我國風力發(fā)電現(xiàn)狀及其技術發(fā)展

劉柯

身份證號：410104197308064537

我國風力發(fā)電現(xiàn)狀及其技術發(fā)展

劉柯

身份證號：410104197308064537

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)電技術發(fā)展的基礎上，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，提出了相關建議。

風力發(fā)電；現(xiàn)狀；技術發(fā)展

1　我國風力發(fā)電的現(xiàn)狀

我國自20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2009年底，我國風電總裝機容量達到2601萬kW，位居世界第二。2009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　風力發(fā)電的技術發(fā)展

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。2004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6MW風電機。從世界范圍來看，1.5～2MW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%。在我國，2005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%，2009年比例已經(jīng)上升到86.86%［2］。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)電機組控制技術的發(fā)展

控制技術是風力發(fā)電機組安全高效運行的關鍵技術，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相關，這樣風力機所獲得的風能是隨機和不可控的。

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

③自動控制技術在風力發(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起到很好的作用。

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。

將計算機技術與先進的控制技術應用到風電領域，并網(wǎng)運行的風力發(fā)電控制技術得到了較快發(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，關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，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。風力發(fā)電機組通常采用柔性部件，這有助于減小內(nèi)部的機械應力，但同時也會使風電系統(tǒng)的動態(tài)特性復雜化，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：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。

現(xiàn)代控制方法主要包括變結(jié)構(gòu)控制、魯棒控制、自適應控制、智能控制等。變結(jié)構(gòu)控制因具有快速響應、對系統(tǒng)參數(shù)變化不敏感、設計簡單和易于實現(xiàn)等優(yōu)點在風電系統(tǒng)中得到廣泛應用。

3　存在的問題及展望

首先，我國尚未完全掌握風電機組的核心設計及制造技術。在設計技術方面，我國不僅每年需支付大量的專利、生產(chǎn)許可及技術咨詢費用，在一些具有自主研發(fā)能力的風電企業(yè)中，其設計所需的應用軟件、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，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。

最后，我國風電的技術標準和規(guī)范不健全，包括風機制造、檢測、調(diào)試、關鍵零部件生產(chǎn)及電場入網(wǎng)等相關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；必須加大電網(wǎng)建設力度，合理規(guī)范風電開發(fā)；加大政策扶持力度，建立健全統(tǒng)一的風電標準規(guī)范體系。

［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，2010（4）：14-19.

［2］王超，張懷宇，王辛慧，等.風力發(fā)電技術及其發(fā)展方向［J］.電站系統(tǒng)工程，2006，22（2）：11-13.