關于我國風力發電技術的現狀及發展的思考

王兆 王海軍

【摘 要】近年來我國社會經濟得到了飛速發展，人們對于電力的需求也與日俱增，目前傳統的火力發電仍然是我國最主要的發電方式，但是火力發電需要的能源已經陷入枯竭狀態。其他的發電方式也因為可利用資源明顯不足，環境污染嚴重等問題也無法大范圍推廣應用，風力發電技術具有清潔、低污染、造價低、占地少等諸多優點，目前已經引起全國各地的高度重視。本文主要分析了當前我國風力發電技術現狀及其發展，并且分析了我國風力發電技術發展問題及未來發展展望。

【關鍵詞】風力發電技術 現狀 發展

環境污染、能源短缺問題已經成為全球性問題，嚴重威脅了人們的生存和發展，目前全球各國都提出了低碳環保理念，基于此背景下，社會也在積極開發、推廣新的環保能源。風能是一種清潔、可再生、能量大、無污染能源，而且開發技術也已經相對成熟，目前已經得到世界各國的廣泛關注和重視。風力發電是目前和常規電力最接近，發展前景最大的一種可再生能源發電方式，也會成為未來主要的發電方式之一。我國的風能資源極為豐富，而且分布面積較廣，具有很大的開發利用潛力，但是目前我國對于風力資源的有效利用率遠遠不及國外一些國家。下面筆者主要總結了當前我國風力發電技術的現狀及其發展，并且對風力發電技術的未來發展提出了一些看法。

1 當前我國風力發電技術的現狀分析

我國擁有很多的風力資源，但是對其的利用率并不高，如果可以合理、有效利用風力的能量進行發電，相信可以為人們的生活帶來很多便利。根據2005年2月我國頒布的《可再生能源法》以及相關的政策規定，我國已經將新能源作為我國新興產業戰略規劃。其中風力發電產業得到了飛速發展，很有可能會成為促進我國國民經濟增長的新亮點。我國最早的風力發電機是在20世紀80年代中期引進的，通過多年來的發展，我國國內風力發電市場已經取得了很大的發展，我國的風電總裝機容量截止到2009年底已經有2600.8 萬kW，截止到2014年底，風電總裝機容量高達4.4億KW。由此可見，風電產業在我國的發展相當迅猛。

我國風電企業主要經歷了三個階段，第一個階段是引進技術，第二個階段是消化吸收，第三個階段是自主創新。目前我國風電企業已經自主研發了一些技術，而且自主研發的風機已經達到兆瓦級，風電裝備制造業產業集中度也有了很大提高，國內風電機組的市場占有率也呈逐年上升趨勢。總體而言，風力發電技術在我國國內仍然具有很好的應用前景，風力發電企業的建設規模不斷擴大，在整個發電行業中的占比也日益增大，風力發電技術的單機容量也日益增多。

2 我國風力發電技術的發展

2.1關于我國風力發電機組容量以及機型發展

目前，我國風力發電技術最主要的問題時如何降低發電成本，提高發電效率及其運行可靠性。風力發電機單機是提高發電效率以及風能利用率的關鍵，因此現代風力發電機單機容量越來越大。上世紀80年代中期我國的風電機組容量只有55kW，1990年風電機組容量已經有250kW，而1999 年風電機組容量已經有2MW，21世紀風電機組容量已經達到了兆瓦級，2013 年單機容量已經超過15MW。2007年我國1.5MW- 2MW機型在世界機組容量的占比是63.7%，到了2014年底已經上升到85.3%。

2.2 關于我國風電機組控制技術發展

對于風力發電機組的高效、安全運行而言，控制技術是最為關鍵的技術，主要是由于以下幾點原因：①因為大氣溫濕度、氣壓等因素的影響，自然風速的方向以及大小具有不可控性以及隨機性，這樣也會影響風電機組獲得風能的穩定性。②一般大型風力發電機組葉片直徑處于61-100m左右，這樣雖然可有效提高風能的利用率，但是風輪的轉動慣量會比較大。③一般具有豐富的風力資源的地區，周圍環境比較惡劣，無法進行遠程監控，也沒有人負責值班運行。因此，對于風力發電機組的控制技術要求相對比較高。

很多學者都開始深入研究風力發電控制系統以及有效的控制技術，這對于進一步優化風力發電機組運行具有非常重要的現實意義。隨著互聯網技術的不斷發展，風力發電領域也開始引入計算機技術以及各種先進的控制技術，同時也開始廣泛應用到并網運行的風力發電控制技術。以往的風力發電控制技術采用的是單一的定槳距失速控制技術，現代風力發電控制技術采用的是變速恒頻、變槳距控制技術，而且控制技術的智能化程度越來越高。

2.2.1定槳距型風力機和失速型風力機

以往的定槳距型風力機主要是指輪轂固定連接于槳葉，也就是說槳距角不會改變，是相對固定的角度，一旦風速出現變化的時候，槳葉的迎風角并不會發生改變。而失速型主要是在風速比額定風俗更高的情況下，合理利用槳葉翼型自身具備的失速特性，增加氣流攻角，使其滿足失速條件，這樣槳葉表面就會形成渦流，控制發電機輸出功率在某個范圍。這種失速型風力機操作比較簡單，而且運行相對可靠，整個控制系統比較簡單。但是這種風力機的葉片自重大，塔架、輪轂以及槳葉等部件會承受較大的受力，整個機組的運行效率低下，而且運行過程中很容易磨損一些關鍵部件。

2.2.2變速恒頻風力發電機組

這是一種新型的風力發電系統，這種風電機組的輸出電壓的相位、幅值以及頻率等和轉子的轉速并無明顯關系，發電機的輸出功率也不會影響機組的轉速。相較恒速風電機組而言，這種機組在風速較低的情況下，可以實時跟蹤風速的動態變化情況，在實際運行過程中，也可以持續保持最佳的葉尖速，這樣獲得的風能是最大的。當風速較高的情況下，可以通過改變風輪轉速適當調整風力機槳的距角，這樣不僅可以使風電機組穩定、安全運行，同時也可以穩定輸出功率。近年來，我國風電控制技術取得了很大的發展，涌現了很多新的控制技術，如果機組輸出功率比額定功率還小的時候，變槳距風力發電機組可以應用OptitiP 技術合理調節發電機的轉差率，這樣可以有效維持葉尖速比處于最佳的狀態，維持有效的輸出功率。

2.3關于我國風力發電機組控制策略的發展

因為風向、風速都具有不定性、隨機性等特點，因此風能的穩定性較差，而且能量密度并不高，因此風力機葉片的攻角一直會變化，這樣會導致葉尖速比和最佳值出現較大偏離，風力發電機的傳動鏈輸入功率以及空氣動力效率等也會隨之改變，這樣會對整個風電系統的發電效率造成很大影響，也會導致轉矩傳動鏈出現明顯振蕩，直接影響到電能質量，也會影響到接入電網運行的穩定性。為了盡可能減少風力發電機組的內部機械應力，因此常常會選用柔性部件，但是這樣也會使風電系統變得更加復雜，也會導致轉矩傳動模塊出現較大幅度的振蕩。為了確保風力發電機組運行的穩定性，非常有必要研究有效的控制策略。根據控制器類型可以將機組控制策略分為傳統控制方法和現代控制方法兩種。

傳統控制策略主要是利用線性控制的方式，適當調整發電機的槳葉節距角或者電磁轉矩確保達到最佳的葉尖速比，這樣就可以獲得最大的風能。但是如果風速變化較快的情況下，這種調節方式明顯滯后。而且，這種線性化控制方法涉及到的工作范圍比較寬，存在很多不確定因素，而且隨機擾動比較大，并不適用于不具有線性模型的風電系統。

現代控制方法有很多種，主要有智能控制、魯棒控制、變結構控制以及自適應控制等。其中智能控制中比較典型的一種方法是模糊控制，這種控制方法可以用語言規則來代替專家的專業知識以及經驗，并不需要被控制對象具備非常精確的數學模型，同樣也適用于非線性系統的控制。因為很難建立精確的風力發電機數學模型，因此目前模糊智能控制方法越來越得到人們的關注和重視。變結構控制對于系統參數變化的敏感性并不高，響應比較快速，而且設計難度較小，比較容易進行控制，目前被廣泛應用于風電系統中。魯棒控制方法可以很好的處理一些多變量問題，其具有很強的穩定性，可以直接解決干擾位置系統、參數不準確、建模誤差等一系列控制問題。

雖然我國風力發電技術已經取得了很大的發展，但是在實際應用過程中也存在很多問題，比如我國每年需要向國外支付大量技術咨詢費用、生產許可費用以及專利費用，很多自主研發的風力發電企業也需要從國外購買源代碼、數據庫以及相關的應用軟件。而且齒輪箱、葉片、軸承等核心零部件的質量、應用可靠性以及使用壽命和國外同類產品相比仍然存在很大差距。其次，目前我國的電網規劃以及風力發電發展規劃并沒有保持協調一致，上網的容量比裝機容量小很多。因此，未來我國一定要加大自主研發創新力度，開發出更多風力發電的核心技術，進一步完善電網建設，提高風力發電技術開發的規范性，建立一套系統、標準的風力發電規范管理體系。

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作者簡介：王兆（1985—），男，碩士研究生，經濟師，工作單位：中電投云南國際電力投資有限公司。