录风速，如图1-2所示。

4.风的特性

风作为一种自然现象，有它本身的特性。通常采用风速、风频等基本指标来表述。

1）风速

风的大小常用风的速度来衡量，风速是单位时间内空气在水平方向上移动的距离。专门测量风速的仪器有旋转式风速计、散热式风速计和声学风速计等。风速的单位常以m/s、km/h、mile/h等来表示。例如，空气在1s内运动了3m，那么风速就是3m/s。由于风是不断变化的，通常所说的风速是指一段时间内各瞬时风速的算术平均值，即平均风速。

2）风频

风频分为风速频率和风向频率。

（1）风速频率：指各种速度的风出现的频繁程度。对于风力发电的风能利用而言，为了有利于风力发电机平稳运行，便于控制，希望平均风速高、风速变化小。

（2）风向频率：指各种风向出现的频繁程度。对于风力发电的风能利用而言，总是希望某一风向的频率尽可能的大。

5.风能

风能就是空气的动能，是指风所负载的能量，风能的大小取决于风速和空气的密度。风的能量是由太阳辐射能转化来的，太阳每小时辐射地球的能量是174423000000000kW，换句话说，地球每小时接受了1.74×1017W的能量。风能占太阳提供总能量的1%～2%，太阳辐射能量中的一部分被地球上的植物转换成生物能，而被转化的风能总量大约是生物能的50～100倍。著名的风能公式为

式中 ρ——空气密度（kg/m2）；

υ——风速（m/s）；

t——时间（s）；

S——截面面积（m2）。

它是风能利用中常用的公式，由风能公式可以看出，风能主要与风速、风所流经的面积、空气密度3个因素有关，其关系如下：

（1）风能（E）的大小与风速的三次方（υ3）成正比，也就是说，影响风能的最大因素是风速。

（2）风能（E）的大小与风所流经的面积（S）成正比。对于风力发电机来说，就是风能与风力发电机的风轮旋转时扫过的面积成正比。由于通常用风轮直径作为风力发电机的主要参数，所以风能大小与风轮直径的平方成正比。

（3）风能（E）的大小与空气密度（ρ）成正比。空气密度是指单位体积（m3）所容纳空气的质量（kg）。因此，计算风能时，必须要知道空气密度ρ值。空气密度ρ值与空气的湿度、温度和海拔高度有关，可以从相关的资料中查到。空气运动具有动能，如果风力机风轮叶片旋转一圈所扫过的面积为A，风速为v的空气在单位时间内流经风轮时，该空气传递给风轮的风能功率（一般称为风能）为

式中 ρ——空气密度（kg/m3）；

A——风力机叶片旋转一圈所扫过的面积（m2）；

v——风速（m/s）；

P——每秒空气流过风力机风轮断面积的风能，即风能功率（W）。

如果风力机的风轮直径为D，则

则

若有效风速时间为t，则在时间t内的风能为

由式（1-7）可知，风能与空气密度ρ、风轮直径的平方D2、风速的立方v3和风持续时间t成正比。一般来说，一定高度范围内的空气密度可以认为是一个常数。因此，当风力机的风轮越大，有效风速时间越长，特别是风速越大，则风力机所能获得的风能就越大。

表征一个地点的风能资源，要视该地区常年平均风能密度的大小。风能密度是单位面积上的风能，对于风力机来说，风能密度是指风轮扫过单位面积的风能，即

式中 W———风能密度（W/m）；

ρ——空气密度（kg/m3）；

v——风速（m/s）。

常年平均风能密度为

式中 W——平均风能密度（W/m2）；

T——总的时间（h）。

在实际应用时，常用下式来计算某地年（月）风能密度，即

式中 W年（月）——年（月）风能密度（W/m2）；

Wi（1≤i≤n）——各等级风速下的风能密度（W/m2）；

Ti（1≤i≤n）——各等级风速在每年（月）出现的时间（h）。

不考虑风力机的机械利用系数，单位面积获得的风能功率称为风能密度（W/m2），并以此表征某地风能的大小

推动风力机运转的风能功率是

式中 ρ——空气质量密度（kg/m3）；

v——风速（m/s）；

A——风力机叶轮扫过的面积（m2）。

由于实际上风力机不可能将桨叶旋转的风能全部转变为轴的机械能，因而风轮的实际功率为

式中，CP为风能利用系数，即风轮所接收风的动能与通过风轮扫掠面积A全部风的动能比值。

以水平轴风力机为例，理论上最大风能利用系数为0.593左右，但再考虑到风速变化和桨叶空气动力损失等因素，风能利用系数能达到0.4就相当高了。风能密度有直接计算和概率计算两种方法。近年来在各国的风能计算中，大多采用概率计算中的韦泊尔（Weibull）分布来拟合风速频率分布方法计算风能密度。

风力机要根据当地的风况确定一个风速来设计，该风速称为“设计风速”或“额定风速”，它与“额定功率”相对应。由于风的随机性，风力机不可能始终在额定风速下运行。因此风力机就有一个工作风速范围，即从切入风速到切出风速，称为工作风速，即有效风速。依此计算的风能密度称为有效风能密度。

6.风力等级

根据理论计算和实践结果，把具有一定风速的风，通常是指3～20m/s的风作为一种能量资源加以开发，用来做功（如发电），把这一范围的风称为有效风能或风能资源。因为风速低于3m/s时，它的能量太小，没有利用的价值，而风速大于20m/s时，它对风力发电机的破坏性很大，很难利用。世界气象组织将风力分为17个等级，在没有风速计的时候，可以根据它来粗略估计风速。风力等级如表1-1和表1-2所示。

风所具有的能量是很大的，风速为9～10m/s的5级风，吹到物体表面上的力约为10kg/m2；风速为20m/s的9级风，吹到物体表面上的力约为50kg/m2；风所含的能量比人类迄今为止所能控制的能量要大得多。

7.风能的优点和局限性

风能是非常重要并储量巨大的能源，它安全、清洁、充裕。目前，利用风力发电已成为风能利用的主要形式，受到世界各国的高度重视，而且发展速度最快。风能与其他能源相比，具有明显的优点，但也有其突出的局限性。

1）风能的优点

（1）蕴藏量大。风能是太阳能的一种转换形式，是取之不尽、用之不竭的可再生能源。根据计算，太阳至少还可以像现在一样照射地球60亿年左右。

（2）无污染。在风能转换为电能的过程中，不产生任何有害气体和废料，不污染环境。

（3）可再生。风能是靠空气的流动而产生的，这种能源依赖于太阳的存在。只要太阳存在，就可不断地、有规律地形成气流，周而复始地产生风能，可永久持续利用。

（4）分布广泛、就地取材、无需运输。在边远地区如高原、山区、岛屿、草原等地区，由于缺乏煤、石油和天然气等资源，给生活在这一地区的人们带来诸多不便，而且由于地处偏远、交通不便，即使从外界运输燃料也十分困难。因此，利用风能发电可就地取材、无需运输，具有很大的优越性。

（5）适应性强、发展潜力大。我国可利用的风力资源区域占全国国土面积的76%，在我国发展小型风力发电，潜力巨大、前景广阔。

2）风能的向限性

（1）能量密度低。由于风能来源于空气的流动，而空气的密度很小，因此风力的能量密度很小，只有水力的1/816。

（2）不稳定性。由于气流瞬息万变，风时有时无、时大时小，日、月、季、年的变化都十分明显。

（3）地区差异大。由于地形变化，地理纬度不同，因此风力的地区差异很大。两个近邻区域，由于地形的不同，其风力可能相差几倍甚至几十倍。

1.1.2 我国风能资源

我国的风能资源十分丰富，仅次于俄罗斯和美国，居世界第三位。根据国家气象局气象研究院的估算，我国10m高度层的风能资源总储量为32.26亿千瓦，其中实际可开发利用的风能资源储量为2.53亿千瓦。而据估计，我国近海风能资源约为陆地的3倍，所以，我国可开发风能资源总量约为10亿千瓦，其中，陆地上风能储量约2.53亿千瓦（陆地上离地10m高度资料计算），海上可开发和利用的风能储量约7.5亿千瓦。

1.可利用的风能

风虽然随处可见，但是也有可利用和不可利用之分，它与风速有直接关系。年平均风速小于2m/s的地区，目前是没有利用价值区；年平均风速在2～4m/s的地区，是风能可利用区，在这一区域内，年平均风速在3～4m/s的地区，利用价值较高，有一定的利用前景，但从总体考虑，该地区的风力资源仍是不高；年平均风速在4～4.5m/s的地区基本相当于风能较丰富区；年平均风速大于4.5m/s的地区，属于风能丰富区。

由此可见，除去一些破坏性极大的风（如台风、龙卷风等），绝大多数风速在2m/s以上的风能都是对人类有用的风能。目前，国内外一般选择年平均风速为6m/s或以上的高风速区（即风能资源丰富区），安装并网型风力发电机组，即大型风力发电机组。在这些机组中，我国一般选用单机容量600kW以上的机组建设风电场。这样才能保证机组多发电，经济效益才能显著。独立运行的小型风力发电机组启动风速较低，一般为3m/s以上就能发电，这些地区分布区域广，我国有相当部分农耕区、山区和牧区都属于这种地区。

2.风能资源开发的判断依据

从风能公式可以看到，影响风能资源的主要因素是风速，风能欠缺区由于平均风速很低，没有开发价值。另外，因功率不同的风力发电机对风速的要求是不同的，因此判断某一地区的风能资源是否值得开发，还要考虑采用的风力发电机的功率大小和机型。

（1）大型风力发电机（100kW以上）可能发展的地区，其年平均风速大约为6m/s以上，在全国范围内，仅局限于几个地带，就陆地而言，大约占全国总面积的1/100。

（2）中型风力发电机（10kW级及以上）可能发展的地区，其年平均风速大约为4.5m/s以上。在全国范围内，可以发展中型风力发电机的地区，大约占全国陆地总面积的1/10。

（3）小型风力发电机（10kW级及以下）可能发展的地区，其年平均风速大约为3m/s以上。在全国范围内，可以发展小型风力发电机的地区范围较大，大约占全国陆地总面积的40%以上。

3.我国风力资源区划

我国地域辽阔、海岸线长，风能资源比较丰富。据国家气象局估算，除少数省份年平均风速比较小以外，大部分省、市、自治区，尤其是西南边疆、沿海和三北（东北、西北、华北）地区，都有着极有利用价值的风能资源。风能分布具有明显的地域性规律，这种规律反映了大型天气系统的活动和地形作用的综合影响。根据全国有效风能密度、有效风力出现时间百分率及大于等于3m/s和6m/s风速的全年累积小时数，将全国风能资源划分为4个大区（30个小区），如表1-3所示。

4.我国风能资源的特点

我国风能资源分布有以下特点。

1）季节性的变化

我国位于亚洲大陆东部，濒临太平洋，季风强盛，内陆还有许多山系，地形复杂，加之青藏高原耸立在我国西部，改变了海陆影响所引起的气压分布和大气环流，增加了我国季风的复杂性。冬季风来自西伯利亚和蒙古等中高纬度的内陆，那里空气十分严寒干燥，冷空气积累到一定程度，在有利高空环流引导下，就会爆发南下，俗称寒潮，在此南下的强冷空气的影响下，形成寒冷干燥的西北风侵袭我国北方各省（直辖市、自治区）。每年冬季总有多次大幅度降温的强冷空气南下，主要影响我国西北、东北和华北，直到次年春夏之交才会消失。

夏季风是来自太平洋的东南风、印度洋和南海的西南风，东南季风影响遍及我国东半部，西南季风则影响西南各省和南部沿海，但风速远不及东南季风大。热带风暴是太平洋西部和南海热带海洋上形成的空气涡旋，是破坏力极大的海洋风暴，每年夏秋两季频繁侵袭我国，登陆我国南海之滨和东南沿海，热带风暴也能在上海以北登陆，但次数很少。

2）地域性的变化

我国地域辽阔，风能资源比较丰富。特别是东南沿海及其附近岛屿，不仅风能密度大，年平均风速也高，发展风能利用的潜力很大。在内陆地区，从东北、内蒙古，到甘肃走廊及新疆一带的广阔地区，风能资源也很好。华北和青藏高原有些地方也有能利用的风能。

东南沿海的风能密度一般在200W/m2，有些岛屿达300W/m2以上，年平均风速7m/s左右，全年有效风时6000多小时。内蒙古和西北地区的风能密度也在150～200W/m2，年平均风速6m/s左右，全年有效风时5000～6000h。青藏高原的北部和中部，风能密度也有150W/m2，全年3m/s以上风速出现时间5000h以上，有的可达6500h。

青藏高原地势高亢开阔，冬季东南部盛行偏南风，东北部多为东北风，其他地区一般为偏西风，冬季大约以唐古拉山为界，以南盛行东南风，以北为东至东南风。

我国幅员辽阔，陆疆总长达2万多千米，还有18000多千米的海岸线，边缘海中有岛屿5000多个，风能资源丰富。我国现有风电场场址的年平均风速均达到6m/s以上。一般认为，可将风电场分为三类：年平均风速6m/s以上时为较好；7m/s以上为好；8m/s以上为很好。可按风速频率曲线和机组功率曲线，估算标准大气状态下该机组的年发电量。我国年平均风速6m/s以上的地区，在全国范围内仅限于较少数几个地带。就内陆而言，大约仅占全国总面积的1/100，主要分布在长江到南澳岛之间的东南沿海及其岛屿，这些地区是我国最大的风能资源区及风能资源丰富区，包括山东、辽东半岛、黄海之滨，南澳岛以西的南海沿海、海南岛和南海诸岛，内蒙古从阴山山脉以北到大兴安岭以北，新疆达坂城，阿拉山口，河西走廊，松花江下游，张家口北部等地区及分布各地的高山山口和山顶。中国沿海水深在2～10m的海域面积很大，而且风能资源好，靠近我国东部主要用电负荷区域，适宜建设海上风电场。

我国风能丰富的地区主要分布在西北、华北和东北的草原或戈壁，以及东部和东南沿海及岛屿，这些地区一般都缺少煤炭等常规能源。在时间上，冬春季风大、降雨量少，夏季风小、降雨量大，与水电的枯水期和丰水期有较好的互补性。

5.影响中国风能资源的因素

1）大气环流对中国风能分布的影响

东南沿海及东海、南海诸岛，因受台风的影响，最大年平均风速在5m/s以上。东南沿海有效风能密度大于等于200W/m2，有效风能出现时间百分率可达80%～90%。风速v≥3m/s的风全年出现累积小时数为7000～8000h；风速v≥6m/s的风有4000h。岛屿上的有效风能密度为200～500W/m2，风能可以集中利用。福建的台山、东山及台湾的澎湖湾等，有效风能密度都在500W/m2左右，风速v≥3m/s的风累积为8000h，换言之，平均每天有21h以上时间的风速v≥3m/s。但在一些大岛，如台湾和海南，又具有独特的风能分布特点。台湾风能南北两端大，中间小；海南西部大于东部。

内蒙古和甘肃北部地区，高空终年在西风带的控制下。冬半年地面在蒙古高原东南缘，冷空气南下，因此，总有5～6级以上的风速出现在春夏和夏秋之交。其气旋活动频繁，当每一气旋过境时，风速也较大。它的年平均风速在4m/s以上，有效风能密度为200～300W/m2，风速v≥3m/s的风全年累积小时数在5000h以上，是中国风能连成一片的最大地区。

云南、贵州、四川、甘南、陕南、豫西、鄂西和湘西风能较小，这一地区因受西藏高原的影响，冬半年高空在西风带的死水区，冷空气沿东亚南下很少影响这里。夏半年海上来的天气系统也很难影响到这里，所以风速较弱，年平均风速约在2.0m/s以下，有效风能密度在50W/m2以下，有效风力出现时间仅为20%左右。风速v≥3m/s的风全年出现累积小时数在2000h以下，风速v≥6m/s的风在150h以下。四川盆地和西双版纳风速最小，年平均风速v＜1m/s。这里全年静风频率在60%以上，有效风能密度仅30W/m2左右。风速v≥3m/s的风全年出现累积小时数仅3000h以上，风速v≥6m/s的风仅20多小时。换句话说，这里平均每18天以上才有一次10min的风速v≥6m/s的风，是没有利用价值的区域。

2）海陆和水体对风能分布的影响

中国沿海风能都比内陆大，湖泊都比周围湖滨大。这是由于气流流经海面或湖面摩擦力较小，风速较大。由沿海向内陆或由湖面向湖滨，动能很快消耗，风速急剧减小。故有效风能密度，即风速v≥3m/s和风速v≥6m/s的风全年累积小时数的等值线不但平行于海岸线和湖岸线，而且数值相差很大。若台风登陆时在海岸上的风速为100%，而在离海岸50km处，台风风速为海岸风速的68%左右。

3）地形对风能分布的影响

地形影响风速，可分山脉、海拔高度和中小地形等几个方面。

（1）山脉对风能的影响。气流在运行中遇到地形阻碍的影响，不但会改变风速，还会改变方向。其变化的特点与地形形状有密切关系。一般范围较大的地形，对气流有屏障作用，使气流出现爬绕运动。所以在天山、祁连山、秦岭、大小兴安岭、太行山和武夷山等地的风能密度线和可利用小时数曲线大都平行于这些山脉。特别明显的是东南沿海的几条东北—西南走向的山脉，如武夷山等地。所谓华夏式山脉，山的迎风面风能是丰富的，风能密度为200W/m2，风速v≥3m/s的风出现的小时数约为7000～8000h；而在山区及其背风面风能密度在50W/m2以下，风速v≥3m/s的风出现的小时数约为1000～2000h，风能是不能利用的。四川盆地和塔里木盆地由于天山和秦岭山脉的阻挡为风能不能利用区。雅鲁藏布江河谷，由于有喜马拉雅山脉和冈底斯山的屏障，风能很小，是没有利用价值的区域。

（2）海拔高度对风能的影响。由于地面摩擦消耗运动气流的能量，在山地风速是随着海拔高度的增加而增加的。事实上，在复杂山地，很难分清地形和海拔高度的影响，二者往往交织在一起，如北京和八达岭风力发电试验站同时观测的平均风速分别为2.8m/s和5.8m/s，相差3.0m/s。后者风大，一是由于它位于燕山山脉的一个南北向的低地，二是由于它的海拔比北京高500多米，风速改变是二者共同作用的结果。

青藏高原海拔在4000m以上，所以这里的风速比周围大，但其有效风能密度却较小，在150W/m2左右。这是由于青藏高原海拔高，空气密度较小，因此风能也小，如在4000m的高空空气密度大致为地面的67%。也就是说，同样是8m/s的风速，在平地海拔500m以下为313.6W/m2，而在4000m只有209.9W/m2。

（3）中小地形对风能的影响。蔽风地形风速减小，狭管地形风速增大。即使在平原上的河谷，风能也较周围地区大。海峡也是一种狭管地形，与盛行风方向一致时，风速较大，如台湾海峡中的澎湖列岛，年平均风速为6.5m/s。

局部地形对风能的影响是不可低估的。在一个小山丘前，气流受阻，强迫抬升，所以在山顶流线密集，风速加强。山的背风面，由于流线辐散，风速减小。有时气流流过一个障碍，如小山包等，其产生的影响在下方5～10km的范围。有些地层风是由于地面粗糙度的变化形成的。

1.1.3 风力发电技术

风力发电技术是一项高新技术，它涉及气象学、空气动力学、结构力学、计算机技术、电子控制技术、材料学、化学、机电工程、电气工程、环境科学等十几个学科和专业，因此是一项系统技术。

1.风力发电技术的划分

利用风力发电的尝试，早在20世纪初就已经开始了。20世纪30代，丹麦、瑞典、前苏联和美国应用航空工业的旋翼技术，成功地研制了一些小型风力发电装置。这种小型风力发电机，广泛地在多风的海岛和偏僻的乡村使用，它所获得的电力成本比小型内燃机的发电成本低得多。不过，发电机的功率较低，大都在5kW以下。

一般来说，3级风就有利用的价值。但从经济合理的角度出发，风速大于4m/s才适宜于发电。据测定，一台55kW的风力发电机组，当风速为9.5m/s时，机组的输出功率为55kW；当风速为8m/s时，功率为38kW；当风速为6m/s时，功率只有16kW；而风速为5m/s时，功率仅为9.5kW。可见风力越大，经济效益也越大。

风能技术分为大型风电技术和中小型风电技术，虽然都属于风能技术，工作原理也相同，但是却属于完全不同的两个行业。具体表现在政策导向不同、市场不同、应用领域不同、应用技术更是不同，完全属于同种产业中的两个行业。因此，在我国风力机械行业会议上把大型风电和中小型风电区分出来分别对待。此外，为满足市场不同需求，延伸出来的风光互补技术不仅推动了中小型风电技术的发展，还为中小型风电开辟了新的市场。

1）大型风电技术

大型风电技术起源于丹麦、荷兰等一些欧洲国家，由于当地风能资源丰富，风电产业受到政府的助推，大型风电技术和设备的发展在国际上遥遥领先。目前，我国政府也开始助推大型风电技术的发展，并出台一系列政策引导产业发展。大型风电技术都是为大型风力发电机组研发的，而大型风力发电机组的应用区域对环境的要求十分严格，都是应用在风能资源丰富的资源有限的风场上，常年接受各种各样恶劣的环境考验。环境的复杂多变性，使其对技术的高度要求直线上升。目前国内大型风电技术普遍还不成熟，大型风电的核心技术仍然依靠国外，此外，大型风电技术中发电并网的技术还在完善，一系列的问题还在制约大型风电技术的发展。

2）中小型风电技术

在20世纪70年代，中小型风电技术在我国风况资源较好的内蒙古、新疆一带就已经得到了发展。最初中小型风电技术被广泛应用在送电到乡的项目中为一家一户的农牧民家用供电，随着技术更新的不断完善与发展，不仅能单独应用还能与光电互补被广泛应用于分布式独立供电。这些年来，随着我国中小型风电设备出口的稳步提升，在国际上，我国的中小型风电技术和风光互补技术已跃居国际领先地位。

中小型风电技术的成熟受自然资源限制相对较小，作为分布式独立发电效果显著，不仅可以并网，而且还能结合光电形成更稳定可靠的风光互补发电系统，况且技术完全自主国产化，无论是技术还是价格在国际上都十分具有竞争优势。

目前，国内中小型风电技术中的低风速启动、低风速发电、变桨距、多重保护等一系列技术得到国际市场的瞩目和国际客户的一致认可，已处于国际领先地位。况且中小型风电技术最终是为满足分布式独立供电的终端市场，而非如大型风电技术是满足发电并网的国内垄断性市场，技术的更新速度必须适应广阔而快速发展的市场需求。

2.风力发电的优势

风能是没有公害的能源之一，而且它取之不尽，用之不竭。对于缺水、缺燃料和交通不便的沿海岛屿、草原牧区、山区和高原地带，可因地制宜地利用风力发电。风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。每装一台单机容量为1MW的风能发电机，每年可以减排2000t二氧化碳（相当于种植1平方英里的树木）、10t二氧化硫、6t二氧化氮。风能产生1MW· h的电量可以减少0.8～0.9t的温室气体，相当于煤或矿物燃料一年产生的气体量。而且风机不会危害鸟类和其他野生动物。在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下，风能作为一种高效清洁的新能源有着巨大的发展潜力。

风力发电，是面向未来最清洁能源之一。兆瓦级全功率风力发电变流器，是为风力发电机与电网之间建立的桥梁和纽带，它是一种将多变的风力电能变换成稳定的电能馈入电网的装置。随着大型风力发电机技术的成熟和产品商品化的进程，风力发电成本在逐年降低。风力发电不消耗资源、不污染环境，具有广阔的发展前景，建设周期一般很短，一台风机的运输安装时间不超过3个月，万千瓦级风电场建设期不到一年，而且安装一台可投产一台；装机规模灵活，可根据资金多少来确定，为筹集资金带来便利；运行简单，可完全做到无人值守；实际占地少，机组与监控、变电等建筑仅占风电场约1%的土地，其余场地仍可供农、牧、渔使用；对土地要求低，在山丘、海边、河堤、荒漠等地形条件下均可建设，在发电方式上还有多样化的特点，既可联网运行，也可和柴油发电机等集成互补系统或独立运行，这对于解决边远无电地区的用电问题提供了现实可能性。

由于风电市场的扩大、风电机组产量和单机容量的增加及技术上的进步，使风电机组每千瓦的生产成本在过去近20年中稳定下降。以美国为例，风力发电的成本降低了80%。20世纪80年代安装第一批风力发电机时，每发1kW·h电的成本为30美分，而现在只需4美分。另外，由于风电机组设计和工艺的改进（如叶片翼型改进等），性能和可靠性提高，加上塔架高度增加及风场选址评估方法的改进等，使风电机组的发电能力有相当大的增长，每平方米叶轮扫过面积的年发电量从20世纪80年代初期的400～500kW·h，提高到目前的1000kW·h以上。一台标准的600kW风力发电机，当各种条件都是最佳状态时，每年可发电约2000万kW·h，即每平方米叶轮扫过面积的年发电量可达1400～1500kW·h。目前风电场的容量系数（即一年的实际发电量除以装机额定功率与一年8760小时的乘积）一般为0.25～0.35。

从风电场的造价方面来看，中国风电场的造价比欧洲高，基本上是欧洲5年前的水平，平均造价为8500元/千瓦左右，建设一座装机10万千瓦的风电场，成本大约在8～10亿元，而同样规模的火电厂成本约为5亿元，水电站为7亿元。当然，独立运行的非并网风电系统，由于需要蓄电池和逆变器等，同时容量系数较小，所以发电成本比并网型机组要高。

从技术层面上来看，风电发展也经历了波折的历程。1887年，美国人CharlesF.Brush建造了第一台风力发电机组，叶片多达144个。此后，人们又经过一百多年艰辛的探索，多种技术经革新和市场应用的考验，才统一成今天的上风向、水平轴、三叶片、管式塔风力机。

同时，每个时期的风电技术都有自身的历史局限性。例如，早在1941年，美国的Smith-Putnam风力机就装备了液压变桨距系统，但受制于当时的技术水平，装置庞大、笨重、复杂。定桨距的Gedser风力机采用失速控制，叶尖有气动刹车装置，成为风电技术史的一座里程碑。而到了今天，MW级大型风力机广泛采用大叶片，因所承受的气动推力大，对生产工艺要求很高，变桨距技术又成为技术主流。而相关领域技术上的突破，又会推动风电技术不断向前发展。如全功率逆变器曾因复杂、不可靠等因素让人望而却步，而大功率IGBT/IGCT的成熟和多电平技术的完善，使之在技术上完全成为可能。

风电技术日趋成熟，产品质量可靠，可用率已达95%以上，已是一种安全可靠的能源，风力发电的经济性日益提高，发电成本已接近煤电，低于油电与核电，若计及煤电的环境保护与交通运输的间接投资，则风电经济性将优于煤电。对沿海岛屿、交通不便的边远山区、地广人稀的草原牧场，以及远离电网和近期内电网还难以到达的农村、边疆来说，可作为解决生产和生活能源的一种有效途径。

3.风力发电机系统构成

把风的动能转变成机械能，再把机械能转化为电能，这就是风力发电。风力发电技术是一项多学科、可持续发展、绿色环保的综合技术。风力发电所需要的装置称为风力发电机组。风力发电机组主要由两大部分组成：风力机部分将风能转换为机械能；发电机部分将机械能转换为电能。根据风力发电机组这两大部分采用的不同结构类型及它们分别采用技术的不同特征和不同组合，风力发电机组可以有多种多样的分类。风力发电机组主要由风轮、传动与变速机构、发电机、塔架、迎风及限速机构组成。大型风力发电机组发出的电能直接并到电网，向电网馈电；小型风力发电机一般将风力发电机组发出的电能用储能设备储存起来（一般用蓄电池），需要时再提供给负载（可直流供电，也可用逆变器变换为交流供给用户）。

1）风轮

风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，它由两只（或更多只）螺旋桨形的叶轮组成。当风吹向桨叶时，桨叶上产生气动力驱动风轮转动。桨叶的材料要求强度高、质量小，目前多用玻璃钢或其他复合材料（如碳纤维）来制造。

风轮是集风装置，它的作用是把流动空气具有的动能转变为风轮旋转的机械能。一般风力发电机的风轮由2个或3个叶片构成。在风的吹动下，风轮转动起来，使空气动力能转变成了机械能（转速+扭矩）。风轮的轮毂固定在发电机轴上，风轮的转动驱动了发电机轴旋转，带动三相发电机发出三相交流电。

2）调向机构

调向机构是用来调整风力发电机的风轮叶片与空气流动方向相对位置的机构，其功能是使风力发电机的风轮随时都迎着风向，从而能最大限度地获取风能。因为当风轮叶片旋转平面与气流方向垂直时，也即是迎着风向时，风力发电机从流动的空气中获取的能量最大，因而风力发电机的输出功率最大，所以调向机构又称为迎风机构（国外通称偏航系统）。小型水平轴风力机常用的调向机构有尾舵和尾车，在风电场中并网运行的中大型风力机则采用伺服电动机构。

3）发电机

在风力发电机中，已采用的发电机有3种，即直流发电机、同步交流发电机和异步交流发电机。风力发电机的工作原理比较简单，风轮在风力的作用下旋转，它把风的动能转变为风轮轴的机械能。发电机在风轮轴的带动下旋转发电。容量在10kW以下的小型风力发电机组，采用永磁式或自励式交流发电机，经整流后向负载供电及向蓄电池充电；容量在l00kW以上的并网运行的风力发电机组，则采用同步发电机或异步发电机。

恒速同步发电机的优点是，通过励磁系统可控制发电机的电压和无功功率，发电机效率高。同步发电机机要通过同步设备的整步操作达到准同步并网（并网困难），由于风速变化大，以及同步发电机要求转速恒定，风力机必须装有良好的变桨距调节机构。

恒速异步发电机结构简单，坚固，造价低。异步发电机投入系统运行时，由于是靠转差率来调节负荷，因此对机组的调节精度要求不高，不需要同步设备的整步操作，只要转速接近同步速时就可并网，且并网后不会产生振荡和失步。缺点是并网时冲击电流幅值大，不能产生无功功率。

4）升速齿轮箱

由于风轮的转速比较低，而且风力的大小和方向经常变化着，这使转速不稳定；所以，在带动发电机之前，必须附加一个把转速提高到发电机额定转速的变速齿轮箱，再加一个调速机构使转速保持稳定，然后再连接到发电机上。升速齿轮箱的作用是将风力机轴上的低速旋转输入转变为高速旋转输出，以便与发电机运转所需要的转速相匹配。

5）塔架

塔架是支承风轮、尾舵和发电机的构架。它一般比较高，以捕捉更多的风能，为的是获得较大的和较均匀的风力，又要有足够的强度。铁塔高度视地面障碍物对风速影响的情况，以及风轮的直径大小而定，一般在6～20m范围内。塔架是风力发电机的支撑机构，稍大的风力发电机塔架一般采用由角钢或圆钢组成的桁架结构。

6）控制系统

100kW以上的中型风力发电机组及1MW以上的大型风力发电机组皆配有由计算机或可编程控制器（PLC）组成的控制系统来实现控制、自检和显示功能。控制系统主要功能如下：

（1）按预先设定的风速值（一般为3～4m/s）自动启动风力发电机组，并通过软启动装置将异步发电机并入电网。

（2）借助各种传感器自动检测风力发电机组的运行参数及状态，包括风速、风向、风力机风轮转速、发电机转速、发电机温升、发电机输出功率、功率因数、电压、电流及齿轮箱轴承的油温、液压系统的油压等。

（3）当风速大于最大运行速度（一般设定为25m/s）时实现自动停机。

（4）故障保护。

（5）通过调制解调器与上位机连接。

风力发电系统还设计有电磁制动、变桨距等多种转速控制技术及手动刹车系统，机械制动与电磁停车共同作用以保障系统安全运行。

小型风力发电机不采用大型机的方法自动并网，而且使用小型风力发电机多是偏远地区。由于风速的多变，使得风力发电机的电压及频率变化，不可能直接被负载利用，这就出现了储能环节，以便从储能设备中提取能源。一般小型风力发电机使用蓄电池储能，先用整流器将发电机的交流电变成直流电向蓄电池充电，然后用逆变器将蓄电池的直流电变换成交流电供给负载。整流器和逆变器可以做成两个装置，也可以合为一体。

多年的风力发电机运行表明，风力发电机的逆变器所要着重解决的是可靠性及寿命，而不是技术性能指标。风力发电机用的逆变器所面临的负载不像一般通信和计算机设备，它必须能保证常年不断地使用，又要承受风速、负载变化的冲击。目前小型风力发电机用逆变器虽已比较完善，但是在实际应用中仍然存在一些技术难题。

目前最好的小型风力发电机只保留了三个运动部件（运动部件越少越可靠已是大家的共识），一是风轮驱动发电机主轴旋转，二是尾翼驱动风机的机头偏航，三是为大风限速保护而设的运动部件。前两个运动部件是不可缺少的，这也是风力发电机的基础，实践中这两个运动部件故障率并不高，主要是限速保护机构损坏的情况多。要彻底解决小型风力发电机的可靠性问题必须在限速方式上有最好的解决方法。

4.几种典型的风力发电系统

1）恒速风力发电系统

恒速风力发电系统在恒定的风速下运行，这就意味着，无论风速有多大，风力发电机的风轮速度都是固定的，并由电网的频率决定。典型的恒速风力发电系统由鼠笼式异步电动机（SCIG）、软启动器和电容器组成，它们与电网直接相连，如图1-3所示。

异步发电机在运行时需要外电路来提供励磁电流，常用方法是并联电容器自激建压发电，该电容器的大小选择要适当。若电容器过大，则空载电压太高，在过电压的情况下，容易损坏发电机和用电设备；若电容器偏小，则空载电压偏低，不能适应供电要求。自励异步发电机在负载变化时，如果没有自动励磁调节装置，其端电压和频率的较大变化是很难避免的。投入负载时，要同时增加相应的辅助电容器；切除负载时，应同时切除相应的辅助电容器，以防运行中电压过高，损坏电容器和其他用电设备。如果负载为异步电动机，电动机负载的总容量不应超过发电机容量的25%。如果在运行中突然发生端电压消失，可以立即切断负载，端电压将重新建立起来，以后再逐渐增加负载。

使用电容并联对自励异步发电机进行励磁，往往只能稳定运行在一种状态，当输入转矩或连接负载发生变化时，异步发电机的输出电压无法保持稳定。对于固定容量的电容器，无法对负载的变化做出动态的响应，调节困难，其输出电压的稳定区间小，电压波动大，运行效率低。而且定子绕组与电容器组成了一个振荡回路，发电机的供电频率决定于该振荡回路的自激频率。当负载变化时，发电机的端电压和频率都会随之而改变。

只并接一组定值三相电容器的独立运行的异步风力发电机有着明显缺点，可以在发电机定子端并联接入三相电容器组，根据发电机负载及风速变化情况，改变接入电容器组值的大小，以便能够较好地稳定输出电压，改善发电机运行性能。电容器组的投入和切除装置仍不能做到无级调节，调节速度缓慢，控制不方便，需要加装电子控制器，并且电容器的投入和切除会引起电压瞬变和电流冲击，但是在实际应用中该办法仍然是一种稳定电压的有效方法。

SCIG之所以受到欢迎是因为它的机械结构简单、效率高、维修成本低，功能强大而且稳定。它的一个主要缺点是它的有功功率、无功功率、端电压和转子速度的关系单一。也就是说，发出的有功功率的增加是以无功消耗的增加为代价的，这就导致了一个相对较低的满负荷功率因数。为了减少从电网吸收无功功率，基于SCIG的风力发电系统配有电容器。基于SCIG的风力发电系统是为了在恒风速下获得最大的功率效率。为了提高功率效率，一些恒速风力发电系统配有两套装置，相应的有两个转速。一套装置运行在低风速下，另一套装置运行在中等风速或高风速下。

恒速风力发电系统的优点是结构简单，功能强大，稳定性高，电气结构简单，成本低，并且在实际中运行良好。另外，由于恒速运行，机械应力是非常重要的参数。所有的风速波动都会引起机械转矩的变化进而影响送入电网的功率波动。此外，恒速风力发电系统的可控性非常有限（体现在转速方面），其原因是转子速度受电网频率的影响基本上保持不变。

基于SCIG的恒速风力发电系统的一个改进模式是有限变速风力发电系统。它是由带有外部转子电阻的绕线式异步发电机构成的，如图1-4所示。这种风力发电系统的唯一特性是带有一个由功率元件控制的额外的转子电阻。因此，总转子电阻是可以调节的，进而能够控制发电机的转差率，并且影响机械特性的斜率。很明显，速度的变化范围是由外加电阻的大小来决定的。通常控制范围可以达到同步转速的10%以上。

2）变速风力发电系统

变速风力发电机是目前最常用的风力发电系统，电力电子转换装置接口可以实现变速运行，允许与电网完全（或部分）解耦。基于双馈感应发电机（DFIG）的风力发电系统也被称为改进型变速风力发电系统，如图1-5所示。

随着电力电子技术的发展，双馈型感应发电机在风能发电中的应用越来越广。这种技术不过分依赖蓄电池的容量，而是从励磁系统入手，对励磁电流加以适当的控制，从而达到输出一个恒频电能的目的。双馈感应发电机在结构上类似于异步发电机，但在励磁上双馈发电机采用交流励磁。因一个脉振磁势可以分解为两个方向相反的旋转磁势，而三相绕组的适当安排可以使其中一个磁势的效果消去，这样就得到一个在空间旋转的磁势，这就相当于同步发电机中带有直流励磁的转子。双馈发电机的优势就在于，交流励磁的频率是可调的，也就是说旋转励磁磁动势的频率可调。这样当原动机的转速不定时，适当调节励磁电流的频率，就可以满足输出恒频电能的目的。由于电力电子元器件的容量越来越大，所以双馈发电机组的励磁系统调节能力也越来越强，这使得双馈机的单机容量得以提高。虽然，部分理论还在完善当中，但是双馈感应发电机的广泛应用这一趋势将越来越明显。

双馈感应发电机（DFIG）是一个绕线式感应发电机（WRIG），它的定子绕组直接连接到三相恒频电网，转子绕组与背靠背（AC/AC）网侧变流器相连。因此，双馈这个术语来源于这样一个事实，即电网直接给定子供电，转子电压来源于功率变流器。此系统能够在一个很大但仍有限制的速度范围内变速运行，发电机特性由电力电子变流器和控制器控制。电力电子变流器由两个IGBT变流器组成，分别叫做转子侧变流器和网侧变流器，它们由直流母线直接相连。本装置的基本思想是转子侧变流器控制发电机的有功功率和无功功率，网侧变流器控制直流连接电压并确保在高功率因数时正常运行。

定子侧向电网输出功率，转子侧的功率转换则取决于运行状态，当转差率为负时向电网输送功率，而当转差率为正时从电网吸收功率。在两种状态下，转子中的传输功率近似与转差率成正比。变流器的容量大小与发电机总容量不直接相关，而与选定的速度变化范围相关。通常转速在同步转速的±40%内变化。

基于双馈感应发电机的风力发电系统是高可控的，它允许在一个很大的风速范围内得到最大功率。此外，有功功率和无功功率控制是不相关的，它们可以分别通过控制转子电流得到。最后，基于双馈感应发电机的风力发电系统既可以向电网输送功率，也可以从电网吸收功率，从而进行电压控制。

全变速风力发电系统可以灵活应用任何种类的发电机。如图1-6所示，它可以使用感应发电机（SCIG）也可以使用同步发电机。同步发电机可以为绕线式同步发电机（WRSG）也可以是永磁同步发电机（PMSG），后者是如今的发电机工业中使用比较多的类型。背靠背功率变流器与发电机功率相关，它的运行状态与在基于DFIG的风力发电系统中相似。背靠背功率变流器的转子侧保证了旋转速度在一个很大的范围内加以调整，网侧将有功功率送入电网并消除无功功率的消耗。消除无功功率消耗是非常重要的，特别是在鼠笼式异步电动机的风力发电系统中。

PMSG不需要外加电源来励磁，因为它可以通过永磁励磁。PMSG的定子是绕线型的，转子有一个永磁励磁系统。PMSG是凸极低速旋转，所以可以不采用齿轮箱结构，这是基于PMSG的风力发电系统的一个极大的优势，因为齿轮箱结构在风力发电系统中是一个非常脆弱的机构，用更大直径的直驱型多极永磁同步发电机也可以具有同样的优势。PMSG的同步特性可能在启动时、同步时和电压调节时产生一些问题。因为磁性材料对温度的敏感性，在温度过高时可能会失去磁性，所以需要一个冷却系统。

随着风能技术和电力电子技术的进步，叶片变桨距技术和风力发电机变速恒频技术在兆瓦级风力发电机组中得到广泛的应用，在全球新安装的风力发电机组中，有90%以上的风力发电机组已采用变桨变速恒频技术，其中主要是双馈变速恒频型风力发电机组。无齿轮箱的直驱型风力发电机组能有效地减少由于齿轮箱原因造成的机组故障，可有效提高系统的运行可靠性和寿命，大大减少维护成本，得到了市场的青睐。在德国新安装的风力发电机组中，直驱变速恒频型风力发电机组的占有率达到了40%以上。直驱式风力发电机组在其他国家也得到了广泛应用。