我國(guó)風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀及技術(shù)發(fā)展

王麗宏

前言

可再生能源的開(kāi)發(fā)利用，特別是對(duì)風(fēng)能的開(kāi)發(fā)利用，已受到世界各國(guó)的高度重視。我國(guó)風(fēng)能儲(chǔ)量很大且分布很廣，開(kāi)發(fā)利用潛力巨大。本文通過(guò)分析我國(guó)風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀，找出存在的問(wèn)題，對(duì)風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)發(fā)展提出建議。

一、我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀

十九世紀(jì)九十年代丹麥出現(xiàn)首個(gè)現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)。而直到上世紀(jì)八十年代，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電氣控制才得以實(shí)現(xiàn)，不過(guò)在這一時(shí)期的產(chǎn)品中，模擬電子器件仍然被大規(guī)模應(yīng)用。信息技術(shù)的快速發(fā)展，在上世紀(jì)八十年代中后期催生了基于微處理器的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電力控制系統(tǒng)，并在進(jìn)入九十年代之后得到了大規(guī)模的應(yīng)用和推廣。九十年代中后期，基于單板機(jī)的電氣控制系統(tǒng)和基于單片機(jī)的微機(jī)控制開(kāi)始成為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣控制的核心部件。

我國(guó)國(guó)內(nèi)針對(duì)風(fēng)力發(fā)現(xiàn)所展開(kāi)的實(shí)踐探索開(kāi)始于上世紀(jì)五十年代。而二十世紀(jì)八十年代中期首次引入55kw容量等級(jí)風(fēng)電機(jī)組并將其投入商業(yè)應(yīng)用之后的二十多年發(fā)展過(guò)程中，我國(guó)當(dāng)前的風(fēng)電市場(chǎng)已經(jīng)初步成熟。根據(jù)相關(guān)部門(mén)提供的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截止到2009年底，我風(fēng)電總裝機(jī)容量已經(jīng)位居世界第二位，達(dá)到驚人的2601萬(wàn)kw，而這一數(shù)字在2010年已經(jīng)達(dá)到了44733.29萬(wàn)kw。從這一數(shù)值的變化情況我們可以發(fā)現(xiàn)，我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)有著巨大的潛力。

從技術(shù)發(fā)展的角度分析我們可以發(fā)現(xiàn)，我國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，風(fēng)電企業(yè)經(jīng)歷了從單純引進(jìn)外國(guó)技術(shù)到本土化革新再到自主創(chuàng)新的三個(gè)階段之后，當(dāng)前已經(jīng)有了基本的技術(shù)積累。尤其是兆瓦級(jí)機(jī)組在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)中的普及，更是標(biāo)志著我國(guó)自主研發(fā)能力已經(jīng)進(jìn)入了全新的階段。當(dāng)前，我國(guó)風(fēng)電機(jī)組企業(yè)已經(jīng)基本占領(lǐng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，并積極主動(dòng)的向國(guó)際市場(chǎng)挺進(jìn)，但是包括主軸在內(nèi)的高技術(shù)含量部件仍然大規(guī)模依靠進(jìn)口。基于上述情況，我國(guó)風(fēng)電裝備制造業(yè)有必要從自身的實(shí)際情況出發(fā)，進(jìn)一步突進(jìn)自主創(chuàng)新，加大核心技術(shù)攻關(guān)的投入。

二、風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)發(fā)展

風(fēng)電技術(shù)涉及包括電機(jī)學(xué)、力學(xué)、材料學(xué)在內(nèi)多諸多學(xué)科的工程項(xiàng)目。當(dāng)前針對(duì)風(fēng)電技術(shù)的研究主要集中在機(jī)組大型化、控制策略優(yōu)化等諸多領(lǐng)域。

（一）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)型及容量的發(fā)展

提高設(shè)備可靠性和效率是當(dāng)前風(fēng)電技術(shù)發(fā)展過(guò)程中的核心問(wèn)題。而單機(jī)容量的大型化發(fā)展，是當(dāng)前提升風(fēng)能利用率的主要途徑。上世紀(jì)八十年代中期開(kāi)始在市場(chǎng)中的大規(guī)模出現(xiàn)55kW容量等級(jí)的風(fēng)電機(jī)組到今天的兆瓦級(jí)機(jī)組成為市場(chǎng)中的主流產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組的裝機(jī)容量相對(duì)于國(guó)際先進(jìn)水平來(lái)說(shuō)還有一定差距。

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

控制技術(shù)之所以成為當(dāng)前階段風(fēng)電機(jī)組的核心技術(shù)，主要是因?yàn)椋?/p>

1）風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中對(duì)發(fā)電質(zhì)量影響最大的風(fēng)速受到多種因素的影響，因此風(fēng)力發(fā)電具有一定的不可控性，所提供的電能在穩(wěn)定性方面也存在一定的不足。2）通常大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所使用的葉片尺寸在60m～100m之間，這是保證發(fā)電效率的必然選擇，但是風(fēng)輪必然具有巨大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。3）控制技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的入網(wǎng)和脫網(wǎng)以及后續(xù)的故障檢修方面都有巨大的應(yīng)用價(jià)值。

基于上述情況。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外大量專(zhuān)家學(xué)者都致力于對(duì)風(fēng)力發(fā)電的控制技術(shù)和控制系統(tǒng)的研究，而這些研究對(duì)于保障風(fēng)能資源的有效利用顯然是具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。值得注意的是，當(dāng)前智能化控制已經(jīng)成為研究的前沿方向和主要流派。

作為近年來(lái)新發(fā)展的一種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，由于其轉(zhuǎn)速不受發(fā)電機(jī)輸出功率的限制而有著較為良好的性能表現(xiàn)。相對(duì)于市場(chǎng)中較為常見(jiàn)的恒速風(fēng)電機(jī)組來(lái)說(shuō)，具有如下幾方面的優(yōu)勢(shì)：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。

（三）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制策略的發(fā)展

作為一種典型的密度低、穩(wěn)定性較差的可再生能源，風(fēng)能在實(shí)際的利用過(guò)程中，風(fēng)速、風(fēng)向等多種因素的變化都將會(huì)對(duì)其發(fā)電性能產(chǎn)生嚴(yán)重的波動(dòng)。尤其是風(fēng)力機(jī)葉片攻角在風(fēng)速和風(fēng)向變化的過(guò)程中不斷隨之變化，客觀上導(dǎo)致了葉尖速比難以長(zhǎng)期保持在最優(yōu)值上，而同樣的，這也同樣會(huì)導(dǎo)致發(fā)電效率的巨大波動(dòng)，如果沒(méi)有相應(yīng)的處理，必然對(duì)電能的質(zhì)量和計(jì)入電網(wǎng)的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生不同程度的負(fù)面影響。這里指的強(qiáng)調(diào)的是，在一些小型電網(wǎng)中，風(fēng)機(jī)發(fā)電的不穩(wěn)定性對(duì)于整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定性所具有的影響能力是非常巨大愛(ài)的。柔性部件的應(yīng)用是當(dāng)前階段風(fēng)電發(fā)電機(jī)組中降低內(nèi)部機(jī)械應(yīng)力的有效途徑，不過(guò)在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，這種方式也同樣在客觀上增加了機(jī)組的整體復(fù)雜性，為其設(shè)計(jì)和后續(xù)的維修養(yǎng)護(hù)帶來(lái)了巨大的難度。當(dāng)前階段針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制策略研究主要是圍繞現(xiàn)代控制方法和數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)方法這兩種方法展開(kāi)的。其中線性控制方法是傳統(tǒng)控制方法中的主流內(nèi)容，主要是通過(guò)對(duì)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的調(diào)整來(lái)最大限度的讓葉尖速比處于最優(yōu)值，并以此為基礎(chǔ)來(lái)提升風(fēng)能資源的利用效率。但是傳統(tǒng)方法在快速變化的風(fēng)速中所能夠起到的調(diào)節(jié)作用具有明顯的滯后性特征，同時(shí)已線形特征為基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)模型計(jì)算方法由于不確定因素過(guò)多，因此在我國(guó)內(nèi)陸很多非線性較為嚴(yán)重的風(fēng)電系統(tǒng)中的應(yīng)用難以取得理想的效果。

而現(xiàn)代控制方法在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中則效果相對(duì)良好。包括魯棒控制、智能控制在內(nèi)的現(xiàn)代智控制方法由于相應(yīng)快速、系統(tǒng)參數(shù)敏感度較低、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用。其中。魯棒控制在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中能夠較好的處理多變量問(wèn)題，對(duì)于很多干擾較強(qiáng)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能夠提供強(qiáng)大的控制能力。而模糊控制作為當(dāng)前一種應(yīng)用較為廣泛的智能控制方法，在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中最大的特點(diǎn)是將傳統(tǒng)的專(zhuān)家意見(jiàn)和原有的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)變成語(yǔ)言規(guī)則，并以此為基礎(chǔ)來(lái)對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行控制，這種方法由于對(duì)被控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型的依賴(lài)性較低，因此在非線性因素影響的克服方面表現(xiàn)非常出色，也同樣因?yàn)槿绱硕玫搅嗽絹?lái)越多風(fēng)電人的關(guān)注和重視。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，實(shí)際上是通過(guò)對(duì)人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)特征的模擬來(lái)形成若干拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，本身具有較好的學(xué)習(xí)性，因此在風(fēng)力機(jī)的低風(fēng)速節(jié)距控制方面的應(yīng)用有著較好的效果。

綜上所述，我國(guó)風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)取得了飛速發(fā)展，但在快速發(fā)展的過(guò)程中也出現(xiàn)了很多問(wèn)題。因此，為大力發(fā)展我國(guó)風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)必須將強(qiáng)自主創(chuàng)新，加大建設(shè)投入，加大扶持力度，建立健全完善統(tǒng)一的風(fēng)電標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。