王兆 王海軍

【摘 要】近年來我國社會經(jīng)濟(jì)得到了飛速發(fā)展，人們對于電力的需求也與日俱增，目前傳統(tǒng)的火力發(fā)電仍然是我國最主要的發(fā)電方式，但是火力發(fā)電需要的能源已經(jīng)陷入枯竭狀態(tài)。其他的發(fā)電方式也因?yàn)榭衫觅Y源明顯不足，環(huán)境污染嚴(yán)重等問題也無法大范圍推廣應(yīng)用，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)具有清潔、低污染、造價(jià)低、占地少等諸多優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)引起全國各地的高度重視。本文主要分析了當(dāng)前我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展，并且分析了我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展問題及未來發(fā)展展望。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)力發(fā)電技術(shù) 現(xiàn)狀 發(fā)展

環(huán)境污染、能源短缺問題已經(jīng)成為全球性問題，嚴(yán)重威脅了人們的生存和發(fā)展，目前全球各國都提出了低碳環(huán)保理念，基于此背景下，社會也在積極開發(fā)、推廣新的環(huán)保能源。風(fēng)能是一種清潔、可再生、能量大、無污染能源，而且開發(fā)技術(shù)也已經(jīng)相對成熟，目前已經(jīng)得到世界各國的廣泛關(guān)注和重視。風(fēng)力發(fā)電是目前和常規(guī)電力最接近，發(fā)展前景最大的一種可再生能源發(fā)電方式，也會成為未來主要的發(fā)電方式之一。我國的風(fēng)能資源極為豐富，而且分布面積較廣，具有很大的開發(fā)利用潛力，但是目前我國對于風(fēng)力資源的有效利用率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及國外一些國家。下面筆者主要總結(jié)了當(dāng)前我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀及其發(fā)展，并且對風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的未來發(fā)展提出了一些看法。

1 當(dāng)前我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀分析

我國擁有很多的風(fēng)力資源，但是對其的利用率并不高，如果可以合理、有效利用風(fēng)力的能量進(jìn)行發(fā)電，相信可以為人們的生活帶來很多便利。根據(jù)2005年2月我國頒布的《可再生能源法》以及相關(guān)的政策規(guī)定，我國已經(jīng)將新能源作為我國新興產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略規(guī)劃。其中風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)得到了飛速發(fā)展，很有可能會成為促進(jìn)我國國民經(jīng)濟(jì)增長的新亮點(diǎn)。我國最早的風(fēng)力發(fā)電機(jī)是在20世紀(jì)80年代中期引進(jìn)的，通過多年來的發(fā)展，我國國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電市場已經(jīng)取得了很大的發(fā)展，我國的風(fēng)電總裝機(jī)容量截止到2009年底已經(jīng)有2600.8 萬kW，截止到2014年底，風(fēng)電總裝機(jī)容量高達(dá)4.4億KW。由此可見，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)在我國的發(fā)展相當(dāng)迅猛。

我國風(fēng)電企業(yè)主要經(jīng)歷了三個(gè)階段，第一個(gè)階段是引進(jìn)技術(shù)，第二個(gè)階段是消化吸收，第三個(gè)階段是自主創(chuàng)新。目前我國風(fēng)電企業(yè)已經(jīng)自主研發(fā)了一些技術(shù)，而且自主研發(fā)的風(fēng)機(jī)已經(jīng)達(dá)到兆瓦級，風(fēng)電裝備制造業(yè)產(chǎn)業(yè)集中度也有了很大提高，國內(nèi)風(fēng)電機(jī)組的市場占有率也呈逐年上升趨勢?？傮w而言，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在我國國內(nèi)仍然具有很好的應(yīng)用前景，風(fēng)力發(fā)電企業(yè)的建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，在整個(gè)發(fā)電行業(yè)中的占比也日益增大，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的單機(jī)容量也日益增多。

2 我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展

2.1關(guān)于我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量以及機(jī)型發(fā)展

目前，我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)最主要的問題時(shí)如何降低發(fā)電成本，提高發(fā)電效率及其運(yùn)行可靠性。風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)是提高發(fā)電效率以及風(fēng)能利用率的關(guān)鍵，因此現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量越來越大。上世紀(jì)80年代中期我國的風(fēng)電機(jī)組容量只有55kW，1990年風(fēng)電機(jī)組容量已經(jīng)有250kW，而1999 年風(fēng)電機(jī)組容量已經(jīng)有2MW，21世紀(jì)風(fēng)電機(jī)組容量已經(jīng)達(dá)到了兆瓦級，2013 年單機(jī)容量已經(jīng)超過15MW。2007年我國1.5MW- 2MW機(jī)型在世界機(jī)組容量的占比是63.7%，到了2014年底已經(jīng)上升到85.3%。

2.2 關(guān)于我國風(fēng)電機(jī)組控制技術(shù)發(fā)展

對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的高效、安全運(yùn)行而言，控制技術(shù)是最為關(guān)鍵的技術(shù)，主要是由于以下幾點(diǎn)原因：①因?yàn)榇髿鉁貪穸?、氣壓等因素的影響，自然風(fēng)速的方向以及大小具有不可控性以及隨機(jī)性，這樣也會影響風(fēng)電機(jī)組獲得風(fēng)能的穩(wěn)定性。②一般大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片直徑處于61-100m左右，這樣雖然可有效提高風(fēng)能的利用率，但是風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動慣量會比較大。③一般具有豐富的風(fēng)力資源的地區(qū)，周圍環(huán)境比較惡劣，無法進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，也沒有人負(fù)責(zé)值班運(yùn)行。因此，對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)要求相對比較高。

很多學(xué)者都開始深入研究風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)以及有效的控制技術(shù)，這對于進(jìn)一步優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域也開始引入計(jì)算機(jī)技術(shù)以及各種先進(jìn)的控制技術(shù)，同時(shí)也開始廣泛應(yīng)用到并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)。以往的風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)采用的是單一的定槳距失速控制技術(shù)，現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)采用的是變速恒頻、變槳距控制技術(shù)，而且控制技術(shù)的智能化程度越來越高。

2.2.1定槳距型風(fēng)力機(jī)和失速型風(fēng)力機(jī)

以往的定槳距型風(fēng)力機(jī)主要是指輪轂固定連接于槳葉，也就是說槳距角不會改變，是相對固定的角度，一旦風(fēng)速出現(xiàn)變化的時(shí)候，槳葉的迎風(fēng)角并不會發(fā)生改變。而失速型主要是在風(fēng)速比額定風(fēng)俗更高的情況下，合理利用槳葉翼型自身具備的失速特性，增加氣流攻角，使其滿足失速條件，這樣槳葉表面就會形成渦流，控制發(fā)電機(jī)輸出功率在某個(gè)范圍。這種失速型風(fēng)力機(jī)操作比較簡單，而且運(yùn)行相對可靠，整個(gè)控制系統(tǒng)比較簡單。但是這種風(fēng)力機(jī)的葉片自重大，塔架、輪轂以及槳葉等部件會承受較大的受力，整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行效率低下，而且運(yùn)行過程中很容易磨損一些關(guān)鍵部件。

2.2.2變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

這是一種新型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，這種風(fēng)電機(jī)組的輸出電壓的相位、幅值以及頻率等和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速并無明顯關(guān)系，發(fā)電機(jī)的輸出功率也不會影響機(jī)組的轉(zhuǎn)速。相較恒速風(fēng)電機(jī)組而言，這種機(jī)組在風(fēng)速較低的情況下，可以實(shí)時(shí)跟蹤風(fēng)速的動態(tài)變化情況，在實(shí)際運(yùn)行過程中，也可以持續(xù)保持最佳的葉尖速，這樣獲得的風(fēng)能是最大的。當(dāng)風(fēng)速較高的情況下，可以通過改變風(fēng)輪轉(zhuǎn)速適當(dāng)調(diào)整風(fēng)力機(jī)槳的距角，這樣不僅可以使風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定、安全運(yùn)行，同時(shí)也可以穩(wěn)定輸出功率。近年來，我國風(fēng)電控制技術(shù)取得了很大的發(fā)展，涌現(xiàn)了很多新的控制技術(shù)，如果機(jī)組輸出功率比額定功率還小的時(shí)候，變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可以應(yīng)用OptitiP 技術(shù)合理調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，這樣可以有效維持葉尖速比處于最佳的狀態(tài)，維持有效的輸出功率。

2.3關(guān)于我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制策略的發(fā)展

因?yàn)轱L(fēng)向、風(fēng)速都具有不定性、隨機(jī)性等特點(diǎn)，因此風(fēng)能的穩(wěn)定性較差，而且能量密度并不高，因此風(fēng)力機(jī)葉片的攻角一直會變化，這樣會導(dǎo)致葉尖速比和最佳值出現(xiàn)較大偏離，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的傳動鏈輸入功率以及空氣動力效率等也會隨之改變，這樣會對整個(gè)風(fēng)電系統(tǒng)的發(fā)電效率造成很大影響，也會導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩傳動鏈出現(xiàn)明顯振蕩，直接影響到電能質(zhì)量，也會影響到接入電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。為了盡可能減少風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的內(nèi)部機(jī)械應(yīng)力，因此常常會選用柔性部件，但是這樣也會使風(fēng)電系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，也會導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩傳動模塊出現(xiàn)較大幅度的振蕩。為了確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性，非常有必要研究有效的控制策略。根據(jù)控制器類型可以將機(jī)組控制策略分為傳統(tǒng)控制方法和現(xiàn)代控制方法兩種。

傳統(tǒng)控制策略主要是利用線性控制的方式，適當(dāng)調(diào)整發(fā)電機(jī)的槳葉節(jié)距角或者電磁轉(zhuǎn)矩確保達(dá)到最佳的葉尖速比，這樣就可以獲得最大的風(fēng)能。但是如果風(fēng)速變化較快的情況下，這種調(diào)節(jié)方式明顯滯后。而且，這種線性化控制方法涉及到的工作范圍比較寬，存在很多不確定因素，而且隨機(jī)擾動比較大，并不適用于不具有線性模型的風(fēng)電系統(tǒng)。

現(xiàn)代控制方法有很多種，主要有智能控制、魯棒控制、變結(jié)構(gòu)控制以及自適應(yīng)控制等。其中智能控制中比較典型的一種方法是模糊控制，這種控制方法可以用語言規(guī)則來代替專家的專業(yè)知識以及經(jīng)驗(yàn)，并不需要被控制對象具備非常精確的數(shù)學(xué)模型，同樣也適用于非線性系統(tǒng)的控制。因?yàn)楹茈y建立精確的風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型，因此目前模糊智能控制方法越來越得到人們的關(guān)注和重視。變結(jié)構(gòu)控制對于系統(tǒng)參數(shù)變化的敏感性并不高，響應(yīng)比較快速，而且設(shè)計(jì)難度較小，比較容易進(jìn)行控制，目前被廣泛應(yīng)用于風(fēng)電系統(tǒng)中。魯棒控制方法可以很好的處理一些多變量問題，其具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，可以直接解決干擾位置系統(tǒng)、參數(shù)不準(zhǔn)確、建模誤差等一系列控制問題。

雖然我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已經(jīng)取得了很大的發(fā)展，但是在實(shí)際應(yīng)用過程中也存在很多問題，比如我國每年需要向國外支付大量技術(shù)咨詢費(fèi)用、生產(chǎn)許可費(fèi)用以及專利費(fèi)用，很多自主研發(fā)的風(fēng)力發(fā)電企業(yè)也需要從國外購買源代碼、數(shù)據(jù)庫以及相關(guān)的應(yīng)用軟件。而且齒輪箱、葉片、軸承等核心零部件的質(zhì)量、應(yīng)用可靠性以及使用壽命和國外同類產(chǎn)品相比仍然存在很大差距。其次，目前我國的電網(wǎng)規(guī)劃以及風(fēng)力發(fā)電發(fā)展規(guī)劃并沒有保持協(xié)調(diào)一致，上網(wǎng)的容量比裝機(jī)容量小很多。因此，未來我國一定要加大自主研發(fā)創(chuàng)新力度，開發(fā)出更多風(fēng)力發(fā)電的核心技術(shù)，進(jìn)一步完善電網(wǎng)建設(shè)，提高風(fēng)力發(fā)電技術(shù)開發(fā)的規(guī)范性，建立一套系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)力發(fā)電規(guī)范管理體系。

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作者簡介：王兆（1985—），男，碩士研究生，經(jīng)濟(jì)師，工作單位：中電投云南國際電力投資有限公司。