淺談我國風力發電現狀及其技術發展

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一、我國風力發電的現狀

2005年2月，我國國家立法機關通過了《可再生能源法》，明確指出風能、太陽能、水能、生物質能及海洋能等為可再生能源，確立了可再生能源開發利用在能源發展中的優先地位。2009年12月，我國政府向世界承諾到2020年單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%，把應對氣和變化納入經濟社會發展規劃，大力發展包括風電在內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比重達到15%左右。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。

我國自上世紀80年代中期引進55kW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，我國的風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1300萬kW，占世界新增裝機容量的36%，居世界首位[1，2]?？梢钥闯觯覈L電產業正步入一個跨越式發展的階段，預計2010年我國累計裝機容量有望突破4000萬kW。

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。隨著國內5WM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。

二、風力發電的技術發展

（一）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。從20世紀80年代中期的55kW容量等級的風電機組投入商業化運行開始，至1990年達到250kW，1997年突破1MW，1999年即達到2MW。進入21世紀，兆瓦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5MW風電機，Enercon開發出第二代直驅式6WM風電機，預計2013年單機容量將突破15MW[1，3]。從世界范圍來看，1.5MW-2MW的機型占世界機組容量的比例，已從2007年的63.7%飛速上升到80.4%；而在我國，2005年風電場新安裝的兆瓦級風電機組占當年新裝機容量的21.5%，而2009年比例已經上升到86.86%。這表明容量風電機組已經成為我國風電市場上的主流產品。

（二）風力發電機組控制技術的發展

1.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。

2.為使風能利用率更高，大型風力發電機組的葉片直徑大約在60m～100m之間，因此風輪具有較大的轉動慣量。

3.自動控制在風力發電機組的并網和脫網、輸入功率的優化和限制、風輪的主動對風以及運行過程中故障的檢測和保護中都應得到很好的利用。

4.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。

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。

（三）風力發電機組控制策略的發展

風能是一種能量密度低、穩定性較差的能源，由于風速、風向的隨機性變化，導致風力機葉片攻角不斷變化，使葉尖速比偏離最佳值，風力機的空氣動力效率及輸入到傳動鏈的功率發生變化，影響了風電系統的發電效率并引起轉矩傳動鏈的振蕩，會對電能質量及接入的電網產生影響，對于小電網甚至會影響其穩定性。風力發電機組通常采用柔性部件，這有助于減小內部的機械應力，但同時也會使風電系統的動態特性復雜化，且轉矩傳動模塊會有很大振蕩。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。

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。