風力發電的發展現狀及前景探討

黃加明

(湖北工程職業學院，湖北 黃石 435003)

風力發電的發展現狀及前景探討

黃加明

(湖北工程職業學院，湖北 黃石 435003)

風電作為一種潔凈、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力發電的發展現狀，風力發電的技術發展，利用風能發電的優越性，以及我國風力發電存在的問題及前景探討。

風力發電；能源；現狀；發電機組；控制系統；參數

0 引 言

隨著世界能源的日益匱乏和科學技術的迅速發展，加之人們對環境保護的要求，人們在努力尋找一種能替代石油、天然氣等能源的可再生、環保、潔凈的綠色能源。風能是當前最有發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。風能的利用，從風車到風力發電，證明了文明和科學進步。綠色和平組織和歐洲風能協會2002年提出了《風力12》報告，報告中指出到2020年，世界風力發電將達到世界電力總需求量的12%，我國電力發展“十一五”發展綱要中也指出，中國的風力發電將占世界風力發電總量的14%。風力發電與火力發電和水力發電比較，具有單機容量小、可分散建設等優點。隨著國家對能源需求和環保要求力度的不斷加大，風力發電的優越和經濟性、實用性等優點也必須顯現出來。

1 我國風力發電的發展現狀

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

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

從控制系統的實現來說，由19世紀末第一臺現代風力發電機組在丹麥誕生，到20世紀80年代初，風力發電機組電氣控制系統得以實現，但仍局限于采用模擬電子器件。到了80年代中后期，隨著計算機技術的發展及其在控制領域的應用，出現了基于微處理器的風力發電機組電氣控制系統。步入90年代，隨著微處理器在電力電子、數據采集、信號處理、工業控制等領域的廣泛應用，風力發電機組的電氣控制系統往往采用基于單板機、單片機或可編程控制器的微機控制。

我國的風力發電始于20世紀50年代后期。自上世紀80年代中期引進55 kW容量等級的風電機投入商業化運行開始，經過二十幾年的發展，我國的發電市場已經獲得了長足的發展。到2009年底，我國風電總裝機容量達到2601萬kW，位居世界第二，2009年新增裝機容量1 300萬kW，占世界新增裝機容量的36%，居世界首位。可以看出，我國風電產業正步入一個跨越式發展的階段，而2010年我國累計裝機容量已達44 773.29萬kW。

從技術發展上說，我國風電企業經過“引進技術——消化吸收——自主創新”的三步策略也日益發展壯大。隨著國內5 MW容量等級風電產品的相繼下線，以及國內兆瓦級機組在風電市場的普及，標志我國已具備兆瓦級風機的自主研發能力。同時，我國風電裝備制造業的產業集中度進一步提高，國產機組的國內市場份額逐年提高。目前我國風電機組整機制造業和關鍵零部件配套企業已能基本滿足國內風電發展需求，但是像變流器、主軸軸承等一些技術要求較高的部件仍需大量進口。因此，我國風電裝備制造業必須增強技術上的自主創新，加強風電核心技術攻關，尤其是加強風電關鍵設備和技術的攻關。

2 國外風力發電的發展狀況

風能的開發利用在國外發達國家已相當普及，尤其在德國、荷蘭、西班牙、丹麥等西歐國家。風力發電在電網中占相當比重。20世紀70年代發生了世界性的能源危機，歐美國家政府加大補貼投入，鼓勵開展風力發電事業。1973年聯邦德國風能資源投入30萬美元，到1980年投資就增至6 800萬美元；美國20世紀80年代初期安裝了1 700多臺發電機組，總裝機容量達到3 MW；1979年丹麥能源部決定給風輪機設備廠投入補貼，政府撥款建立小型風輪機試驗中心，承擔風輪機許可證任務。到20世紀80年代末，全球共有大型風輪機近2萬臺，總裝機容量2 GW。國際市場風力發電成本不斷降低，有些條件較好的風力風電場，機組發電成本僅為8美分/kWh，風場運行維修費為1.5美分/kWh，從當前世界風力發電情況來看，無論從風機容量投資、年發電量、運行費用及運行穩定性等指標衡量，200～500 kW的中型風電機組都具有較大競爭力。

3 風力發電的技術發展

風力發電技術是涉及空氣動力學、自動控制、機械傳動、電機學、力學、材料學等多學科的綜合性高技術系統工程。目前在風能發電領域，研究難點和熱點主要集中在風電機組大型化、風力發電機組的先進控制策略和優化技術等方面。

3.1 風力發電機組機型及容量的發展

目前主流的三大風電機組是：籠型雙速變極異步發電機組、繞線式雙饋異步發電機組和永磁直驅同步發電機組。風力發電機單機容量也不斷向大型化發展。從20世紀80年代中期的55 kW容量等級的風電機組投入商業化運行開始，至1990年達到250 kW，1997年突破1 mW,1999年即達到2 mW。進入21世紀，MW級風力機逐漸成為國際風電市場上的主流產品。2004年德國Repower即研制出第一臺5 mW風機，Enercon式6 mW風電機，預計2014年單機容量將突破15 mW。

3.2 風力發電機組的控制系統

控制技術是風力發電機組安全高效運行的關鍵技術，原因是自然風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電場地形地貌等因素的隨機性和不可控性，這樣風力機所獲得的風能也是隨機和不可控的。此外，風力資源豐富的地區通常環境較為惡劣，在海島和邊遠的地區甚至海上，人們希望分散不均的風力發電機組能夠無人值班運行和遠程監控。這就對風力發電機組的控制系統可靠性提出了很高的要求。

控制系統需要監控的主要參數包括以下幾個方面：(1)電力參數——電網三相電壓、發電機輸出的三相電流、電網頻率及發電機功率因數等；(2)風力參數——風速、風向；(3)機組狀態參數——轉速、溫度、電纜扭矩、機械剎車狀況、機艙振動、油位；(4)反饋信號——回收葉間擾流器、松開機械剎車、松開偏航制動器、發電機脫網及脫網后的轉速降落信號。

目前絕大多數風力發電機組的控制系統都選用集散型或分布式(DCS)工業控制計算機。有各種功能的專用模塊可供選擇，可以方便地實現就地控制，許多控制模塊可直接布置在控制對象的工作點，就地采集信號進行處理；同時DCS現場適應性強，便于控制程序現場調試及在機組運行時刻隨時修改控制參數。

近年來，隨著智能控制技術的日益完善和發展，許多人也將其應用于風力發電控制系統中。將神經網絡控制方法用于風力發電系統的控制過程，以克服微機控制過程中存在的系統模型的非線性和復雜性，使系統達到最優控制效果。模糊理論得出最優蓄電池電壓控制作為發電機負荷的蓄電池電壓來控制發電機出力，從而有效地把風能轉換為電能。應用遺傳算法和模糊理論設計風力發電機變槳距控制器，利用遺傳算法簡單高效的尋優特點對模糊控制器的結構和參數進行優化設計。

4 利用風能發電的優越性

利用風能資源發電，具有良好的發展前景和其它能源無可比擬的優越性。大體可歸納為以下幾點。風力發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，沒有常規能源(煤電、油電、核電)會造成環境污染的問題；風電技術日趨成熟，產品質量可靠，能源可用率達95%以上；風力發電的經濟性日益提高，發電成本較低，低于油電和核電，如果計及煤電的環境保護及交通運輸等投資，風電成本也低于煤電；風力風電場建設工期短，單臺機組安裝方便；投資規模靈活易操作。

5 風力發電存在的問題及前景

我國的風力發電在發展的過程也暴露了許多問題。如新產品未經嚴格考核就上批量、上工程，造成浪費。目前我國發電機組制造企業有50多家，多數是引進技術未經認真消化吸收就急于批量生產，由于風電機組市場需求發展很快，新產品組裝后未經嚴格考核，就有企業找上門來訂貨，生產企業為了占領市場就急于擴大生產上批量，上工程，出現產品質量問題就不斷進行維修，有的還需反復吊裝更換零件，長時間不能正常運行，設備效益難以發揮，同時造成人力物力大量浪費。其次是重復引進，同水平競爭，風險加大。隨著風電的快速發展風電機組市場需求增長很快，有實力的裝備制造企業，蜂擁進入風電機組的開發。新進入的企業缺乏經驗和自主研發能力，急于進入，多數為引進許可證生產，國外雷同機型多家引進，造成國內企業在同一水平上機型競爭。最后，我國風電的技術標準和規范不健全，包括風機制造、檢測、測試、關鍵零部件生產及電場入網等相關標準亟需建立和完善。

根據我國風電發展預測，到2020年底全國總裝機規模達到12 000萬kW，到2050年底，全國風電總裝機規模達到50 000萬kW，風電規模化發展，使各項技術經濟指標進一步增強。風電企業的競爭能力和盈利能力明顯增強。2020年以后化石燃料資源減少，火電成本增加，風電具備市場競爭能力，發展更快。2030年水電資源也大部分開發完，海上風電進入大規模開發時期，很可能形成東電西送的局面。風電以其良好的環境效益和逐步降低的發電成本，必將成為本世紀中國的重要電源。

6 結束語

風力發電具有既能保證能源的有序利用，又能戰勝全球氣候變化，更有利于全球的環境資源保護的優點。通過對我國風能資源及利用狀況的調查，我國的風能開發和利用已經進入一個嶄新時期，尤其是小型風機的生產和應用已經相當廣泛，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能這種可再生、無污染、環保節凈的自然資源，通過致力于風力發電的技術創新與科研開發，使我國的風力發電得到長足發展，使風電在我國得到更加廣泛的應用。我國把握機遇，加快能源結構調整。在積極實現火電、水電、核電及潮汐能源、生物能源等多種能源發展過程中，實現風能服務于人類的特殊使命。

[1] 張明鋒,等.中國風電產業現狀與發展[J].機電工程，2010(1).

[2] 姚興佳,等.基于神經網絡的風力發電控制系統[J].控制與決策，1997(7).

[3] 許洪華,等.世界風電技術發展趨勢和我國未來風電發展探討[J].電力設備，2005(6).

[4] 謝 田.帶蓄電池的風力發電機組的模糊控制[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教學。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.04.012

TK89

B

1009-3230(2015)04-0047-04