淺談風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀及前景

葉波

摘 要：迄今為止，在全球可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量中，風(fēng)電占有很大比例，而在被利用的可再生能源中，風(fēng)能則占一半以上。因此，風(fēng)力發(fā)電成為可再生能源應(yīng)用技術(shù)中最為先進(jìn)與領(lǐng)先。伴隨世界風(fēng)力發(fā)電高速增長，風(fēng)能作為清潔的可再生能源并具有大規(guī)模開發(fā)、利用的前景。為此，本文通過對風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀分析、風(fēng)電發(fā)展前景進(jìn)行較為詳細(xì)闡述，指出了風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀以及風(fēng)電的發(fā)展趨勢，為該領(lǐng)域的進(jìn)一步研究與發(fā)展提供有效參考。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電;發(fā)展現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢;

引言：伴隨人類對清潔能源需求不斷強(qiáng)化，全球風(fēng)力發(fā)電行業(yè)業(yè)已成為飛速發(fā)展的新能源新貴。同時(shí)，近些年其增長速度以不低于20%的比率在持續(xù)提高。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的日趨成熟度以及其較高的經(jīng)濟(jì)可行性，同時(shí)加之各國政府持續(xù)出臺清潔能源的激勵政策與法規(guī)，極大促進(jìn)了風(fēng)力發(fā)電行業(yè)向著更加廣闊的前景發(fā)展。風(fēng)電技術(shù)基于二十世紀(jì)八十至九十年代在歐洲的快速發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組制造技術(shù)日臻完善，為此風(fēng)電產(chǎn)業(yè)開啟更大規(guī)模與穩(wěn)定的商業(yè)模式。迄今為止，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)保持著高速發(fā)展勢態(tài)，兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主流技術(shù)操作與應(yīng)用模式，主要通過雙饋異步以及永磁直驅(qū)式變速恒頻風(fēng)電機(jī)組以實(shí)現(xiàn)。

一、風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀分析

（一）關(guān)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量方面

在風(fēng)電技術(shù)的不斷提高的推動下，全球風(fēng)電發(fā)電量不斷增加。近些年，由于各國政府對風(fēng)力發(fā)電的重視程度不斷提高，構(gòu)成全球的風(fēng)電裝機(jī)容量顯著的提高。盡管在全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度減緩背景下，但是制造行業(yè)風(fēng)電裝機(jī)的年增長率仍在高位運(yùn)行。當(dāng)前全球電力的發(fā)展因環(huán)境以及能源短缺等因素影響，我國亟待構(gòu)建無須進(jìn)口且具有清潔、可靠、易于安裝等特點(diǎn)的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)電力的發(fā)展，因此風(fēng)力發(fā)電成為首選解決方案。

（二）關(guān)于風(fēng)電聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行方面

風(fēng)電具有強(qiáng)隨機(jī)波動性、低可控性特征，因此大規(guī)模并網(wǎng)接入將對電網(wǎng)的運(yùn)行造成不利影響。與此同時(shí)，電網(wǎng)擾動或運(yùn)行質(zhì)量劣化，則又會影響聯(lián)網(wǎng)風(fēng)電的運(yùn)行。電網(wǎng)保證安全運(yùn)行的要求與風(fēng)電隨機(jī)波動且較難控管的電源特性構(gòu)成矛盾狀態(tài)。為此，風(fēng)電電源與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)性成為關(guān)鍵與重要環(huán)節(jié)。旨在確保電網(wǎng)安全運(yùn)行，我們需要掌控風(fēng)電電源特性并準(zhǔn)確評估風(fēng)電對電網(wǎng)的影響，以充分挖掘電網(wǎng)的風(fēng)電接納能力。當(dāng)前，風(fēng)電相關(guān)研究主要聚焦于電網(wǎng)風(fēng)電接納能力、風(fēng)電功率預(yù)測與風(fēng)電聯(lián)網(wǎng)對電網(wǎng)影響及改善方法以及風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力等方面。

（三）關(guān)于設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造與運(yùn)行控制技術(shù)方面

研究風(fēng)電技術(shù)發(fā)展歷史，我們將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)劃分為控制技術(shù)與運(yùn)行方式兩個(gè)方面，即變速恒頻與恒速恒頻兩大發(fā)電系統(tǒng)?？v觀發(fā)電技術(shù)發(fā)展歷程，我們發(fā)現(xiàn)在風(fēng)力發(fā)電初始階段，較多為定槳距恒速恒頻風(fēng)力機(jī)，然而其最大缺陷在于不能依據(jù)風(fēng)速變化而進(jìn)行槳距角調(diào)節(jié)，這將導(dǎo)致風(fēng)能利用率較低。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，單機(jī)容量逐步增大，低效率的定槳距角控制風(fēng)機(jī)模式已無法滿足風(fēng)力發(fā)電行業(yè)需求。為提高風(fēng)能的利用率并使風(fēng)機(jī)能夠獲得最大程度的捕獲風(fēng)能，那么我們就必須對風(fēng)機(jī)的制造技術(shù)和控制技術(shù)進(jìn)行迭代創(chuàng)新。因此該領(lǐng)域創(chuàng)新出變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)優(yōu)勢在于發(fā)電機(jī)可根據(jù)風(fēng)速的變化調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)速度，使之匹配風(fēng)速變化并在最佳轉(zhuǎn)速狀態(tài)下運(yùn)行，最大限度的提高了風(fēng)能利用率。同時(shí)，該系統(tǒng)所采用的脈寬調(diào)制技術(shù)，不僅可以降低開機(jī)與關(guān)機(jī)的消耗率，而且還實(shí)現(xiàn)了自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率與抑制諧波的功能，以此提高了風(fēng)能的利用率。在風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展背景下，并網(wǎng)容量增加逐步加大，變速恒頻發(fā)電機(jī)將取代恒速恒頻發(fā)電機(jī)組。作為變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組兩大主流機(jī)組，即雙饋式感應(yīng)異步發(fā)電機(jī)與直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展。

一、關(guān)于風(fēng)力發(fā)電前景研究

（一）在風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量方面將持續(xù)加大

在風(fēng)電技術(shù)發(fā)展推動下，全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，裝機(jī)容量連年上升，而且已經(jīng)向海上風(fēng)電發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，圖1為全球風(fēng)電新增裝機(jī)。

（二）在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面將向緊湊、柔性、輕盈化發(fā)展

在風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量不斷增大的趨勢下，旨在便于運(yùn)輸與安裝，則對機(jī)組在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面實(shí)現(xiàn)緊湊、柔性和輕盈化目標(biāo)。為此，我們可以采取加長風(fēng)機(jī)葉片與充分利用高新復(fù)合材料，以及采用直驅(qū)動系統(tǒng)，將調(diào)向系統(tǒng)設(shè)置于塔架底部，而驅(qū)動系統(tǒng)則被裝配于結(jié)構(gòu)緊密的整鑄框架上，構(gòu)建荷載力以最合理模式，自輪轂傳遞至塔筒上等。

（三）在低電壓穿越技術(shù)方面將得到更大推廣與應(yīng)用

在機(jī)組單機(jī)容量及風(fēng)電場規(guī)模不斷擴(kuò)大的過程中，風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)間的相互制約已成為較大問題。也就是說，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障導(dǎo)致大面積風(fēng)電機(jī)組啟動自身保護(hù)機(jī)制而脫網(wǎng)，而嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。在風(fēng)電機(jī)組接入電網(wǎng)的容量不斷增加的勢態(tài)下，我們需要電網(wǎng)機(jī)組在電網(wǎng)在出現(xiàn)故障并電壓跌落時(shí)不發(fā)生脫網(wǎng)運(yùn)行狀況。而且在故障排除后，相關(guān)設(shè)備可以幫助風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)以較快速度重啟穩(wěn)定運(yùn)行狀況。這就對風(fēng)電機(jī)組在控制方面提出具有較強(qiáng)的低電壓穿越能力的要求。而可實(shí)現(xiàn)此功能的主流機(jī)型為雙饋異步風(fēng)機(jī)和直驅(qū)永磁風(fēng)機(jī)。

（四）陸上風(fēng)電將向海上風(fēng)電發(fā)展

因陸上風(fēng)電場囿于風(fēng)能環(huán)境、機(jī)組占地及安裝等因素的制約，陸上風(fēng)電場在基底的壓應(yīng)力滿足承載力要求的基礎(chǔ)適用范圍，而且上部結(jié)構(gòu)荷載較大。但這些問題，對于海上風(fēng)電系統(tǒng)則相對比較容易解決。與此同時(shí)，通常海上風(fēng)速大于陸地并較為穩(wěn)定，而且具備超3000小時(shí)以上的年度利用潛力。為此，海上風(fēng)電年發(fā)電量可比陸上至少高出50%數(shù)量級。

（五）在機(jī)組運(yùn)行方面將采取更多智能控制技術(shù)

面對風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)及控制系統(tǒng)的特性，風(fēng)電領(lǐng)域已經(jīng)將各種智能控制技術(shù)不斷應(yīng)用于變槳距控制系統(tǒng)中，在很大程度上解決了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的非線性、隨機(jī)擾動等問題。基于改進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最佳功率跟蹤控制策略，采用學(xué)習(xí)算法與改進(jìn)的粒子群優(yōu)化算法對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行在線訓(xùn)練，形成槳距角根據(jù)功率的變化不斷進(jìn)行最佳調(diào)節(jié)的智能化控制目的。

結(jié)語

全球經(jīng)濟(jì)的快速增長，構(gòu)成我們對能源的需求亦在不斷的增加。人類的生存依靠能源的開發(fā)，因?yàn)槌渥愕哪茉词切纬山?jīng)濟(jì)發(fā)展的重要前提與條件。傳統(tǒng)能源如煤炭、石油、天然氣等在科技發(fā)展背景下被超額消費(fèi)，導(dǎo)致全球環(huán)境遭受污染并能源緊張、短缺，已經(jīng)成為限制人類發(fā)展的重大問題。為此，人類只能通過著力挖掘新能源的方式，以實(shí)現(xiàn)全球經(jīng)濟(jì)與社會長足發(fā)展。同時(shí)，新能源的開發(fā)與利用不僅能夠作為傳統(tǒng)能源的補(bǔ)充，更重要的是可以有效降低環(huán)境的污染。人類在新能源挖掘過程中，風(fēng)能憑借著其環(huán)境要求低、儲量豐富、建設(shè)周期短以及利用率較高等優(yōu)勢，在全球得以持續(xù)并快速的發(fā)展。因低污染、低排放是風(fēng)力發(fā)電典型特征，所以，風(fēng)電必將成為人類在能源可持續(xù)發(fā)展方面的戰(zhàn)略選項(xiàng)。

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