風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展及關(guān)鍵問題探究

蘭江

摘要：隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)于能源、環(huán)境問題的重視程度也在逐漸增加，因?yàn)槟茉吹目沙掷m(xù)發(fā)展會(huì)有效帶動(dòng)我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)和效率的發(fā)展，但是受到我國技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、關(guān)注度等相關(guān)方面的影響，使得我國可再生能源發(fā)電技術(shù)與其他先進(jìn)國家相比仍有較大的差距。文章對(duì)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展及關(guān)鍵問題進(jìn)行了探究。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電技術(shù)；綠色能源；可再生能源；電力系統(tǒng)；風(fēng)電質(zhì)量；機(jī)組控制 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM614 文章編號(hào)：1009-2374（2016）19-0070-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.19.033

影響我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展的問題主要有風(fēng)電質(zhì)量、機(jī)組控制等方面的技術(shù)問題，需要我國技術(shù)人員不斷加強(qiáng)研究，從政策扶持、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展等方面進(jìn)行分析以及加強(qiáng)對(duì)于其風(fēng)電技術(shù)機(jī)組的效率、容量、機(jī)械結(jié)構(gòu)等角度進(jìn)行改善，使我國風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)，逐漸向技術(shù)成熟、高容量、高參數(shù)的方向發(fā)展。

1 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展

1.1 我國風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀

風(fēng)力發(fā)電的原理主要是指利用風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)車葉片的旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過增速機(jī)，使其旋轉(zhuǎn)的速度提升，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電。我國雖然是風(fēng)力資源占有率最高的國家，但是我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)相對(duì)較晚。目前我國10m高度，風(fēng)能資源總量是3226GW，陸上可開采的風(fēng)能資源的總量約253GW，同時(shí)加上海上的風(fēng)能資源，可以被開發(fā)利用的占到1200GW左右。

1.2 發(fā)展前景

由于我國處于優(yōu)勢(shì)地位，風(fēng)能資源豐富，每年的平均風(fēng)速達(dá)到3m/s左右的時(shí)間約為4000h，同時(shí)在西藏等地區(qū)風(fēng)速可到達(dá)到7m/s左右，對(duì)此具有很大的開發(fā)的

空間。

1.3 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究

我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要有發(fā)電土工原動(dòng)力的風(fēng)力機(jī)和風(fēng)能電能轉(zhuǎn)換的發(fā)電機(jī)兩種，其中風(fēng)力機(jī)采用的有常規(guī)型和新穎型兩種。其技術(shù)發(fā)展特征主要表現(xiàn)在，風(fēng)力發(fā)電的規(guī)模、單機(jī)容量正在不斷擴(kuò)大，在電力生產(chǎn)行業(yè)占據(jù)一定的地位；正在逐漸向著專業(yè)化和成熟化方向發(fā)展；風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的成本雖然高，但是日常運(yùn)營費(fèi)用卻并不是很高。其中單機(jī)容量，從最初的55kW逐漸發(fā)展到了450kW，目前我國風(fēng)電機(jī)組最大容量是6MW，更有專家向著單機(jī)容量10MW的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行研究，有效地促進(jìn)了我國風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的速度和經(jīng)濟(jì)效益。

功率調(diào)節(jié)的方式包括定槳距失速調(diào)節(jié)、變槳距調(diào)節(jié)、主動(dòng)失速調(diào)節(jié)等，額定的風(fēng)速是14m/s左右；不同的生產(chǎn)商和風(fēng)力發(fā)電型號(hào)的額定功率不同，風(fēng)輪控制的方式、轉(zhuǎn)速控制的方式也不同。其中變速運(yùn)行，其中風(fēng)機(jī)從風(fēng)能中，捕獲到的功率的公式，即Pr=Cρ（β，λ）ρ╧πR2；λ=w╧R/Vw。式中：Pr表示風(fēng)輪吸收的功率；ρ表示風(fēng)的密度；R表示風(fēng)輪的半徑；λ表示葉尖的速比；w表示風(fēng)輪轉(zhuǎn)速；Cρ（β，λ）表示風(fēng)能利用系數(shù)。同時(shí)變速運(yùn)行，還具有高效率、吸收陣風(fēng)能量、高系統(tǒng)效率、功率質(zhì)量改善、運(yùn)行噪聲減少的優(yōu)點(diǎn)。

當(dāng)其大型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電組進(jìn)行運(yùn)行時(shí)，常會(huì)采用恒速恒頻或是變速恒頻的方式，使其發(fā)電機(jī)輸出的頻率保持一致。其中發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)裝置如圖1所示：

2 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的關(guān)鍵問題

2.1 風(fēng)電質(zhì)量問題

2.1.1 自然風(fēng)資源雖然有著強(qiáng)大的能量，但是性質(zhì)非常不穩(wěn)定，風(fēng)速的大小和方向都是經(jīng)常變化的，從而直接影響其風(fēng)電機(jī)組輸出功率的穩(wěn)定性。以往人們會(huì)通過風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的慣量，來平衡風(fēng)電機(jī)組的輸出功率的穩(wěn)定性。但是這種方法，其機(jī)組中的電力電子裝置，會(huì)產(chǎn)生一定的諧波，使其輸送到電網(wǎng)的電能功率下降，而要想提高機(jī)組向電網(wǎng)輸送的電能質(zhì)量，電力電子裝置接口就要滿足如下的要求：首先諧波電流要盡量低，同時(shí)要具備可控制的因素；其次發(fā)電機(jī)輸出的電壓，要與電網(wǎng)的電壓變化相互適應(yīng)，機(jī)組向其電網(wǎng)輸出的功率，必須是穩(wěn)定的；最后要滿足其發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)矩可控的要求。

2.1.2 我國風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量約為1.5MW，雖然單機(jī)容量發(fā)生了巨大的變化和進(jìn)步，但是在知識(shí)系統(tǒng)方面還不完善；同時(shí)當(dāng)其電網(wǎng)中并入容量達(dá)到額定的容量時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)電壓穩(wěn)定性下降的情況；一旦電網(wǎng)出現(xiàn)故障，不穩(wěn)定的電壓會(huì)使其機(jī)組不能有效地向電網(wǎng)輸送能量，使其保護(hù)動(dòng)作切出電網(wǎng)，直接導(dǎo)致其電網(wǎng)的不穩(wěn)定性，對(duì)此加強(qiáng)此方面的研究，保證其風(fēng)電機(jī)組的電功率穩(wěn)定是尤為重要的。

2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)方面

我國風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)方面，像槳葉采用的是美國的NANC系列，雖然具備一定的動(dòng)力性能，但是受到風(fēng)輪工況、風(fēng)輪風(fēng)速分布影響，使其風(fēng)輪受力不均勻，在旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)反復(fù)的、不穩(wěn)定性的變化，使其風(fēng)力機(jī)組出現(xiàn)振動(dòng)，產(chǎn)生一系列的噪音。

2.3 風(fēng)電機(jī)組不能進(jìn)行整機(jī)設(shè)計(jì)

我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展有效地促進(jìn)了我國風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展，尤其是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組零件的生產(chǎn)相對(duì)成熟，但是與其他先進(jìn)國家相比仍有較大的差距，同時(shí)在核心部件的生產(chǎn)中，并沒有較大的進(jìn)步，甚至集電環(huán)等部件，還需要從國外引進(jìn)，導(dǎo)致我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并不能通過國產(chǎn)化的程序進(jìn)行設(shè)計(jì)和安裝；在其他方面，像風(fēng)電機(jī)組的咨詢、管理等方面，并沒有成型的產(chǎn)業(yè)鏈，同時(shí)體系不完善，也直接阻礙了風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的發(fā)展。

2.4 安全性能不高

我國風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)研究起步較晚，在研究、應(yīng)用和推廣方面都有欠缺，導(dǎo)致其在并網(wǎng)、輸送等方面的安全性不高，容易出現(xiàn)一系列的故障；而目前故障發(fā)生主要集中在風(fēng)電機(jī)組的安裝階段，由于技術(shù)人員的專業(yè)技能水平不足，加上自身管理比較疏松，導(dǎo)致其安裝環(huán)節(jié)技術(shù)不到位，經(jīng)常出現(xiàn)脫網(wǎng)的情況；加強(qiáng)此方面的研究，避免其安全事故的發(fā)生，影響其風(fēng)電機(jī)組的工作效率是非常有必要的，從而更好地促進(jìn)我國電力行業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)展。

3 針對(duì)于關(guān)鍵問題所提出的對(duì)策

3.1 風(fēng)電質(zhì)量方面

針對(duì)于風(fēng)電機(jī)組電功率不穩(wěn)定的問題，可以采用超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)，使其風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出電壓和頻率處于穩(wěn)定的狀態(tài)。其中超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)也被稱作SMES，是一種新型的柔性交流輸電的新技術(shù)，該技術(shù)具有長壽命、高功率、高儲(chǔ)能密度、無污染等優(yōu)勢(shì)，對(duì)于有功或是無功功率具有吸收和釋放的作用，從而使其滿足電力系統(tǒng)的需求，是我國風(fēng)力發(fā)電的主要研究方向。

3.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)

改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)的方法，可以從兩方面進(jìn)行調(diào)整：一方面可以改善機(jī)械的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的設(shè)計(jì)，從而更好地避免因?yàn)轱L(fēng)力波動(dòng)，對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)負(fù)荷造成的影響，也會(huì)降低部件所受的應(yīng)力、部件和整體機(jī)組的重量，使其成本有效降低；另一方面可以通過先進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的使用，將其主轉(zhuǎn)動(dòng)軸、齒輪箱等系統(tǒng)融為一體，將機(jī)組部件的數(shù)量進(jìn)行減少，從而有效地提高傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性以及工作效率，同時(shí)也有效地降低了部件維修和安裝的經(jīng)濟(jì)支出。

3.3 控制技術(shù)

針對(duì)于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的不穩(wěn)定性、易干擾等特點(diǎn)，目前常采用系統(tǒng)模型控制的措施，具有一定的局限性，因?yàn)槠鋬H限于某個(gè)系統(tǒng)的指定周期使用，并不能很好地避免其能量轉(zhuǎn)換中不同過程所發(fā)生的變化；加上風(fēng)電機(jī)組常置于無人看管的地區(qū)且風(fēng)力資源豐富的環(huán)境下，因此對(duì)于其控制系統(tǒng)的要求就會(huì)更高一些。采用自適應(yīng)控制器，使其風(fēng)電機(jī)組在較大范圍內(nèi)，功率系數(shù)可以得到有效的改善；工作的原理是通過對(duì)于系統(tǒng)的輸入輸出值進(jìn)行測(cè)量，估計(jì)出控制過程中需要的參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和實(shí)現(xiàn)。雖然自適應(yīng)的控制器與以往的PI控制器相比，在性能上有很大的進(jìn)步，但是受到技術(shù)的影響，自身仍有一定的缺點(diǎn)，例如在估計(jì)實(shí)時(shí)參數(shù)時(shí)，自適應(yīng)控制器需要一個(gè)固定的參考模型，但是這個(gè)參考模型，必須是準(zhǔn)確的，由于準(zhǔn)確參考模型的建立，是一個(gè)繁瑣和復(fù)雜的過程，需要花費(fèi)大量的時(shí)間，才能得到這個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型；人們采用模糊邏輯為基礎(chǔ)的智能控制技術(shù)，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電功率進(jìn)行控制，從而更好地實(shí)現(xiàn)節(jié)約時(shí)間、高效的控制技術(shù)。

4 問題解決的途徑

4.1 加強(qiáng)風(fēng)電技術(shù)的研究

針對(duì)于風(fēng)能密度的地區(qū)范圍，可以采用功率調(diào)節(jié)的方式，從而更好地保證發(fā)電功率，使其發(fā)電機(jī)組不受到損害；在調(diào)節(jié)的過程中，可以借助定槳距失速型風(fēng)機(jī)，使其功率得到有效控制；針對(duì)于不適合風(fēng)力發(fā)電的地區(qū)，可以采用一定的儲(chǔ)能技術(shù)，不僅實(shí)現(xiàn)了在不同環(huán)境下的電能利用，同時(shí)也適當(dāng)?shù)卦黾恿藱C(jī)組的容量，對(duì)此加強(qiáng)此方面的研究，增加一定的技術(shù)支持是非常有必

要的。

4.2 可再生能源發(fā)展的政策建立

可再生資源與不同再生資源，對(duì)于我們國家乃至全世界來說，都是非常寶貴的資源，是推動(dòng)國家發(fā)展的重要物質(zhì)支持，從而更好地實(shí)現(xiàn)國家的可持續(xù)發(fā)展。對(duì)此加強(qiáng)可再生能源相關(guān)的保護(hù)政策的完善和實(shí)施是非常重要的，同時(shí)也只有能源政策的落實(shí)，才能加強(qiáng)對(duì)于能源開發(fā)和利用的保障。

4.3 促進(jìn)風(fēng)電技術(shù)的商業(yè)化發(fā)展

我國的風(fēng)力發(fā)電雖然起步較晚、技術(shù)較為落后，但是我國政府對(duì)于其風(fēng)力發(fā)電的重要性逐漸重視，其技術(shù)也在逐漸完善和成熟，逐漸向著商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展，而加強(qiáng)對(duì)于風(fēng)電技術(shù)的商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，不僅可以增加其機(jī)組的容量，同時(shí)也能有效降低其成本，將其風(fēng)電發(fā)電的價(jià)值增加，從而更好地促進(jìn)風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展。

5 結(jié)語

綜上所述，通過對(duì)于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展及關(guān)鍵問題的分析，發(fā)現(xiàn)可再生能源的發(fā)電技術(shù)，不僅是世界電力行業(yè)的主要發(fā)展和研究的對(duì)象，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)電力行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要途徑，從而更好地保護(hù)世界的生態(tài)環(huán)境。其中風(fēng)力發(fā)電更是我國電力產(chǎn)業(yè)大力發(fā)展的新興行業(yè)，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也成為了近年來的新技術(shù)，但是我國的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)之所以會(huì)產(chǎn)生一系列的關(guān)鍵性的技術(shù)問題，與我國技術(shù)人員的專業(yè)技能水平、能源政策的建立完善、社會(huì)經(jīng)濟(jì)制度影響是分不開的，對(duì)此加強(qiáng)技術(shù)人員的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、加強(qiáng)國外先近生產(chǎn)和安裝技術(shù)的研究等是非常有必要的，從而更好地促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電行業(yè)產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化的發(fā)展和推廣。

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（責(zé)任編輯：王 波）