淺談我國風力發電的現狀和技術發展展望

王宏偉

摘要：能源、環境是當今人類生存和發展所要解決的緊迫問題。風電是可再生、無污染、能量大、前景廣的能源，大力發展風電這一清潔能源已成為世界各國的戰略選擇。隨著國家新能源發展戰略的提出和實施，我國風電產業進入跨越式發展的階段。

關鍵詞：風力發電；現狀；技術發展

常規能源以煤、石油、天然氣為主，它不僅資源有限，而且造成了嚴重的大氣污染。因此，對可再生能源的開發利用，特別是對風能的開發利用，已受到世界各國的高度重視。風電是可再生、無污染、能量大、前景廣的能源，大力發展風電這一清潔能源已成為世界各國的戰略選擇。我國風能儲量很大、分布面廣，開發利用潛力巨大。近年來我國風電產業及技術水平發展迅猛，但同時也暴露出一些問題。總結我國風電現狀及其技術發展，對進一步推動風電產業及技術的健康可持續發展具有重要的參考價值。

一、我國風力發電的現狀

隨著新能源產業成為國家戰略新興產業規劃的出臺，風電產業迅猛發展，有望成為我國國民經濟增長的一個新亮點。從技術發展上來說，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。

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。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。

二、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。

1、風力發電機組機型及容量的發展。現代風力發電技術面臨的挑戰及發展趨勢主要在于如何進一步提高效率、提高可靠性和降低成本。作為提高風能利用率和發電效率的有效途徑，風力發電機單機容量不斷向大型化發展。容量風電機組已經成為我國風電市場上的主流產品。

2、風力發電機組控制技術的發展。控制技術是風力發電機組安全高效運行的關鍵技術，因此，眾多學者都致力于深入研究風力發電的控制技術和控制系統，這些研究工作對于風力發電機組優化運行有極其重要的意義。計算機技術與先進的控制技術應用到風電領域，并網運行的風力發電控制技術得到了較快發展，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展，甚至向智能型控制發展。

定槳距型風力機指槳葉與輪轂的連接是固定的，即槳距角固定不變，當風速變化時，槳葉的迎風角度固定不變。失速型是當風速高于額定風速，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，使槳葉的表面產生渦流，將發電機的功率輸出限制在一定范圍內。失速調節型的優點是簡單可靠，當風速變化引起輸出功率變化時，只通過槳葉的被動失速調節而控制系統不做任何控制，使控制系統大為簡化。其缺點是葉片重量大，槳葉、輪轂、塔架等部件受力較大，機組的整體效率較低，也使得這些關鍵部件更容易疲勞磨損。

變速恒頻風力發電機組是近年來發展起來的一種新型風力發電系統，其轉速不受發電機輸出功率的限制，而其輸出電壓的頻率、幅值和相位也不受轉子轉速的影響。與恒速風電機組相比，它的優越性在于：低風速時能夠跟蹤風速變化，在運行中保持最佳葉尖速比以獲得最大風能；高風速時利用風輪轉速的變化調節風力機槳距角，在保證風電機組安全穩定運行的同時，使輸出功率更加平穩。變速恒頻風力發電機組通過勵磁控制和變槳距調節來實現最佳運行狀態。變槳距風力發電機組的優點是：輸出功率平穩，在額定點具有較高的風能利用系數，具有更好的起動性能與制動性能，能夠確保高風速段的額定功率。

3、風力發電機組控制策略的發展。目前，對風力發電機的控制策略研究根據控制器類型可分為兩大類：基于數學模型的傳統控制方法和現代控制方法。傳統控制采用線性控制方法，通過調節發電機電磁轉矩或槳葉節距角，使葉尖速比保持最優值，從而實現風能的最大捕獲。對于快速變化的風速，其調節相對滯后。同時基于某工作點的線性化模型的方法，對于工作范圍較寬、隨機擾動大、不確定因素多、非線性嚴重的風電系統并不適用。現代控制方法主要包括變結構控制、魯棒控制、自適應控制、智能控制等。變結構控制因具有快速響應、對系統參數變化不敏感、設計簡單和易于實現等優點而在風電系統中得到廣泛應用。魯棒控制具有處理多變量問題的能力，對于具有建模誤差、參數不準確和干擾位置系統的控制問題，在強穩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，其最大的特點是將專家的知識和經驗表示為語言規則用于控制，不依賴于被控制對象的精確的數學模型，能夠克服非線性因素的影響，對被調節對象有較強的魯棒性。由于風力發電機的精確數學模型難以建立，模糊控制非常適合于風力發電機組的控制，越來越受到風電研究人員的重視。人工神經網絡是以工程技術手段來模擬人腦神經元網絡的結構與特征的系統。利用神經元可以構成各種不同的拓撲結構的神經網絡，它是生物神經網絡的一種模擬和近似。利用神經網絡的學習特性，可用于風力機的低風速的節距控制。

三、存在的問題及展望

盡管近年來我國風電產業得到了迅猛的發展，但同時也暴露出眾多的問題。

首先，我國尚未完全掌握風電機組的核心設計及制造技術。在設計技術方面，我國不僅每年需支付大量的專利、生產許可及技術咨詢費用，在一些具有自主研發能力的風電企業中，其設計所需的應用軟件、數據庫和源代碼都需要從國外購買。在風機制造方面，風機控制系統、逆變系統需要大量進口，同時，一些核心零部件如軸承、葉片和齒輪箱等與國外同類產品相比其質量、壽命及可靠性尚有很大差距。其次，我國風電發展規劃與電網規劃不相協調，上網容量遠小于裝機容量。風電發展側重于資源規劃，風電場的建設往往沒有考慮當地電網的消納能力，從而造成裝機容量大，并網發電少的現狀。2009年新增裝機容量中1/3未能上網，送電難已經成為制約風電發展的瓶頸。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、調試、關鍵零部件生產及電場入網等相關標準亟需建立和完善。因此，展望我國未來的風電產業發展，必須加強自主創新掌握核心技術；必須加大電網建設力度，合理規范風電開發；必須加大政策扶持力度，建立健全完善統一的風電標準規范體系。