浅谈我国风力发电产业现状与关键控制技术

浅谈我国风力发电产业现状与关键控制技术

宫海亮

国家能源投资集团有限责任公司 北京 100011

摘要：作为一种可再生能源，风电资源是取之不尽用之不竭的，大力推动风电生产产业发展对我国能源资源体系建设是有利的，它在促进良好经济效益与环境效益发展的基础之上也为地方综合产业发展提供了新思路、新渠道。我国未来还需认清发展形势，基于最有效发展方案提出风电产业发展新方案，将风能逐渐发展成为我国能源体系建设主要力量。

关键词：风力发电现状；风电发展趋势；风电关键技术

引言

我国作为一个能源生产和消耗大国，发展清洁能源对于解决能源短缺和环境保护具有重要意义。风电技术可以减少化石燃料对环境的污染，降低有害气体的排放，保护生态平衡。但是当前风电技术还存在许多问题，因此需要分析具体问题，实事求是，制定相应措施，优化风电产业结构，加大投入力度，促进风电技术的稳步发展。

1我国风力发电产业的基本现状

近20年来我国风电产业呈现提速发展趋势，但由于受到各方因素制约影响，整体看来国内风电产业在技术应用与综合管理方面都还处于初级发展阶段，其中所存在的技术问题依然不少，亟待解决。以下简单谈谈我国风电产业发展现状。

1.1风能资源丰富

我国国土幅员辽阔、陆地边疆总长度超过20000km，海岸线总长度超过1．8万km，根据国家气象部门相关调研资料显示，我国风能资源蓄积丰富，其中可供陆地风能发电资源的风量超过260GW，而可供利用的海洋风能资源则更高出陆地部分的3倍以上。纵观我国整个西部、西北部地区都蕴藏了无限的风能资源。根据统计，我国目前年平均风速在6m/s以上的地区占到国土总面积的1．2%，仅次于美国、俄罗斯，位居世界第3位。

1.2风电产业蓬勃

我国的风力发电产业发展蓬勃且迅猛，早在2009年，国家新增风能发电项目数量与风电发电量均已上升到全球第1位，且10年来发展速度不减，平均每年有20座以上的风电场建成，其中每座风电场发电能力都至少在100MW以上。按照我国所制定的长远风能发电计划，到2020年为止希望风能发电能力至少达到1．6亿kW以上。根据专家分析，按照我国国土环境与风电资源未来发展体量，其上限可达到10kW左右，这说明我国在风电产业发展方面是具有着广阔的发展空间的。

1.3风电生产体制制约

在虽然我国风电产业发展体量较大，发展前景大好，但就目前看来国家风电生产体制是存在制约问题的。就目前来看我国针对风力发电产业就制定了风力开发投资体制、风机发展激励体制以及国家及地方风电采购政策，这些政策在促进地方风电产业项目发展的过程中起到了重要促进作用，但因为受制于政策与规范，某些风电产业项目发展也严重受到制约，这造成了国家风电产业发展的不合理与失衡。在如此情况下，我国风电产业未来快速发展进程受到严重制约。

1.4风电设备国产化水平制约

在过去20余年里我国的风电产业发展大多依赖于外国技术设备，在风电产业自主研发这一方面相对薄弱，这不但说明我国在过去对国家风电产业发展不够重视，还说明我国在风电设备国产化研发方面还受到极大的技术水平制约，基本上还处于风电产业技术水平远远落后于发达国家的阶段。而如果从国内风电设备市场发展方面看，进口风电设备垄断市场也有很大影响，我国绝大部分地区的风电产业发展严重依赖外国风电设备与技术，这在相当程度上提高了我国风电产业整体发展成本，对于我国自主发展风电产业是不利的。

2我国风力发电产业的未来发展趋势

我国风力发电产业发展前景大好，在未来生产发展趋势方面还主要应当围绕市场来探究。目前国内针对新能源的发展支持力度空前巨大，特别是在风电产业发展进程中更给予了相当大的政策倾斜与财政补贴，这也为国内风电产业活跃发展创造了有利条件，发展范围与发展能力扩大提升有目共睹。

2.1风力发电量大，利用率提高，发电成本降低

目前，风力发电的增长速度惊人，发电量显著增加。我国正在大力发展风能，如果以这种惊人的速度增长，未来风能需求满足率将会得到明显提升。除了可以利用的低空风力资源外，还有高空风力资源等待大力开发和使用。如果超过75%低空和高空的风力资源得到充分发展，总发电量将继续增加，人们生活需求将更有保障。中国风电技术的发展已相当成熟，风能资源利用率增加，发电成本下降，风电市场优势得到充分体现。除了自然风能外，在工业发展中被浪费的工业风能应该得到充分利用。在工业生产中，工业排风能量占浪费资源的绝大部分，利用效率低。工业风能相比于自然风能有利用和运输便捷的特点，如果能够对浪费的工业风能得到充分利用，风能的利用率会得到更大的提高。未来风能发电前景是很可观的，电力成本较煤炭呈现明显下降状态。2030年，满足电力总装机的15%的风力发电机组可满足8.4%左右的用电需求；2050年，满足电力总装机的26个百分点的风电产生的电量能满足约17%的电力需求，风力发电在我国电源发展中处于发电主力之席。

2.2增大海上风能发电的发展

海上风电具有风能资源丰富、发电小时数高、靠近负荷中心易于吸收的特点。由于海上风电的安装、运行和高技术要求，海上风电的发展比较缓慢。在西方国家攻坚克难，在陆上风能资源被开发完毕的情况下，连续不断地克服海上风电技术难关，海上风电发展迅速，中国海上风电实现零突破。风电行业正在努力在海上建立一个新市场并取得初步成功。目前，海上风电机组的研发和运行已经得到了国内外的一些投资商的支持，以克服技术难题，降低成本。政府有关部门对海上风力发电项目上网电价的政策偏好和相关管理措施相继出台，进一步明确了海上风电的发展方向。据悉，中国的海上风电将在未来五年进入加速发展期。从这个角度看，风能的发展前景将更为广阔。虽然中国的风能资源丰富，但其开发量远低于其储量，所以风能有着相当广阔的发展空间。因此，政府必须为风能的发展提供良好的市场氛围和广阔的发展空间，大力扶持,并努力克服长途运输带来的技术问题。

预测我国2020年风电装机容量将超过1．8亿kW，届时我国也会开启对风电生产系统的有效重组过程，更多建立中小型风场，配合低风速风资源开发管理技术内容将陆上风电产业发展重心逐渐移步海上，构建海上风电产业发展新格局。总体来讲，就是基于我国未来风电产业的发展进程建立沿海各省风电产业规划机制，确保我国在2020年的海上风电装机总容量达到至少3300万kW。

3.我国风力发电产业的关键控制技术

3.1风力发电系统的工作原理

风力发电主要通过风力产生动能带动风车叶片旋转，再利用增速机提升风车旋转速度，最终由风车通过电磁效应将动能再全部转化为电能。就我国目前已有的风电技术来看，3m/s的微风就能实现发电，且在风能转化电能过程中主要利用到风轮、塔架、发电机、储能装置、尾翼调向器等构件挖掘风中储能，提高风电生产效率。

风力发电的原理是把风能转化为机械能，再将机械能转化为电能进行输出。具体过程是通过风带动风机叶片转动，从而使发电机内部线圈旋转切割磁场，最终产生感应电流，并被储能装置以电能的形式储存起来。通常风力发电机由风轮叶片、低速轴、高速轴、风速仪、塔架、发电机、液压系统、电子控制系统等部件组成。其中，风轮是将风能转化为机械能的装置，根据风向的变化调节风轮方向，可以最大限度地利用风能。塔架是连接支撑风轮和发电机的支架，其高度是由周围地势和风轮大小决定的，以确保风轮的正常运行。发电机是将风轮产生的机械能转化为电能的装置。

在风机构造中，定义风轮叶片尖端线速度与风速之比为叶尖速比，是风机的重要参量，其大小是影响风机功率系数的重要参数。通过设计风轮的不同翼型和叶片数，可以改变叶尖速比。风机组的功率调节是风力发电系统的关键技术手段，其主要方式包括定桨距失速调节、变桨距失速调节和主动失速调节三种。定桨距失速调节将风机叶片和轮毂固定，叶片顶角不能随风速进行调整，其结构相对简单，可靠性强，风机输出功率随风速而变化，因此在低风速下其利用率较低。变桨距调节是通过改变桨距角调整风能的转化效率，尽可能的提高风能转化效率，使风机输出功率保持平稳。主动失速调节是通过叶片主动失速来调节输出功率。当风速低于额定风速时，通过控制系统进行调控；当风速超过额定风速时，变桨系统通过增加叶片攻角使叶片失速，从而限制风轮的吸收功率。

3.2风力发电关键控制技术

3.2.1电子变换器的控制技术

①电力电子变换器的控制技术。从整个风力发电系统中可以发现，存在着电力电子变换器，并且电力电子变换器的特征表现在多方面：使用面较为广泛，可以有效地用于大型风力发电系统中；风能转换过程中能量的转换率较高，完成转换后具备很高的传输效率；还可以完善无功功率因素；其使用的安全性和可靠性很高。电力电子变换器的运行功率高且功率范围也很大；该设备无须花费很多成本。通过运用pwm整流器于风电系统中，能够最好地控制系统的最大功率。而运用整流器的时候，通过矢量的控制方法可以解除有功功率和无功功率之间的障碍，保证无功功率符合运行的相关要求。另外，pwm整流器还可以使有功功率的输出量最大化，设置好直流环节并调整风电系统中无功和有功功率。②风力发电的控制技术。风力发电需要借助风力进行，这是因为风力与地面距离相差加大，这样一来，能量转化工作在空中就能完成。发电机和相关设备都需要努力提升工作效率，并且减轻物体的体重。永磁发电机的优势在于运行效率高且损耗较小，所以被普遍运用于风力发电系统中。发电机制造还可以通过模块化方式开展，这样能减少所需花费的成本，对风力发电系统的发电机进行管控的过程中，一般都会采用矢量的控制方法，这类方法有效地解除了交轴电流与直轴电流之间的矛盾，也就使系统功率的因数控制简单化。

3.2.2风轮的控制技术

①利用功率信号的反馈。利用功率信号的反馈进一步管控好风轮的功率信号，当风轮运行时，它们的功率与实际条件的改变是一致的，然后再对功率的关系作出分析，之后绘制出最大功率的曲线图，完成以上工作后接着做后面的工作。在实际操作时，还应该对比最大功率与系统中的实际输出功率，获取它们的差值大小，之后再进行风轮桨矩的调整工作，这样才有助于风轮的运行功率最大化。这种方式使成本无须花费过多，但是风机在正常运行时要获得最大功率曲线较为困难。②管控好叶尖速比。受到风力作用的影响，风轮中风叶尖端转动时具有线速度，并且将其称为叶尖速。其中叶尖速比表示为叶尖速与这个时间之内的风速形成的比值。对叶尖速比进行控制的主要方法是控制叶尖速比值，从而进一步改善风机的运行系统。因为风速不相一致，所以很难有效地确定出最合适的叶尖速比，应该适当地改变和调节叶尖速，并调节好风轮转矩，这样才能更好地调整风轮外边缘的速度，使叶尖速比得到优化处理。

3.2.3无功功率补偿技术与谐波消除技术

①无功功率补偿的技术。在感性元件的影响下，发电系统中一些无功功率呈现出消耗的状态，电压经过感性元件的时候，因为只是无功功率的消耗使得感性元件两边无电压变化，但是当电压较高时，经过感性元件的电流较大会给元件带来间接破坏。这时候，就要结合实际情况采取无功功率补偿技术，并且压抑住谐波作用。虽然无功功率补偿的应用很广，但还是存在一些不足。②谐波消除的技术。风机发电的时候，由于存在谐波就是整个电能的质量不高，也给电的电压及频率造成不良影响，使无功功率与有功功率间缺乏平衡，所以一定要把存在的谐波消除掉。具体开展过程中，因为谐波会影响风能的发电，首先，它会造成发电机的铁损和铜损，在发电机内产生超同步谐振的现象；电力设备在运行时，谐波会造成设备出现热故障，影响系统的正常运行等。而消除谐波可以从以下几个方面入手：第一，使用电力变流器和一些电力设备让相应的相位与谐波进行抵消；第二，适当调整电容器组，进而改变无功功率，从而减少谐波对无功功率的影响；第三，运用三角形的连接方式，这样能减少谐波的进入量。

结束语

当今时代，人类发展对能源的需求日益增大，能源是促进社会发展的必备条件。随着化石能源的需求量越来越大，化石能源的日益枯竭和带来的日益加重的环境污染问题，开发无污染可再生的新能源迫在眉睫，其应用前景也非常广阔。风能作为一种常用的绿色能源，其分布广泛，资源丰富，开发和利用的技术相对简单，可控性好，因此越来越受到各国的重视。

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作者简介：宫海亮，男，1984年3月出生，毕业于北京化工大学，硕士研究生，工程师，国家能源投资集团有限责任公司生产指挥调度中心高级主管，长期从事生产运营综合管理工作。