我國風力發電現狀及其技術發展論文
我國風力發電現狀及其技術發展論文
摘 要：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。本文從分析我國風力發電的現狀出發，在總結分析風力發電技術發展的基礎上，對我國風電發展過程中存在的主要問題進行了探討分析，提出了相關建議。
關鍵詞：風力發電；現狀；技術發展
能源、環境是當今人類生存和發展所要解決的緊迫問題。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汙染。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、無汙染、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、分佈面廣，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。
1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年非化石能源佔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執行開始，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，佔世界新增裝機容量的36%，居世界首位[1,2]。可以看出，我國風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，標誌我國已具備兆瓦級風機的自主研發能力。同時，我國風電裝備製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，我國風電裝備製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裝置和技術的攻關。
2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最佳化技術等方面。
2.1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於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執行開始，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即研製出第一臺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]。從世界範圍來看，1.5MW-2MW的機型佔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佔當年新裝機容量的21.5%，而2009年比例已經上升到86.86%[4]。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。
2.2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執行的關鍵技術[5,6]，這是因為：
1）自然風速的大小和方向隨著大氣的氣壓、氣溫和溼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併網和脫網、輸入功率的最佳化和限制、風輪的主動對風以及執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執行和遠端監控。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，眾多學者都致力於深入研究風力發電的控制技術和控制系統，這些研究工作對於風力發電機組最佳化執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，併網執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恆頻控制方向發展，甚至向智慧型控制發展。
定槳距型風力機指槳葉與輪轂的連線是固定的，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。失速型是當風速高於額定風速，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範圍內。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。
變速恆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。與恆速風電機組相比，它的優越性在於：低風速時能夠跟蹤風速變化，在執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執行的同時，使輸出功率更加平穩。變速恆頻風力發電機組透過勵磁控制和變槳距調節來實現最佳執行狀態。變槳距是根據風速和發電機轉速來調整葉片槳距角，從而控制發電機輸出功率，由傳動齒輪箱、伺服電機和驅動控制單元組成。隨著風電控制技術的發展，當輸出功率小於額定功率狀態時，變槳距風力發電機組採用OptitiP技術，即根據風速的大小，調整發電機轉差率，使其儘量執行在最佳葉尖速比，以得到理想的輸出功率。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係數，具有更好的起動效能與制動效能，能夠確保高風速段的額定功率。
2.3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，由於風速、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並引起轉矩傳動鏈的振盪，會對電能質量及接入的電網產生影響，對於小電網甚至會影響其穩定性。風力發電機組通常採用柔性部件，這有助於減小內部的機械應力，但同時也會使風電系統的動態特性複雜化，且轉矩傳動模組會有很大振盪。目前，對風力發電機的控制策略研究根據控制器型別可分為兩大類：基於數學模型的傳統控制方法和現代控制方法。傳統控制採用線性控制方法，透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。對於快速變化的風速，其調節相對滯後。同時基於某工作點的線性化模型的方法，對於工作範圍較寬、隨機擾動大、不確定因素多、非線性嚴重的風電系統並不適用。
現代控制方法主要包括變結構控制、魯棒控制、自適應控制、智慧控制等[7,8]。變結構控制因具有快速響應、對系統引數變化不敏感、設計簡單和易於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數問題的能力，對於具有建模誤差、引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慧控制方法，其最大的特點是將專家的知識和經驗表示為語言規則用於控制，不依賴於被控制物件的精確的數學模型，能夠克服非線性因素的影響，對被調節物件有較強的魯棒性。由於風力發電機的精確數學模型難以建立，模糊控制非常適合於風力發電機組的控制，越來越受到風電研究人員的重視。人工神經網路是以工程技術手段來模擬人腦神經元網路的結構與特徵的系統。利用神經元可以構成各種不同的拓撲結構的神經網路，它是生物神經網路的一種模擬和近似。利用神經網路的學習特性，可用於風力機的低風速的節距控制。
3存在的問題及展望
儘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製造技術。在設計技術方面，我國不僅每年需支付大量的專利、生產許可及技術諮詢費用，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體、資料庫和原始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，上網容量遠小於裝機容量。風電發展側重於資源規劃，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，併網發電少的現狀。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。最後，我國風電的技術標準和規範不健全，包括風機制造、檢測、除錯、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，合理規範風電開發；必須加大政策扶持力度，建立健全完善統一的風電標準規範體系。
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