淺談我國(guó)風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀及其技術(shù)發(fā)展

淺談我國(guó)風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀及其技術(shù)發(fā)展

摘要：隨著國(guó)家新能源發(fā)展戰(zhàn)略的提出和實(shí)施，我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)進(jìn)入跨越式發(fā)展的階段。本文從分析我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀出發(fā)，在總結(jié)分析風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，對(duì)我國(guó)風(fēng)電發(fā)展過(guò)程中存在的主要問(wèn)題進(jìn)行了探討分析，提出了相關(guān)建議。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；現(xiàn)狀；技術(shù)發(fā)展

能源、環(huán)境是當(dāng)今人類生存和發(fā)展所要解決的緊迫問(wèn)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(yán)重的大氣污染。因此，對(duì)可再生能源的開發(fā)利用，特別是對(duì)風(fēng)能的開發(fā)利用，已受到世界各國(guó)的高度重視。風(fēng)電是可再生、無(wú)污染、能量大、前景廣的能源，大力發(fā)展風(fēng)電這一清潔能源已成為世界各國(guó)的戰(zhàn)略選擇。我國(guó)風(fēng)能儲(chǔ)量很大、分布面廣，開發(fā)利用潛力巨大。近年來(lái)我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)及技術(shù)水平發(fā)展迅猛，但同時(shí)也暴露出一些問(wèn)題�？偨Y(jié)我國(guó)風(fēng)電現(xiàn)狀及其技術(shù)發(fā)展，對(duì)進(jìn)一步推動(dòng)風(fēng)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(jià)值。1我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀

201*年2月，我國(guó)國(guó)家立法機(jī)關(guān)通過(guò)了《可再生能源法》，明確指出風(fēng)能、太陽(yáng)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(guó)政府向世界承諾到2020年單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比201*年下降40%~45%，把應(yīng)對(duì)氣和變化納入經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)劃，大力發(fā)展包括風(fēng)電在內(nèi)的可再生能源與核能，爭(zhēng)取到2020年非化石能源占一次能源消費(fèi)比重達(dá)到15%左右。隨著新能源產(chǎn)業(yè)成為國(guó)家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)規(guī)劃的出臺(tái)，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，有望成為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的一個(gè)新亮點(diǎn)。

我國(guó)自上世紀(jì)80年代中期引進(jìn)55kW容量等級(jí)的風(fēng)電機(jī)投入商業(yè)化運(yùn)行開始，經(jīng)過(guò)二十幾年的發(fā)展，我國(guó)的風(fēng)電市場(chǎng)已經(jīng)獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展。到201*年底，我國(guó)風(fēng)電總裝機(jī)容量達(dá)到2601萬(wàn)kW，位居世界第二，201*年新增裝機(jī)容量1300萬(wàn)kW，占世界新增裝機(jī)容量的36%，居世界首位[1,2]�？梢钥闯�，我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)正步入一個(gè)跨越式發(fā)展的階段，預(yù)計(jì)201*年我國(guó)累計(jì)裝機(jī)容量有望突破4000萬(wàn)kW。從技術(shù)發(fā)展上來(lái)說(shuō)，我國(guó)風(fēng)電企業(yè)經(jīng)過(guò)“引進(jìn)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(guó)內(nèi)5WM容量等級(jí)風(fēng)電產(chǎn)品的相繼下線，以及國(guó)內(nèi)兆瓦級(jí)機(jī)組在風(fēng)電市場(chǎng)的普及，標(biāo)志我國(guó)已具備兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)的自主研發(fā)能力。同時(shí)，我國(guó)風(fēng)電裝備制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)集中度進(jìn)一步提高，國(guó)產(chǎn)機(jī)組的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額逐年提高。目前我國(guó)風(fēng)電機(jī)組整機(jī)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(guó)內(nèi)風(fēng)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(jìn)口。因此，我國(guó)風(fēng)電裝備制造業(yè)必須增強(qiáng)技術(shù)上的自主創(chuàng)新，加強(qiáng)風(fēng)電核心技術(shù)攻關(guān)，尤其是加強(qiáng)風(fēng)電關(guān)鍵設(shè)備和技術(shù)的攻關(guān)。2風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)發(fā)展

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是涉及空氣動(dòng)力學(xué)、自動(dòng)控制、機(jī)械傳動(dòng)、電機(jī)學(xué)、力學(xué)、材料學(xué)等多學(xué)科的綜合性高技術(shù)系統(tǒng)工程。目前在風(fēng)能發(fā)電領(lǐng)域，研究難點(diǎn)和熱點(diǎn)主要集中在風(fēng)電機(jī)組大型化、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的先進(jìn)控制策略和優(yōu)化技術(shù)等方面。2.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)型及容量的發(fā)展

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

2.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)的發(fā)展

控制技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全高效運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)[5,6]，這是因?yàn)椋?/p>

1）自然風(fēng)速的大小和方向隨著大氣的氣壓、氣溫和濕度等的活動(dòng)和風(fēng)電場(chǎng)地形地貌等因素的隨機(jī)性和不可控性，這樣風(fēng)力機(jī)所獲得的風(fēng)能也是隨機(jī)和不可控的。

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

3）自動(dòng)控制在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)和脫網(wǎng)、輸入功率的優(yōu)化和限制、風(fēng)輪的主動(dòng)對(duì)風(fēng)以及運(yùn)行過(guò)程中故障的檢測(cè)和保護(hù)中都應(yīng)得到很好的利用。

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

因此，眾多學(xué)者都致力于深入研究風(fēng)力發(fā)電的控制技術(shù)和控制系統(tǒng)，這些研究工作對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行有極其重要的意義。計(jì)算機(jī)技術(shù)與先進(jìn)的控制技術(shù)應(yīng)用到風(fēng)電領(lǐng)域，并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)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(fēng)力機(jī)指槳葉與輪轂的連接是固定的，即槳距角固定不變，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，槳葉的迎風(fēng)角度固定不變。失速型是當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)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(jī)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(diǎn)是簡(jiǎn)單可靠，當(dāng)風(fēng)速變化引起輸出功率變化時(shí)，只通過(guò)槳葉的被動(dòng)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(jiǎn)化。其缺點(diǎn)是葉片重量大，槳葉、輪轂、塔架等部件受力較大，機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其轉(zhuǎn)速不受發(fā)電機(jī)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(fēng)電機(jī)組相比，它的優(yōu)越性在于：低風(fēng)速時(shí)能夠跟蹤風(fēng)速變化，在運(yùn)行中保持最佳葉尖速比以獲得最大風(fēng)能；高風(fēng)速時(shí)利用風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的變化調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)槳距角，在保證風(fēng)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，使輸出功率更加平穩(wěn)。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過(guò)勵(lì)磁控制和變槳距調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳運(yùn)行狀態(tài)。變槳距是根據(jù)風(fēng)速和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)整葉片槳距角，從而控制發(fā)電機(jī)輸出功率，由傳動(dòng)齒輪箱、伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)控制單元組成。隨著風(fēng)電控制技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)輸出功率小于額定功率狀態(tài)時(shí)，變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用OptitiP技術(shù)，即根據(jù)風(fēng)速的大小，調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率，使其盡量運(yùn)行在最佳葉尖速比，以得到理想的輸出功率。變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)是：輸出功率平穩(wěn)，在額定點(diǎn)具有較高的風(fēng)能利用系數(shù)，具有更好的起動(dòng)性能與制動(dòng)性能，能夠確保高風(fēng)速段的額定功率。2.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制策略的發(fā)展

風(fēng)能是一種能量密度低、穩(wěn)定性較差的能源，由于風(fēng)速、風(fēng)向的隨機(jī)性變化，導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)葉片攻角不斷變化，使葉尖速比偏離最佳值，風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)力效率及輸入到傳動(dòng)鏈的功率發(fā)生變化，影響了風(fēng)電系統(tǒng)的發(fā)電效率并引起轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)鏈的振蕩，會(huì)對(duì)電能質(zhì)量及接入的電網(wǎng)產(chǎn)生影響，對(duì)于小電網(wǎng)甚至?xí)�影響其穩(wěn)定性。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常采用柔性部件，這有助于減小內(nèi)部的機(jī)械應(yīng)力，但同時(shí)也會(huì)使風(fēng)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性復(fù)雜化，且轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)模塊會(huì)有很大振蕩。目前，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(xué)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(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)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(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大捕獲。對(duì)于快速變化的風(fēng)速，其調(diào)節(jié)相對(duì)滯后。同時(shí)基于某工作點(diǎn)的線性化模型的方法，對(duì)于工作范圍較寬、隨機(jī)擾動(dòng)大、不確定因素多、非線性嚴(yán)重的風(fēng)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(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化不敏感、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單和易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)而在風(fēng)電系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。魯棒控制具有處理多變量問(wèn)題的能力，對(duì)于具有建模誤差、參數(shù)不準(zhǔn)確和干擾位置系統(tǒng)的控制問(wèn)題，在強(qiáng)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(diǎn)是將專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)表示為語(yǔ)言規(guī)則用于控制，不依賴于被控制對(duì)象的精確的數(shù)學(xué)模型，能夠克服非線性因素的影響，對(duì)被調(diào)節(jié)對(duì)象有較強(qiáng)的魯棒性。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的精確數(shù)學(xué)模型難以建立，模糊控制非常適合于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制，越來(lái)越受到風(fēng)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(lái)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?fù)浣Y(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(xué)習(xí)特性，可用于風(fēng)力機(jī)的低風(fēng)速的節(jié)距控制。3存在的問(wèn)題及展望

盡管近年來(lái)我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)得到了迅猛的發(fā)展，但同時(shí)也暴露出眾多的問(wèn)題。首先，我國(guó)尚未完全掌握風(fēng)電機(jī)組的核心設(shè)計(jì)及制造技術(shù)。在設(shè)計(jì)技術(shù)方面，我國(guó)不僅每年需支付大量的專利、生產(chǎn)許可及技術(shù)咨詢費(fèi)用，在一些具有自主研發(fā)能力的風(fēng)電企業(yè)中，其設(shè)計(jì)所需的應(yīng)用軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)和源代碼都需要從國(guó)外購(gòu)買。在風(fēng)機(jī)制造方面，風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)、逆變系統(tǒng)需要大量進(jìn)口，同時(shí)，一些核心零部件如軸承、葉片和齒輪箱等與國(guó)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(guó)風(fēng)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(yuǎn)小于裝機(jī)容量。風(fēng)電發(fā)展側(cè)重于資源規(guī)劃，風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)往往沒(méi)有考慮當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的消納能力，從而造成裝機(jī)容量大，并網(wǎng)發(fā)電少的現(xiàn)狀。201*年新增裝機(jī)容量中1/3未能上網(wǎng)，送電難已經(jīng)成為制約風(fēng)電發(fā)展的瓶頸。最后，我國(guó)風(fēng)電的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范不健全，包括風(fēng)機(jī)制造、檢測(cè)、調(diào)試、關(guān)鍵零部件生產(chǎn)及電場(chǎng)入網(wǎng)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)亟需建立和完善。因此，展望我國(guó)未來(lái)的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展，必須加強(qiáng)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(fēng)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(fēng)電標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。參考文獻(xiàn)：

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3存在的問(wèn)題及展望

盡管近年來(lái)我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)得到了迅猛的發(fā)展，但同時(shí)也暴露出眾多的問(wèn)題。首先，我國(guó)尚未完全掌握風(fēng)電機(jī)組的核心設(shè)計(jì)及制造技術(shù)。在設(shè)計(jì)技術(shù)方面，我國(guó)不僅每年需支付大量的專利、生產(chǎn)許可及技術(shù)咨詢費(fèi)用，在一些具有自主研發(fā)能力的風(fēng)電企業(yè)中，其設(shè)計(jì)所需的應(yīng)用軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)和源代碼都需要從國(guó)外購(gòu)買。在風(fēng)機(jī)制造方面，風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)、逆變系統(tǒng)需要大量進(jìn)口，同時(shí)，一些核心零部件如軸承、葉片和齒輪箱等與國(guó)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(guó)風(fēng)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(yuǎn)小于裝機(jī)容量。風(fēng)電發(fā)展側(cè)重于資源規(guī)劃，風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)往往沒(méi)有考慮當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的消納能力，從而造成裝機(jī)容量大，并網(wǎng)發(fā)電少的現(xiàn)狀。201*年新增裝機(jī)容量中1/3未能上網(wǎng)，送電難已經(jīng)成為制約風(fēng)電發(fā)展的瓶頸。最后，我國(guó)風(fēng)電的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范不健全，包括風(fēng)機(jī)制造、檢測(cè)、調(diào)試、關(guān)鍵零部件生產(chǎn)及電場(chǎng)入網(wǎng)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)亟需建立和完善。因此，展望我國(guó)未來(lái)的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展，必須加強(qiáng)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(fēng)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(fēng)電標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。

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