淺談我國風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀和技術(shù)發(fā)展展望

王宏偉

摘要：能源、環(huán)境是當(dāng)今人類生存和發(fā)展所要解決的緊迫問題。風(fēng)電是可再生、無污染、能量大、前景廣的能源，大力發(fā)展風(fēng)電這一清潔能源已成為世界各國的戰(zhàn)略選擇。隨著國家新能源發(fā)展戰(zhàn)略的提出和實(shí)施，我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)進(jìn)入跨越式發(fā)展的階段。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；現(xiàn)狀；技術(shù)發(fā)展

常規(guī)能源以煤、石油、天然氣為主，它不僅資源有限，而且造成了嚴(yán)重的大氣污染。因此，對(duì)可再生能源的開發(fā)利用，特別是對(duì)風(fēng)能的開發(fā)利用，已受到世界各國的高度重視。風(fēng)電是可再生、無污染、能量大、前景廣的能源，大力發(fā)展風(fēng)電這一清潔能源已成為世界各國的戰(zhàn)略選擇。我國風(fēng)能儲(chǔ)量很大、分布面廣，開發(fā)利用潛力巨大。近年來我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)及技術(shù)水平發(fā)展迅猛，但同時(shí)也暴露出一些問題?？偨Y(jié)我國風(fēng)電現(xiàn)狀及其技術(shù)發(fā)展，對(duì)進(jìn)一步推動(dòng)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)及技術(shù)的健康可持續(xù)發(fā)展具有重要的參考價(jià)值。

一、我國風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀

隨著新能源產(chǎn)業(yè)成為國家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)規(guī)劃的出臺(tái)，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，有望成為我國國民經(jīng)濟(jì)增長的一個(gè)新亮點(diǎn)。從技術(shù)發(fā)展上來說，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。

同時(shí)，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(chǎng)份額逐年提高。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)。

二、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(dòng)力學(xué)、自動(dòng)控制、機(jī)械傳動(dòng)、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(diǎn)和熱點(diǎn)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。

1、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)型及容量的發(fā)展?，F(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢(shì)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。容量風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)成為我國風(fēng)電市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品。

2、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)的發(fā)展?？刂萍夹g(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)，因此，眾多學(xué)者都致力于深入研究風(fēng)力發(fā)電的控制技術(shù)和控制系統(tǒng)，這些研究工作對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行有極其重要的意義。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，也使得這些關(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)，使輸出功率更加平穩(wěn)。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過勵(lì)磁控制和變槳距調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)最佳運(yùn)行狀態(tài)。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。

3、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制策略的發(fā)展。目前，對(duì)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：基于數(shù)學(xué)模型的傳統(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。對(duì)于快速變化的風(fēng)速，其調(diào)節(jié)相對(duì)滯后。同時(shí)基于某工作點(diǎn)的線性化模型的方法，對(duì)于工作范圍較寬、隨機(jī)擾動(dòng)大、不確定因素多、非線性嚴(yán)重的風(fēng)電系統(tǒng)并不適用?，F(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(duì)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)而在風(fēng)電系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。魯棒控制具有處理多變量問題的能力，對(duì)于具有建模誤差、參數(shù)不準(zhǔn)確和干擾位置系統(tǒng)的控制問題，在強(qiáng)穩(wěn)定性的魯棒控制中可得到直接解決。模糊控制是一種典型的智能控制方法，其最大的特點(diǎn)是將專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)表示為語言規(guī)則用于控制，不依賴于被控制對(duì)象的精確的數(shù)學(xué)模型，能夠克服非線性因素的影響，對(duì)被調(diào)節(jié)對(duì)象有較強(qiáng)的魯棒性。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的精確數(shù)學(xué)模型難以建立，模糊控制非常適合于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制，越來越受到風(fēng)電研究人員的重視。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是以工程技術(shù)手段來模擬人腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與特征的系統(tǒng)。利用神經(jīng)元可以構(gòu)成各種不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它是生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一種模擬和近似。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)特性，可用于風(fēng)力機(jī)的低風(fēng)速的節(jié)距控制。

三、存在的問題及展望

盡管近年來我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)得到了迅猛的發(fā)展，但同時(shí)也暴露出眾多的問題。

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，同時(shí)，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(chǎng)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。2009年新增裝機(jī)容量中1/3未能上網(wǎng)，送電難已經(jīng)成為制約風(fēng)電發(fā)展的瓶頸。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(cè)、調(diào)試、關(guān)鍵零部件生產(chǎn)及電場(chǎng)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)；必須加大政策扶持力度，建立健全完善統(tǒng)一的風(fēng)電標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。