我國風(fēng)力發(fā)電現狀及其技術(shù)發(fā)展論文

　　摘 要：隨著(zhù)國家新能源發(fā)展戰略的提出和實(shí)施，我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)進(jìn)入跨越式發(fā)展的階段。本文從分析我國風(fēng)力發(fā)電的現狀出發(fā)，在總結分析風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展的基礎上，對我國風(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；現狀；技術(shù)發(fā)展

　　能源、環(huán)境是當今人類(lèi)生存和發(fā)展所要解決的緊迫問(wèn)題。常規能源以煤、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(kāi)發(fā)利用，特別是對風(fēng)能的開(kāi)發(fā)利用，已受到世界各國的高度重視。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的戰略選擇。我國風(fēng)能儲量很大、分布面廣，開(kāi)發(fā)利用潛力巨大。近年來(lái)我國風(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我國風(fēng)電現狀及其技術(shù)發(fā)展，對進(jìn)一步推動(dòng)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)及技術(shù)的健康可持續發(fā)展具有重要的參考價(jià)值。

　　1我國風(fēng)力發(fā)電的現狀

　　2005年2月，我國國家立法機關(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(kāi)發(fā)利用在能源發(fā)展中的優(yōu)先地位。2009年12月，我國政府向世界承諾到2020年單位國內生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降40%~45%，把應對氣和變化納入經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展規劃，大力發(fā)展包括風(fēng)電在內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(zhù)新能源產(chǎn)業(yè)成為國家戰略新興產(chǎn)業(yè)規劃的出臺，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，有望成為我國國民經(jīng)濟增長(cháng)的一個(gè)新亮點(diǎn)。

　　我國自上世紀80年代中期引進(jìn)55kW容量等級的風(fēng)電機投入商業(yè)化運行開(kāi)始，經(jīng)過(guò)二十幾年的發(fā)展，我國的風(fēng)電市場(chǎng)已經(jīng)獲得了長(cháng)足的發(fā)展。到2009年底，我國風(fēng)電總裝機容量達到2601萬(wàn)kW，位居世界第二，2009年新增裝機容量1300萬(wàn)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(fēng)電產(chǎn)業(yè)正步入一個(gè)跨越式發(fā)展的階段，預計2010年我國累計裝機容量有望突破4000萬(wàn)kW。

　　從技術(shù)發(fā)展上來(lái)說(shuō)，我國風(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(zhù)國內5WM容量等級風(fēng)電產(chǎn)品的相繼下線(xiàn)，以及國內兆瓦級機組在風(fēng)電市場(chǎng)的普及，標志我國已具備兆瓦級風(fēng)機的自主研發(fā)能力。同時(shí)，我國風(fēng)電裝備制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)集中度進(jìn)一步提高，國產(chǎn)機組的國內市場(chǎng)份額逐年提高。目前我國風(fēng)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(mǎn)足國內風(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，我國風(fēng)電裝備制造業(yè)必須增強技術(shù)上的自主創(chuàng )新，加強風(fēng)電核心技術(shù)攻關(guān)，尤其是加強風(fēng)電關(guān)鍵設備和技術(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、機械傳動(dòng)、電機學(xué)、力學(xué)、材料學(xué)等多學(xué)科的綜合性高技術(shù)系統工程。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)電機組大型化、風(fēng)力發(fā)電機組的先進(jìn)控制策略和優(yōu)化技術(shù)等方面。

　　2.1風(fēng)力發(fā)電機組機型及容量的發(fā)展

　　現代風(fēng)力發(fā)電技術(shù)面臨的挑戰及發(fā)展趨勢主要在于如何進(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(fēng)電機組投入商業(yè)化運行開(kāi)始，至1990年達到250kW，1997年突破1MW，1999年即達到2MW。進(jìn)入21世紀，兆瓦級風(fēng)力機逐漸成為國際風(fēng)電市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品。2004年德國Repower即研制出第一臺5MW風(fēng)電機，Enercon開(kāi)發(fā)出第二代直驅式6WM風(fēng)電機，預計2013年單機容量將突破15MW[1,3]。從世界范圍來(lái)看，1.5MW-2MW的機型占世界機組容量的比例，已從2007年的63.7%飛速上升到80.4%；而在我國，2005年風(fēng)電場(chǎng)新安裝的兆瓦級風(fēng)電機組占當年新裝機容量的21.5%，而2009年比例已經(jīng)上升到86.86%[4]。這表明容量風(fēng)電機組已經(jīng)成為我國風(fēng)電市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品。

　　2.2風(fēng)力發(fā)電機組控制技術(shù)的發(fā)展

　　控制技術(shù)是風(fēng)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(fēng)速的大小和方向隨著(zhù)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性和不可控性，這樣風(fēng)力機所獲得的風(fēng)能也是隨機和不可控的。

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

　　3）自動(dòng)控制在風(fēng)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(fēng)輪的主動(dòng)對風(fēng)以及運行過(guò)程中故障的檢測和保護中都應得到很好的利用。

　　4）風(fēng)力資源豐富的地區通常環(huán)境較為惡劣，在海島和邊遠的'地區甚至海上，人們希望分散不均的風(fēng)力發(fā)電機組能夠無(wú)人值班運行和遠程監控。這就對風(fēng)力發(fā)電機組的控制系統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，這些研究工作對于風(fēng)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(jìn)的控制技術(shù)應用到風(fēng)電領(lǐng)域，并網(wǎng)運行的風(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)力機指槳葉與輪轂的連接是固定的，即槳距角固定不變，當風(fēng)速變化時(shí)，槳葉的迎風(fēng)角度固定不變。失速型是當風(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)電機的功率輸出限制在一定范圍內。失速調節型的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單可靠，當風(fēng)速變化引起輸出功率變化時(shí)，只通過(guò)槳葉的被動(dòng)失速調節而控制系統不做任何控制，使控制系統大為簡(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，其轉速不受發(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子轉速的影響。與恒速風(fēng)電機組相比，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)輪轉速的變化調節風(fēng)力機槳距角，在保證風(fēng)電機組安全穩定運行的同時(shí)，使輸出功率更加平穩。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組通過(guò)勵磁控制和變槳距調節來(lái)實(shí)現最佳運行狀態(tài)。變槳距是根據風(fēng)速和發(fā)電機轉速來(lái)調整葉片槳距角，從而控制發(fā)電機輸出功率，由傳動(dòng)齒輪箱、伺服電機和驅動(dòng)控制單元組成。隨著(zhù)風(fēng)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(shí)，變槳距風(fēng)力發(fā)電機組采用OptitiP技術(shù)，即根據風(fēng)速的大小，調整發(fā)電機轉差率，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(fēng)力發(fā)電機組的優(yōu)點(diǎn)是：輸出功率平穩，在額定點(diǎn)具有較高的風(fēng)能利用系數，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)電機組控制策略的發(fā)展

　　風(fēng)能是一種能量密度低、穩定性較差的能源，由于風(fēng)速、風(fēng)向的隨機性變化，導致風(fēng)力機葉片攻角不斷變化，使葉尖速比偏離最佳值，風(fēng)力機的空氣動(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)電系統的發(fā)電效率并引起轉矩傳動(dòng)鏈的振蕩，會(huì )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(huì )影響其穩定性。風(fēng)力發(fā)電機組通常采用柔性部件，這有助于減小內部的機械應力，但同時(shí)也會(huì )使風(fēng)電系統的動(dòng)態(tài)特性復雜化，且轉矩傳動(dòng)模塊會(huì )有很大振蕩。目前，對風(fēng)力發(fā)電機的控制策略研究根據控制器類(lèi)型可分為兩大類(lèi)：基于數學(xué)模型的傳統控制方法和現代控制方法。傳統控制采用線(xiàn)性控制方法，通過(guò)調節發(fā)電機電磁轉矩或槳葉節距角，使葉尖速比保持最優(yōu)值，從而實(shí)現風(fēng)能的最大捕獲。對于快速變化的風(fēng)速，其調節相對滯后。同時(shí)基于某工作點(diǎn)的線(xiàn)性化模型的方法，對于工作范圍較寬、隨機擾動(dòng)大、不確定因素多、非線(xiàn)性嚴重的風(fēng)電系統并不適用。

　　現代控制方法主要包括變結構控制、魯棒控制、自適應控制、智能控制等[7,8]。變結構控制因具有快速響應、對系統參數變化不敏感、設計簡(jiǎn)單和易于實(shí)現等優(yōu)點(diǎn)而在風(fēng)電系統中得到廣泛應用。魯棒控制具有處理多變量問(wèn)題的能力，對于具有建模誤差、參數不準確和干擾位置系統的控制問(wèn)題，在強穩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(zhuān)家的知識和經(jīng)驗表示為語(yǔ)言規則用于控制，不依賴(lài)于被控制對象的精確的數學(xué)模型，能夠克服非線(xiàn)性因素的影響，對被調節對象有較強的魯棒性。由于風(fēng)力發(fā)電機的精確數學(xué)模型難以建立，模糊控制非常適合于風(fēng)力發(fā)電機組的控制，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 )的結構與特征的系統。利用神經(jīng)元可以構成各種不同的拓撲結構的神經(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)習特性，可用于風(fēng)力機的低風(fēng)速的節距控制。

　　3存在的問(wèn)題及展望

　　盡管近年來(lái)我國風(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，我國尚未完全掌握風(fēng)電機組的核心設計及制造技術(shù)。在設計技術(shù)方面，我國不僅每年需支付大量的專(zhuān)利、生產(chǎn)許可及技術(shù)咨詢(xún)費用，在一些具有自主研發(fā)能力的風(fēng)電企業(yè)中，其設計所需的應用軟件、數據庫和源代碼都需要從國外購買(mǎi)。在風(fēng)機制造方面，風(fēng)機控制系統、逆變系統需要大量進(jìn)口，同時(shí)，一些核心零部件如軸承、葉片和齒輪箱等與國外同類(lèi)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(fēng)電發(fā)展規劃與電網(wǎng)規劃不相協(xié)調，上網(wǎng)容量遠小于裝機容量。風(fēng)電發(fā)展側重于資源規劃，風(fēng)電場(chǎng)的建設往往沒(méi)有考慮當地電網(wǎng)的消納能力，從而造成裝機容量大，并網(wǎng)發(fā)電少的現狀。2009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(fēng)電發(fā)展的瓶頸。最后，我國風(fēng)電的技術(shù)標準和規范不健全，包括風(fēng)機制造、檢測、調試、關(guān)鍵零部件生產(chǎn)及電場(chǎng)入網(wǎng)等相關(guān)標準亟需建立和完善。因此，展望我國未來(lái)的風(fēng)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)建設力度，合理規范風(fēng)電開(kāi)發(fā)；必須加大政策扶持力度，建立健全完善統一的風(fēng)電標準規范體系。

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