風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀及前景探討

黃加明

(湖北工程職業(yè)學(xué)院，湖北 黃石 435003)

風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀及前景探討

黃加明

(湖北工程職業(yè)學(xué)院，湖北 黃石 435003)

風(fēng)電作為一種潔凈、無污染、可再生的綠色新能源，取之不盡，用之不竭。文章介紹了我國和國外風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀，風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)發(fā)展，利用風(fēng)能發(fā)電的優(yōu)越性，以及我國風(fēng)力發(fā)電存在的問題及前景探討。

風(fēng)力發(fā)電；能源；現(xiàn)狀；發(fā)電機(jī)組；控制系統(tǒng)；參數(shù)

0 引 言

隨著世界能源的日益匱乏和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，加之人們對環(huán)境保護(hù)的要求，人們在努力尋找一種能替代石油、天然氣等能源的可再生、環(huán)保、潔凈的綠色能源。風(fēng)能是當(dāng)前最有發(fā)展前景的一種新型能源，它是取之不盡用之不竭的能源，還是一種潔凈、無污染、可再生的綠色能源。風(fēng)能的利用，從風(fēng)車到風(fēng)力發(fā)電，證明了文明和科學(xué)進(jìn)步。綠色和平組織和歐洲風(fēng)能協(xié)會2002年提出了《風(fēng)力12》報告，報告中指出到2020年，世界風(fēng)力發(fā)電將達(dá)到世界電力總需求量的12%，我國電力發(fā)展“十一五”發(fā)展綱要中也指出，中國的風(fēng)力發(fā)電將占世界風(fēng)力發(fā)電總量的14%。風(fēng)力發(fā)電與火力發(fā)電和水力發(fā)電比較，具有單機(jī)容量小、可分散建設(shè)等優(yōu)點。隨著國家對能源需求和環(huán)保要求力度的不斷加大，風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)越和經(jīng)濟(jì)性、實用性等優(yōu)點也必須顯現(xiàn)出來。

1 我國風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀

我國是世界上風(fēng)力資源占用率最高的國家。也是世界上最早利用風(fēng)能的國家之一。據(jù)資料統(tǒng)計，我國10m高度層風(fēng)能資源總量為3 226 GW，其中陸上可開采風(fēng)能總量為253 GW，加上海上風(fēng)力資源，我國可利用風(fēng)力資源近1 000 GW，如果風(fēng)力資源開發(fā)率達(dá)到60%,僅風(fēng)能發(fā)電一項就可支撐我國目前的全部電力需求。

我國利用風(fēng)力發(fā)電起步較晚。和世界上風(fēng)能發(fā)電發(fā)達(dá)國家如德國、美國、西班牙等國相比還有很大差距。風(fēng)力發(fā)電是20世紀(jì)80年代才迅速發(fā)展起來的，發(fā)展初期研制的風(fēng)機(jī)主要為1、10、55、220 kW等多種小型風(fēng)電機(jī)組，后期開始研制開發(fā)可充電型風(fēng)電機(jī)組，并在海島和風(fēng)電場廣泛推廣應(yīng)用。目前有的風(fēng)機(jī)已遠(yuǎn)銷國外。至今，我國已經(jīng)在河北張家口、內(nèi)蒙古、山東榮成、遼寧營口、黑龍江富錦、新疆達(dá)坂城、廣東南澳和海南等地建成了多個大型風(fēng)力發(fā)電場，并且計劃在江蘇南通、灌云及鹽城等地興建GW級風(fēng)電場。截止2007年底，我國風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量已達(dá)到6.05 GW，年發(fā)電量占全國發(fā)電量的0.8%左右，比2000年風(fēng)電發(fā)電量增加了近10倍，我國的風(fēng)力發(fā)電量已躍居世界第5位。下面從控制系統(tǒng)的實現(xiàn)和技術(shù)發(fā)展兩方面來介紹：

從控制系統(tǒng)的實現(xiàn)來說，由19世紀(jì)末第一臺現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在丹麥誕生，到20世紀(jì)80年代初，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣控制系統(tǒng)得以實現(xiàn)，但仍局限于采用模擬電子器件。到了80年代中后期，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及其在控制領(lǐng)域的應(yīng)用，出現(xiàn)了基于微處理器的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣控制系統(tǒng)。步入90年代，隨著微處理器在電力電子、數(shù)據(jù)采集、信號處理、工業(yè)控制等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電氣控制系統(tǒng)往往采用基于單板機(jī)、單片機(jī)或可編程控制器的微機(jī)控制。

我國的風(fēng)力發(fā)電始于20世紀(jì)50年代后期。自上世紀(jì)80年代中期引進(jìn)55 kW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，我國的發(fā)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1 300萬kW，占世界新增裝機(jī)容量的36%，居世界首位?？梢钥闯觯覈L(fēng)電產(chǎn)業(yè)正步入一個跨越式發(fā)展的階段，而2010年我國累計裝機(jī)容量已達(dá)44 773.29萬kW。

從技術(shù)發(fā)展上說，我國風(fēng)電企業(yè)經(jīng)過“引進(jìn)技術(shù)——消化吸收——自主創(chuàng)新”的三步策略也日益發(fā)展壯大。隨著國內(nèi)5 MW容量等級風(fēng)電產(chǎn)品的相繼下線，以及國內(nèi)兆瓦級機(jī)組在風(fēng)電市場的普及，標(biāo)志我國已具備兆瓦級風(fēng)機(jī)的自主研發(fā)能力。同時，我國風(fēng)電裝備制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)集中度進(jìn)一步提高，國產(chǎn)機(jī)組的國內(nèi)市場份額逐年提高。目前我國風(fēng)電機(jī)組整機(jī)制造業(yè)和關(guān)鍵零部件配套企業(yè)已能基本滿足國內(nèi)風(fēng)電發(fā)展需求，但是像變流器、主軸軸承等一些技術(shù)要求較高的部件仍需大量進(jìn)口。因此，我國風(fēng)電裝備制造業(yè)必須增強(qiáng)技術(shù)上的自主創(chuàng)新，加強(qiáng)風(fēng)電核心技術(shù)攻關(guān)，尤其是加強(qiáng)風(fēng)電關(guān)鍵設(shè)備和技術(shù)的攻關(guān)。

2 國外風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展?fàn)顩r

風(fēng)能的開發(fā)利用在國外發(fā)達(dá)國家已相當(dāng)普及，尤其在德國、荷蘭、西班牙、丹麥等西歐國家。風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)中占相當(dāng)比重。20世紀(jì)70年代發(fā)生了世界性的能源危機(jī)，歐美國家政府加大補(bǔ)貼投入，鼓勵開展風(fēng)力發(fā)電事業(yè)。1973年聯(lián)邦德國風(fēng)能資源投入30萬美元，到1980年投資就增至6 800萬美元；美國20世紀(jì)80年代初期安裝了1 700多臺發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量達(dá)到3 MW；1979年丹麥能源部決定給風(fēng)輪機(jī)設(shè)備廠投入補(bǔ)貼，政府撥款建立小型風(fēng)輪機(jī)試驗中心，承擔(dān)風(fēng)輪機(jī)許可證任務(wù)。到20世紀(jì)80年代末，全球共有大型風(fēng)輪機(jī)近2萬臺，總裝機(jī)容量2 GW。國際市場風(fēng)力發(fā)電成本不斷降低，有些條件較好的風(fēng)力風(fēng)電場，機(jī)組發(fā)電成本僅為8美分/kWh，風(fēng)場運(yùn)行維修費為1.5美分/kWh，從當(dāng)前世界風(fēng)力發(fā)電情況來看，無論從風(fēng)機(jī)容量投資、年發(fā)電量、運(yùn)行費用及運(yùn)行穩(wěn)定性等指標(biāo)衡量，200～500 kW的中型風(fēng)電機(jī)組都具有較大競爭力。

3 風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)發(fā)展

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是涉及空氣動力學(xué)、自動控制、機(jī)械傳動、電機(jī)學(xué)、力學(xué)、材料學(xué)等多學(xué)科的綜合性高技術(shù)系統(tǒng)工程。目前在風(fēng)能發(fā)電領(lǐng)域，研究難點和熱點主要集中在風(fēng)電機(jī)組大型化、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的先進(jìn)控制策略和優(yōu)化技術(shù)等方面。

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

目前主流的三大風(fēng)電機(jī)組是：籠型雙速變極異步發(fā)電機(jī)組、繞線式雙饋異步發(fā)電機(jī)組和永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)組。風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量也不斷向大型化發(fā)展。從20世紀(jì)80年代中期的55 kW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250 kW，1997年突破1 mW,1999年即達(dá)到2 mW。進(jìn)入21世紀(jì)，MW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5 mW風(fēng)機(jī)，Enercon式6 mW風(fēng)電機(jī)，預(yù)計2014年單機(jī)容量將突破15 mW。

3.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)

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)，原因是自然風(fēng)速的大小和方向隨著大氣的氣壓、氣溫和濕度等的活動和風(fēng)電場地形地貌等因素的隨機(jī)性和不可控性，這樣風(fēng)力機(jī)所獲得的風(fēng)能也是隨機(jī)和不可控的。此外，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。

控制系統(tǒng)需要監(jiān)控的主要參數(shù)包括以下幾個方面：(1)電力參數(shù)——電網(wǎng)三相電壓、發(fā)電機(jī)輸出的三相電流、電網(wǎng)頻率及發(fā)電機(jī)功率因數(shù)等；(2)風(fēng)力參數(shù)——風(fēng)速、風(fēng)向；(3)機(jī)組狀態(tài)參數(shù)——轉(zhuǎn)速、溫度、電纜扭矩、機(jī)械剎車狀況、機(jī)艙振動、油位；(4)反饋信號——回收葉間擾流器、松開機(jī)械剎車、松開偏航制動器、發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)及脫網(wǎng)后的轉(zhuǎn)速降落信號。

目前絕大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)都選用集散型或分布式(DCS)工業(yè)控制計算機(jī)。有各種功能的專用模塊可供選擇，可以方便地實現(xiàn)就地控制，許多控制模塊可直接布置在控制對象的工作點，就地采集信號進(jìn)行處理；同時DCS現(xiàn)場適應(yīng)性強(qiáng)，便于控制程序現(xiàn)場調(diào)試及在機(jī)組運(yùn)行時刻隨時修改控制參數(shù)。

近年來，隨著智能控制技術(shù)的日益完善和發(fā)展，許多人也將其應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)中。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制過程，以克服微機(jī)控制過程中存在的系統(tǒng)模型的非線性和復(fù)雜性，使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)控制效果。模糊理論得出最優(yōu)蓄電池電壓控制作為發(fā)電機(jī)負(fù)荷的蓄電池電壓來控制發(fā)電機(jī)出力，從而有效地把風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能。應(yīng)用遺傳算法和模糊理論設(shè)計風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳距控制器，利用遺傳算法簡單高效的尋優(yōu)特點對模糊控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

4 利用風(fēng)能發(fā)電的優(yōu)越性

利用風(fēng)能資源發(fā)電，具有良好的發(fā)展前景和其它能源無可比擬的優(yōu)越性。大體可歸納為以下幾點。風(fēng)力發(fā)電是一種干凈無污染的可再生自然資源，取之不盡，用之不竭，沒有常規(guī)能源(煤電、油電、核電)會造成環(huán)境污染的問題；風(fēng)電技術(shù)日趨成熟，產(chǎn)品質(zhì)量可靠，能源可用率達(dá)95%以上；風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性日益提高，發(fā)電成本較低，低于油電和核電，如果計及煤電的環(huán)境保護(hù)及交通運(yùn)輸?shù)韧顿Y，風(fēng)電成本也低于煤電；風(fēng)力風(fēng)電場建設(shè)工期短，單臺機(jī)組安裝方便；投資規(guī)模靈活易操作。

5 風(fēng)力發(fā)電存在的問題及前景

我國的風(fēng)力發(fā)電在發(fā)展的過程也暴露了許多問題。如新產(chǎn)品未經(jīng)嚴(yán)格考核就上批量、上工程，造成浪費。目前我國發(fā)電機(jī)組制造企業(yè)有50多家，多數(shù)是引進(jìn)技術(shù)未經(jīng)認(rèn)真消化吸收就急于批量生產(chǎn)，由于風(fēng)電機(jī)組市場需求發(fā)展很快，新產(chǎn)品組裝后未經(jīng)嚴(yán)格考核，就有企業(yè)找上門來訂貨，生產(chǎn)企業(yè)為了占領(lǐng)市場就急于擴(kuò)大生產(chǎn)上批量，上工程，出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問題就不斷進(jìn)行維修，有的還需反復(fù)吊裝更換零件，長時間不能正常運(yùn)行，設(shè)備效益難以發(fā)揮，同時造成人力物力大量浪費。其次是重復(fù)引進(jìn)，同水平競爭，風(fēng)險加大。隨著風(fēng)電的快速發(fā)展風(fēng)電機(jī)組市場需求增長很快，有實力的裝備制造企業(yè)，蜂擁進(jìn)入風(fēng)電機(jī)組的開發(fā)。新進(jìn)入的企業(yè)缺乏經(jīng)驗和自主研發(fā)能力，急于進(jìn)入，多數(shù)為引進(jìn)許可證生產(chǎn)，國外雷同機(jī)型多家引進(jìn)，造成國內(nèi)企業(yè)在同一水平上機(jī)型競爭。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、測試、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。

根據(jù)我國風(fēng)電發(fā)展預(yù)測，到2020年底全國總裝機(jī)規(guī)模達(dá)到12 000萬kW，到2050年底，全國風(fēng)電總裝機(jī)規(guī)模達(dá)到50 000萬kW，風(fēng)電規(guī)?；l(fā)展，使各項技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)一步增強(qiáng)。風(fēng)電企業(yè)的競爭能力和盈利能力明顯增強(qiáng)。2020年以后化石燃料資源減少，火電成本增加，風(fēng)電具備市場競爭能力，發(fā)展更快。2030年水電資源也大部分開發(fā)完，海上風(fēng)電進(jìn)入大規(guī)模開發(fā)時期，很可能形成東電西送的局面。風(fēng)電以其良好的環(huán)境效益和逐步降低的發(fā)電成本，必將成為本世紀(jì)中國的重要電源。

6 結(jié)束語

風(fēng)力發(fā)電具有既能保證能源的有序利用，又能戰(zhàn)勝全球氣候變化，更有利于全球的環(huán)境資源保護(hù)的優(yōu)點。通過對我國風(fēng)能資源及利用狀況的調(diào)查，我國的風(fēng)能開發(fā)和利用已經(jīng)進(jìn)入一個嶄新時期，尤其是小型風(fēng)機(jī)的生產(chǎn)和應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛，效果也非常不錯，并且前景非常廣闊。我們要充分有效地利用風(fēng)能這種可再生、無污染、環(huán)保節(jié)凈的自然資源，通過致力于風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)創(chuàng)新與科研開發(fā)，使我國的風(fēng)力發(fā)電得到長足發(fā)展，使風(fēng)電在我國得到更加廣泛的應(yīng)用。我國把握機(jī)遇，加快能源結(jié)構(gòu)調(diào)整。在積極實現(xiàn)火電、水電、核電及潮汐能源、生物能源等多種能源發(fā)展過程中，實現(xiàn)風(fēng)能服務(wù)于人類的特殊使命。

[1] 張明鋒,等.中國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].機(jī)電工程，2010(1).

[2] 姚興佳,等.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)[J].控制與決策，1997(7).

[3] 許洪華,等.世界風(fēng)電技術(shù)發(fā)展趨勢和我國未來風(fēng)電發(fā)展探討[J].電力設(shè)備，2005(6).

[4] 謝 田.帶蓄電池的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的模糊控制[J].新能源，1998年(20).

Discussion on Current Situation and Prospects for Wind Power

HUANG Jia-ming

(Hubei Engineering Vocational College, Huangshi 435003, Hubei Province, China)

Wind power as a clean, non-polluting, renewable green energy, inexhaustible. This paper introduces the present situation and development of China's foreign wind power, wind power technology development, discusses the advantages of the use of wind power, and the problems and prospects of China's wind power exists.

Wind power; Energy; The status quo; Generators; Control system; Parameters

2015-03-10

2015-03-20

黃加明(1967-)，男，湖北黃石人，副教授，電氣工程師，主要從事電氣自動化專業(yè)教學(xué)。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.04.012

TK89

B

1009-3230(2015)04-0047-04