淺談我國風力發(fā)電現(xiàn)狀及其技術(shù)發(fā)展

淺談我國風力發(fā)電現(xiàn)狀及其技術(shù)發(fā)展

摘要：隨著國家新能源發(fā)展戰(zhàn)略的提出和實施，我國風電產(chǎn)業(yè)進入跨越式發(fā)展的階段。本文從分析我國風力發(fā)電的現(xiàn)狀出發(fā)，在總結(jié)分析風力發(fā)電技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，對我國風電發(fā)展過程中存在的主要問題進行了探討分析，提出了相關(guān)建議。關(guān)鍵詞：風力發(fā)電；現(xiàn)狀；技術(shù)發(fā)展

能源、環(huán)境是當今人類生存和發(fā)展所要解決的緊迫問題。常規(guī)能源以煤、石油、天然氣為主，它不僅資源有限，而且造成了嚴重的大氣污染。因此，對可再生能源的開發(fā)利用，特別是對風能的開發(fā)利用，已受到世界各國的高度重視。風電是可再生、無污染、能量大、前景廣的能源，大力發(fā)展風電這一清潔能源已成為世界各國的戰(zhàn)略選擇。我國風能儲量很大、分布面廣，開發(fā)利用潛力巨大。近年來我國風電產(chǎn)業(yè)及技術(shù)水平發(fā)展迅猛，但同時也暴露出一些問題�？偨Y(jié)我國風電現(xiàn)狀及其技術(shù)發(fā)展，對進一步推動風電產(chǎn)業(yè)及技術(shù)的健康可持續(xù)發(fā)展具有重要的參考價值。1我國風力發(fā)電的現(xiàn)狀

201*年2月，我國國家立法機關(guān)通過了《可再生能源法》，明確指出風能、太陽能、水能、生物質(zhì)能及海洋能等為可再生能源，確立了可再生能源開發(fā)利用在能源發(fā)展中的優(yōu)先地位。201*年12月，我國政府向世界承諾到2020年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比201*年下降40%~45%，把應(yīng)對氣和變化納入經(jīng)濟社會發(fā)展規(guī)劃，大力發(fā)展包括風電在內(nèi)的可再生能源與核能，爭取到2020年非化石能源占一次能源消費比重達到15%左右。隨著新能源產(chǎn)業(yè)成為國家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)規(guī)劃的出臺，風電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，有望成為我國國民經(jīng)濟增長的一個新亮點。

我國自上世紀80年代中期引進55kW容量等級的風電機投入商業(yè)化運行開始，經(jīng)過二十幾年的發(fā)展，我國的風電市場已經(jīng)獲得了長足的發(fā)展。到201*年底，我國風電總裝機容量達到2601萬kW，位居世界第二，201*年新增裝機容量1300萬kW，占世界新增裝機容量的36%，居世界首位[1,2]�？梢钥闯�，我國風電產(chǎn)業(yè)正步入一個跨越式發(fā)展的階段，預計201*年我國累計裝機容量有望突破4000萬kW。從技術(shù)發(fā)展上來說，我國風電企業(yè)經(jīng)過“引進技術(shù)消化吸收自主創(chuàng)新”的三步策略也日益發(fā)展壯大。隨著國內(nèi)5WM容量等級風電產(chǎn)品的相繼下線，以及國內(nèi)兆瓦級機組在風電市場的普及，標志我國已具備兆瓦級風機的自主研發(fā)能力。同時，我國風電裝備制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)集中度進一步提高，國產(chǎn)機組的國內(nèi)市場份額逐年提高。目前我國風電機組整機制造業(yè)和關(guān)鍵零部件配套企業(yè)已能已能基本滿足國內(nèi)風電發(fā)展需求，但是像變流器、主軸軸承等一些技術(shù)要求較高的部件仍需大量進口。因此，我國風電裝備制造業(yè)必須增強技術(shù)上的自主創(chuàng)新，加強風電核心技術(shù)攻關(guān)，尤其是加強風電關(guān)鍵設(shè)備和技術(shù)的攻關(guān)。2風力發(fā)電的技術(shù)發(fā)展

風力發(fā)電技術(shù)是涉及空氣動力學、自動控制、機械傳動、電機學、力學、材料學等多學科的綜合性高技術(shù)系統(tǒng)工程。目前在風能發(fā)電領(lǐng)域，研究難點和熱點主要集中在風電機組大型化、風力發(fā)電機組的先進控制策略和優(yōu)化技術(shù)等方面。2.1風力發(fā)電機組機型及容量的發(fā)展

現(xiàn)代風力發(fā)電技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢主要在于如何進一步提高效率、提高可靠性和降低成本。作為提高風能利用率和發(fā)電效率的有效途徑，風力發(fā)電機單機容量不斷向大型化發(fā)展。從20世紀80年代中期的55kW容量等級的風電機組投入商業(yè)化運行開始，至1990年達到250kW，1997年突破1MW，1999年即達到2MW。進入21世紀，兆瓦級風力機逐漸成為國際風電市場上的主流產(chǎn)品。201*年德國Repower即研制出第一臺5MW風電機，Enercon開發(fā)出第二代直驅(qū)式6WM風電機，預計201*年單機容量將突破15MW[1,3]。從世界范圍來看，1.5MW-2MW的機型占世界機組容量的比例，已從201*年的63.7%飛速上升到80.4%；而在我國，201*年風電場新安裝的兆瓦級風電機組占當年新裝機容量的21.5%，而201*年比例已經(jīng)上升到86.86%。這表明容量風電機組已經(jīng)成為我國風電市場上的主流產(chǎn)品

2.2風力發(fā)電機組控制技術(shù)的發(fā)展

控制技術(shù)是風力發(fā)電機組安全高效運行的關(guān)鍵技術(shù)[5,6]，這是因為：

1）自然風速的大小和方向隨著大氣的氣壓、氣溫和濕度等的活動和風電場地形地貌等因素的隨機性和不可控性，這樣風力機所獲得的風能也是隨機和不可控的。

2）為使風能利用率更高，大型風力發(fā)電機組的葉片直徑大約在60m~100m之間，因此風輪具有較大的轉(zhuǎn)動慣量。

3）自動控制在風力發(fā)電機組的并網(wǎng)和脫網(wǎng)、輸入功率的優(yōu)化和限制、風輪的主動對風以及運行過程中故障的檢測和保護中都應(yīng)得到很好的利用。

4）風力資源豐富的地區(qū)通常環(huán)境較為惡劣，在海島和邊遠的地區(qū)甚至海上，人們希望分散不均的風力發(fā)電機組能夠無人值班運行和遠程監(jiān)控。這就對風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)可靠性提出了很高的要求。

因此，眾多學者都致力于深入研究風力發(fā)電的控制技術(shù)和控制系統(tǒng)，這些研究工作對于風力發(fā)電機組優(yōu)化運行有極其重要的意義。計算機技術(shù)與先進的控制技術(shù)應(yīng)用到風電領(lǐng)域，并網(wǎng)運行的風力發(fā)電控制技術(shù)得到了較快發(fā)展，控制方式從基本單一的定槳距失速控制向變槳距和變速恒頻控制方向發(fā)展，甚至向智能型控制發(fā)展。

定槳距型風力機指槳葉與輪轂的連接是固定的，即槳距角固定不變，當風速變化時，槳葉的迎風角度固定不變。失速型是當風速高于額定風速，利用槳葉翼型本身所具有的失速特性，即氣流的攻角增大到失速條件，使槳葉的表面產(chǎn)生渦流，將發(fā)電機的功率輸出限制在一定范圍內(nèi)。失速調(diào)節(jié)型的優(yōu)點是簡單可靠，當風速變化引起輸出功率變化時，只通過槳葉的被動失速調(diào)節(jié)而控制系統(tǒng)不做任何控制，使控制系統(tǒng)大為簡化。其缺點是葉片重量大，槳葉、輪轂、塔架等部件受力較大，機組的整體效率較低，也使得這些關(guān)鍵部件更容易疲勞磨損。

變速恒頻風力發(fā)電機組是近年來發(fā)展起來的一種新型風力發(fā)電系統(tǒng)，其轉(zhuǎn)速不受發(fā)電機輸出功率的限制，而其輸出電壓的頻率、幅值和相位也不受轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的影響。與恒速風電機組相比，它的優(yōu)越性在于：低風速時能夠跟蹤風速變化，在運行中保持最佳葉尖速比以獲得最大風能；高風速時利用風輪轉(zhuǎn)速的變化調(diào)節(jié)風力機槳距角，在保證風電機組安全穩(wěn)定運行的同時，使輸出功率更加平穩(wěn)。變速恒頻風力發(fā)電機組通過勵磁控制和變槳距調(diào)節(jié)來實現(xiàn)最佳運行狀態(tài)。變槳距是根據(jù)風速和發(fā)電機轉(zhuǎn)速來調(diào)整葉片槳距角，從而控制發(fā)電機輸出功率，由傳動齒輪箱、伺服電機和驅(qū)動控制單元組成。隨著風電控制技術(shù)的發(fā)展，當輸出功率小于額定功率狀態(tài)時，變槳距風力發(fā)電機組采用OptitiP技術(shù)，即根據(jù)風速的大小，調(diào)整發(fā)電機轉(zhuǎn)差率，使其盡量運行在最佳葉尖速比，以得到理想的輸出功率。變槳距風力發(fā)電機組的優(yōu)點是：輸出功率平穩(wěn)，在額定點具有較高的風能利用系數(shù)，具有更好的起動性能與制動性能，能夠確保高風速段的額定功率。2.3風力發(fā)電機組控制策略的發(fā)展

風能是一種能量密度低、穩(wěn)定性較差的能源，由于風速、風向的隨機性變化，導致風力機葉片攻角不斷變化，使葉尖速比偏離最佳值，風力機的空氣動力效率及輸入到傳動鏈的功率發(fā)生變化，影響了風電系統(tǒng)的發(fā)電效率并引起轉(zhuǎn)矩傳動鏈的振蕩，會對電能質(zhì)量及接入的電網(wǎng)產(chǎn)生影響，對于小電網(wǎng)甚至會影響其穩(wěn)定性。風力發(fā)電機組通常采用柔性部件，這有助于減小內(nèi)部的機械應(yīng)力，但同時也會使風電系統(tǒng)的動態(tài)特性復雜化，且轉(zhuǎn)矩傳動模塊會有很大振蕩。目前，對風力發(fā)電機的控制策略研究根據(jù)控制器類型可分為兩大類：基于數(shù)學模型的傳統(tǒng)控制方法和現(xiàn)代控制方法。傳統(tǒng)控制采用線性控制方法，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩或槳葉節(jié)距角，使葉尖速比保持最優(yōu)值，從而實現(xiàn)風能的最大捕獲。對于快速變化的風速，其調(diào)節(jié)相對滯后。同時基于某工作點的線性化模型的方法，對于工作范圍較寬、隨機擾動大、不確定因素多、非線性嚴重的風電系統(tǒng)并不適用。

現(xiàn)代控制方法主要包括變結(jié)構(gòu)控制、魯棒控制、自適應(yīng)控制、智能控制等[7,8]。變結(jié)構(gòu)控制因具有快速響應(yīng)、對系統(tǒng)參數(shù)變化不敏感、設(shè)計簡單和易于實現(xiàn)等優(yōu)點而在風電系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。魯棒控制具有處理多變量問題的能力，對于具有建模誤差、參數(shù)不準確和干擾位置系統(tǒng)的控制問題，在強穩(wěn)定性的魯棒控制中可得到直接解決。模糊控制是一種典型的智能控制方法，其最大的特點是將專家的知識和經(jīng)驗表示為語言規(guī)則用于控制，不依賴于被控制對象的精確的數(shù)學模型，能夠克服非線性因素的影響，對被調(diào)節(jié)對象有較強的魯棒性。由于風力發(fā)電機的精確數(shù)學模型難以建立，模糊控制非常適合于風力發(fā)電機組的控制，越來越受到風電研究人員的重視。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是以工程技術(shù)手段來模擬人腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與特征的系統(tǒng)。利用神經(jīng)元可以構(gòu)成各種不同的拓撲結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它是生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一種模擬和近似。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學習特性，可用于風力機的低風速的節(jié)距控制。3存在的問題及展望

盡管近年來我國風電產(chǎn)業(yè)得到了迅猛的發(fā)展，但同時也暴露出眾多的問題。首先，我國尚未完全掌握風電機組的核心設(shè)計及制造技術(shù)。在設(shè)計技術(shù)方面，我國不僅每年需支付大量的專利、生產(chǎn)許可及技術(shù)咨詢費用，在一些具有自主研發(fā)能力的風電企業(yè)中，其設(shè)計所需的應(yīng)用軟件、數(shù)據(jù)庫和源代碼都需要從國外購買。在風機制造方面，風機控制系統(tǒng)、逆變系統(tǒng)需要大量進口，同時，一些核心零部件如軸承、葉片和齒輪箱等與國外同類產(chǎn)品相比其質(zhì)量、壽命及可靠性尚有很大差距。其次，我國風電發(fā)展規(guī)劃與電網(wǎng)規(guī)劃不相協(xié)調(diào)，上網(wǎng)容量遠小于裝機容量。風電發(fā)展側(cè)重于資源規(guī)劃，風電場的建設(shè)往往沒有考慮當?shù)仉娋W(wǎng)的消納能力，從而造成裝機容量大，并網(wǎng)發(fā)電少的現(xiàn)狀。201*年新增裝機容量中1/3未能上網(wǎng)，送電難已經(jīng)成為制約風電發(fā)展的瓶頸。最后，我國風電的技術(shù)標準和規(guī)范不健全，包括風機制造、檢測、調(diào)試、關(guān)鍵零部件生產(chǎn)及電場入網(wǎng)等相關(guān)標準亟需建立和完善。因此，展望我國未來的風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展，必須加強自主創(chuàng)新掌握核心技術(shù)；必須加大電網(wǎng)建設(shè)力度，合理規(guī)范風電開發(fā)；必須加大政策扶持力度，建立健全完善統(tǒng)一的風電標準規(guī)范體系。參考文獻：

[1]陳永祥,方征.中國風電發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢及建議[J].科技綜述，201*(4)：14-19.張明鋒,鄧凱,陳波等.中國風電產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].機電工程，201*，1（27）：1-3.黨福玲，朝克，賈永.我國風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀淺析[J].經(jīng)濟論壇，201*(12)：58-60.韓永奇，韓晨曦.中國風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與前景[J].新材料產(chǎn)業(yè)，201*(12)：8-10.王超，張懷宇，王辛慧等.風力發(fā)電技術(shù)及其發(fā)展方向[J].電站系統(tǒng)工程，201*，22(2)：11-13.

許洪華,郭金東.世界風電技術(shù)發(fā)展趨勢和我國未來風電發(fā)展探討[J].電力設(shè)備，201*，6(10)：106-108.

張新房,徐大平,柳亦兵等.風力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展及相關(guān)控制問題綜述[J].華北電力技術(shù)，201*(5):42-45.馬昕霞,宋明中,馬強等.風力發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)的研究.上海電力學院學報[J].201*(3):205-209.

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3存在的問題及展望

盡管近年來我國風電產(chǎn)業(yè)得到了迅猛的發(fā)展，但同時也暴露出眾多的問題。首先，我國尚未完全掌握風電機組的核心設(shè)計及制造技術(shù)。在設(shè)計技術(shù)方面，我國不僅每年需支付大量的專利、生產(chǎn)許可及技術(shù)咨詢費用，在一些具有自主研發(fā)能力的風電企業(yè)中，其設(shè)計所需的應(yīng)用軟件、數(shù)據(jù)庫和源代碼都需要從國外購買。在風機制造方面，風機控制系統(tǒng)、逆變系統(tǒng)需要大量進口，同時，一些核心零部件如軸承、葉片和齒輪箱等與國外同類產(chǎn)品相比其質(zhì)量、壽命及可靠性尚有很大差距。其次，我國風電發(fā)展規(guī)劃與電網(wǎng)規(guī)劃不相協(xié)調(diào)，上網(wǎng)容量遠小于裝機容量。風電發(fā)展側(cè)重于資源規(guī)劃，風電場的建設(shè)往往沒有考慮當?shù)仉娋W(wǎng)的消納能力，從而造成裝機容量大，并網(wǎng)發(fā)電少的現(xiàn)狀。201*年新增裝機容量中1/3未能上網(wǎng)，送電難已經(jīng)成為制約風電發(fā)展的瓶頸。最后，我國風電的技術(shù)標準和規(guī)范不健全，包括風機制造、檢測、調(diào)試、關(guān)鍵零部件生產(chǎn)及電場入網(wǎng)等相關(guān)標準亟需建立和完善。因此，展望我國未來的風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展，必須加強自主創(chuàng)新掌握核心技術(shù)；必須加大電網(wǎng)建設(shè)力度，合理規(guī)范風電開發(fā)；必須加大政策扶持力度，建立健全完善統(tǒng)一的風電標準規(guī)范體系。

參考文獻：

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