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

包那順吉力根 霍領(lǐng)小

一、我國風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀

2005年2月，我國國家立法機(jī)關(guān)通過了《可再生能源法》，明確指出風(fēng)能、太陽能、水能、生物質(zhì)能及海洋能等為可再生能源，確立了可再生能源開發(fā)利用在能源發(fā)展中的優(yōu)先地位。2009年12月，我國政府向世界承諾到2020年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%，把應(yīng)對氣和變化納入經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)劃，大力發(fā)展包括風(fēng)電在內(nèi)的可再生能源與核能，爭取到2020年非化石能源占一次能源消費(fèi)比重達(dá)到15%左右。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)。

我國自上世紀(jì)80年代中期引進(jìn)55kW容量等級(jí)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]?？梢钥闯觯覈L(fēng)電產(chǎn)業(yè)正步入一個(gè)跨越式發(fā)展的階段，預(yù)計(jì)2010年我國累計(jì)裝機(jī)容量有望突破4000萬kW。

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。隨著國內(nèi)5WM容量等級(jí)風(fēng)電產(chǎn)品的相繼下線，以及國內(nèi)兆瓦級(jí)機(jī)組在風(fēng)電市場的普及，標(biāo)志我國已具備兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)的自主研發(fā)能力。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)。

二、風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)發(fā)展

（一）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(jí)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年即達(dá)到2MW。進(jìn)入21世紀(jì)，兆瓦級(jí)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6WM風(fēng)電機(jī)，預(yù)計(jì)2013年單機(jī)容量將突破15MW[1，3]。從世界范圍來看，1.5MW-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%；而在我國，2005年風(fēng)電場新安裝的兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組占當(dāng)年新裝機(jī)容量的21.5%，而2009年比例已經(jīng)上升到86.86%。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。

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

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。

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

3.自動(dòng)控制在風(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)中都應(yīng)得到很好的利用。

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。

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。

（三）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)電效率并引起轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)鏈的振蕩，會(huì)對電能質(zhì)量及接入的電網(wǎng)產(chǎn)生影響，對于小電網(wǎng)甚至?xí)绊懫浞€(wěn)定性。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，且轉(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：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。對于快速變化的風(fēng)速，其調(diào)節(jié)相對滯后。同時(shí)基于某工作點(diǎn)的線性化模型的方法，對于工作范圍較寬、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。

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、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)；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。