劉柯

身份證號：410104197308064537

我國風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀及其技術(shù)發(fā)展

劉柯

身份證號：410104197308064537

從分析我國風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀出發(fā)，在總結(jié)分析風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，對我國風(fēng)電發(fā)展過程中存在的主要問題進(jìn)行了探討分析，提出了相關(guān)建議。

風(fēng)力發(fā)電；現(xiàn)狀；技術(shù)發(fā)展

1　我國風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀

我國自20世紀(jì)80年代中期引進(jìn)55kW容量等級的風(fēng)電機(jī)投入商業(yè)化運(yùn)行開始，經(jīng)過二十幾年的發(fā)展，我國的風(fēng)電市場已經(jīng)獲得了長足的發(fā)展。到2009年底，我國風(fēng)電總裝機(jī)容量達(dá)到2601萬kW，位居世界第二。2009年新增裝機(jī)容量1300萬kW，占世界新增裝機(jī)容量的36%，居世界首位［1］。

2　風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)發(fā)展

2.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)型及容量的發(fā)展

現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢主要在于如何進(jìn)一步提高效率、提高可靠性和降低成本。作為提高風(fēng)能利用率和發(fā)電效率的有效途徑，風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量不斷向大型化發(fā)展。從20世紀(jì)80年代中期的55kW容量等級的風(fēng)電機(jī)組投入商業(yè)化運(yùn)行開始，至1990年達(dá)到250kW，1997年突破1MW，1999年達(dá)到2MW。進(jìn)入21世紀(jì)，兆瓦級風(fēng)力機(jī)逐漸成為國際風(fēng)電市場上的主流產(chǎn)品。2004年德國Repower即研制出第一臺(tái)5MW風(fēng)電機(jī)，Enercon開發(fā)出第二代直驅(qū)式6MW風(fēng)電機(jī)。從世界范圍來看，1.5～2MW的機(jī)型占世界機(jī)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(fēng)電場新安裝的兆瓦級風(fēng)電機(jī)組占當(dāng)年新裝機(jī)容量的21.5%，2009年比例已經(jīng)上升到86.86%［2］。這表明容量風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)成為我國風(fēng)電市場上的主流產(chǎn)品。

2.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)的發(fā)展

控制技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全高效運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)，這是因?yàn)椋?/p>

①自然風(fēng)速的大小和方向隨著大氣的氣壓、氣溫和濕度等的活動(dòng)和風(fēng)電場地形地貌等因素相關(guān)，這樣風(fēng)力機(jī)所獲得的風(fēng)能是隨機(jī)和不可控的。

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

③自動(dòng)控制技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)和脫網(wǎng)、輸入功率的優(yōu)化和限制、風(fēng)輪的主動(dòng)對風(fēng)以及運(yùn)行過程中故障的檢測和保護(hù)中起到很好的作用。

④風(fēng)力資源豐富的地區(qū)通常環(huán)境較為惡劣，在海島和邊遠(yuǎn)的地區(qū)甚至海上，人們希望分散不均的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠無人值班運(yùn)行和遠(yuǎn)程監(jiān)控。這就對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)可靠性提出了很高的要求。

將計(jì)算機(jī)技術(shù)與先進(jìn)的控制技術(shù)應(yīng)用到風(fēng)電領(lǐng)域，并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)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(fēng)力機(jī)指槳葉與輪轂的連接是固定的，即槳距角固定不變，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，槳葉的迎風(fēng)角度固定不變。失速型是當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)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(jī)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(diǎn)是簡單可靠，當(dāng)風(fēng)速變化引起輸出功率變化時(shí)，只通過槳葉的被動(dòng)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(diǎn)是葉片重量大，槳葉、輪轂、塔架等部件受力較大，機(jī)組的整體效率較低，關(guān)鍵部件更容易疲勞磨損。

變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是近年來發(fā)展起來的一種新型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其轉(zhuǎn)速不受發(fā)電機(jī)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(fēng)電機(jī)組相比，它的優(yōu)越性在于：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)，變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)是：輸出功率平穩(wěn)，在額定點(diǎn)具有較高的風(fēng)能利用系數(shù)，具有更好的起動(dòng)性能與制動(dòng)性能，能夠確保高風(fēng)速段的額定功率。

2.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制策略的發(fā)展

風(fēng)能是一種能量密度低、穩(wěn)定性較差的能源，由于風(fēng)速、風(fēng)向的隨機(jī)性變化，導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)葉片攻角不斷變化，使葉尖速比偏離最佳值，風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)力效率及輸入到傳動(dòng)鏈的功率發(fā)生變化，影響了風(fēng)電系統(tǒng)的發(fā)電效率。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常采用柔性部件，這有助于減小內(nèi)部的機(jī)械應(yīng)力，但同時(shí)也會(huì)使風(fēng)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性復(fù)雜化，轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)模塊會(huì)有很大振蕩。目前，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)風(fēng)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(yīng)控制、智能控制等。變結(jié)構(gòu)控制因具有快速響應(yīng)、對系統(tǒng)參數(shù)變化不敏感、設(shè)計(jì)簡單和易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)在風(fēng)電系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

3　存在的問題及展望

首先，我國尚未完全掌握風(fēng)電機(jī)組的核心設(shè)計(jì)及制造技術(shù)。在設(shè)計(jì)技術(shù)方面，我國不僅每年需支付大量的專利、生產(chǎn)許可及技術(shù)咨詢費(fèi)用，在一些具有自主研發(fā)能力的風(fēng)電企業(yè)中，其設(shè)計(jì)所需的應(yīng)用軟件、數(shù)據(jù)庫和源代碼都需要從國外購買。在風(fēng)機(jī)制造方面，風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)、逆變系統(tǒng)需要大量進(jìn)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(fēng)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(yuǎn)小于裝機(jī)容量。風(fēng)電發(fā)展側(cè)重于資源規(guī)劃，風(fēng)電場的建設(shè)往往沒有考慮當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的消納能力，從而造成裝機(jī)容量大。并網(wǎng)發(fā)電少的現(xiàn)狀。

最后，我國風(fēng)電的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范不健全，包括風(fēng)機(jī)制造、檢測、調(diào)試、關(guān)鍵零部件生產(chǎn)及電場入網(wǎng)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)亟需建立和完善。

因此，展望我國未來的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展，必須加強(qiáng)自主創(chuàng)新，掌握核心技術(shù)；必須加大電網(wǎng)建設(shè)力度，合理規(guī)范風(fēng)電開發(fā)；加大政策扶持力度，建立健全統(tǒng)一的風(fēng)電標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。

［1］陳永祥，方征.中國風(fēng)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(fēng)力發(fā)電技術(shù)及其發(fā)展方向［J］.電站系統(tǒng)工程，2006，22（2）：11-13.