風力發電技術發展及關鍵問題探究

蘭江

摘要：隨著我國社會經濟的不斷發展，對于能源、環境問題的重視程度也在逐漸增加，因為能源的可持續發展會有效帶動我國社會經濟和效率的發展，但是受到我國技術、經濟、關注度等相關方面的影響，使得我國可再生能源發電技術與其他先進國家相比仍有較大的差距。文章對風力發電技術發展及關鍵問題進行了探究。

關鍵詞：風力發電技術；綠色能源；可再生能源；電力系統；風電質量；機組控制 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM614 文章編號：1009-2374（2016）19-0070-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.19.033

影響我國風力發電技術發展的問題主要有風電質量、機組控制等方面的技術問題，需要我國技術人員不斷加強研究，從政策扶持、產業化發展等方面進行分析以及加強對于其風電技術機組的效率、容量、機械結構等角度進行改善，使我國風力發電產業，逐漸向技術成熟、高容量、高參數的方向發展。

1 風力發電技術發展

1.1 我國風力發電現狀

風力發電的原理主要是指利用風力帶動風車葉片的旋轉，經過增速機，使其旋轉的速度提升，從而實現風力發電。我國雖然是風力資源占有率最高的國家，但是我國風力發電技術相對較晚。目前我國10m高度，風能資源總量是3226GW，陸上可開采的風能資源的總量約253GW，同時加上海上的風能資源，可以被開發利用的占到1200GW左右。

1.2 發展前景

由于我國處于優勢地位，風能資源豐富，每年的平均風速達到3m/s左右的時間約為4000h，同時在西藏等地區風速可到達到7m/s左右，對此具有很大的開發的

空間。

1.3 風力發電技術研究

我國風力發電機組主要有發電土工原動力的風力機和風能電能轉換的發電機兩種，其中風力機采用的有常規型和新穎型兩種。其技術發展特征主要表現在，風力發電的規模、單機容量正在不斷擴大，在電力生產行業占據一定的地位；正在逐漸向著專業化和成熟化方向發展；風力發電技術的成本雖然高，但是日常運營費用卻并不是很高。其中單機容量，從最初的55kW逐漸發展到了450kW，目前我國風電機組最大容量是6MW，更有專家向著單機容量10MW的風電機組進行研究，有效地促進了我國風電場建設的速度和經濟效益。

功率調節的方式包括定槳距失速調節、變槳距調節、主動失速調節等，額定的風速是14m/s左右；不同的生產商和風力發電型號的額定功率不同，風輪控制的方式、轉速控制的方式也不同。其中變速運行，其中風機從風能中，捕獲到的功率的公式，即Pr=Cρ（β，λ）ρ╧πR2；λ=w╧R/Vw。式中：Pr表示風輪吸收的功率；ρ表示風的密度；R表示風輪的半徑；λ表示葉尖的速比；w表示風輪轉速；Cρ（β，λ）表示風能利用系數。同時變速運行，還具有高效率、吸收陣風能量、高系統效率、功率質量改善、運行噪聲減少的優點。

當其大型并網風力發電組進行運行時，常會采用恒速恒頻或是變速恒頻的方式，使其發電機輸出的頻率保持一致。其中發電機組結構裝置如圖1所示：

2 風力發電技術的關鍵問題

2.1 風電質量問題

2.1.1 自然風資源雖然有著強大的能量，但是性質非常不穩定，風速的大小和方向都是經常變化的，從而直接影響其風電機組輸出功率的穩定性。以往人們會通過風輪轉動的慣量，來平衡風電機組的輸出功率的穩定性。但是這種方法，其機組中的電力電子裝置，會產生一定的諧波，使其輸送到電網的電能功率下降，而要想提高機組向電網輸送的電能質量，電力電子裝置接口就要滿足如下的要求：首先諧波電流要盡量低，同時要具備可控制的因素；其次發電機輸出的電壓，要與電網的電壓變化相互適應，機組向其電網輸出的功率，必須是穩定的；最后要滿足其發電機組的轉矩可控的要求。

2.1.2 我國風電機組的單機容量約為1.5MW，雖然單機容量發生了巨大的變化和進步，但是在知識系統方面還不完善；同時當其電網中并入容量達到額定的容量時，就會出現電壓穩定性下降的情況；一旦電網出現故障，不穩定的電壓會使其機組不能有效地向電網輸送能量，使其保護動作切出電網，直接導致其電網的不穩定性，對此加強此方面的研究，保證其風電機組的電功率穩定是尤為重要的。

2.2 機械結構方面

我國風力機的結構方面，像槳葉采用的是美國的NANC系列，雖然具備一定的動力性能，但是受到風輪工況、風輪風速分布影響，使其風輪受力不均勻，在旋轉時會反復的、不穩定性的變化，使其風力機組出現振動，產生一系列的噪音。

2.3 風電機組不能進行整機設計

我國風力發電技術的發展有效地促進了我國風電行業的發展，尤其是風力發電機組零件的生產相對成熟，但是與其他先進國家相比仍有較大的差距，同時在核心部件的生產中，并沒有較大的進步，甚至集電環等部件，還需要從國外引進，導致我國風力發電機組并不能通過國產化的程序進行設計和安裝；在其他方面，像風電機組的咨詢、管理等方面，并沒有成型的產業鏈，同時體系不完善，也直接阻礙了風力發電行業的發展。

2.4 安全性能不高

我國風力發電的技術研究起步較晚，在研究、應用和推廣方面都有欠缺，導致其在并網、輸送等方面的安全性不高，容易出現一系列的故障；而目前故障發生主要集中在風電機組的安裝階段，由于技術人員的專業技能水平不足，加上自身管理比較疏松，導致其安裝環節技術不到位，經常出現脫網的情況；加強此方面的研究，避免其安全事故的發生，影響其風電機組的工作效率是非常有必要的，從而更好地促進我國電力行業經濟效益的發展。

3 針對于關鍵問題所提出的對策

3.1 風電質量方面

針對于風電機組電功率不穩定的問題，可以采用超導儲能技術，使其風力發電機組的輸出電壓和頻率處于穩定的狀態。其中超導儲能技術也被稱作SMES，是一種新型的柔性交流輸電的新技術，該技術具有長壽命、高功率、高儲能密度、無污染等優勢，對于有功或是無功功率具有吸收和釋放的作用，從而使其滿足電力系統的需求，是我國風力發電的主要研究方向。

3.2 機械結構

改進機械結構的方法，可以從兩方面進行調整：一方面可以改善機械的結構動力學的設計，從而更好地避免因為風力波動，對于機械結構負荷造成的影響，也會降低部件所受的應力、部件和整體機組的重量，使其成本有效降低；另一方面可以通過先進驅動系統的使用，將其主轉動軸、齒輪箱等系統融為一體，將機組部件的數量進行減少，從而有效地提高傳動系統的穩定性、安全性以及工作效率，同時也有效地降低了部件維修和安裝的經濟支出。

3.3 控制技術

針對于風力發電系統的不穩定性、易干擾等特點，目前常采用系統模型控制的措施，具有一定的局限性，因為其僅限于某個系統的指定周期使用，并不能很好地避免其能量轉換中不同過程所發生的變化；加上風電機組常置于無人看管的地區且風力資源豐富的環境下，因此對于其控制系統的要求就會更高一些。采用自適應控制器，使其風電機組在較大范圍內，功率系數可以得到有效的改善；工作的原理是通過對于系統的輸入輸出值進行測量，估計出控制過程中需要的參數，從而實現控制系統的調節和實現。雖然自適應的控制器與以往的PI控制器相比，在性能上有很大的進步，但是受到技術的影響，自身仍有一定的缺點，例如在估計實時參數時，自適應控制器需要一個固定的參考模型，但是這個參考模型，必須是準確的，由于準確參考模型的建立，是一個繁瑣和復雜的過程，需要花費大量的時間，才能得到這個準確的數學模型；人們采用模糊邏輯為基礎的智能控制技術，對于風力發電機組的電功率進行控制，從而更好地實現節約時間、高效的控制技術。

4 問題解決的途徑

4.1 加強風電技術的研究

針對于風能密度的地區范圍，可以采用功率調節的方式，從而更好地保證發電功率，使其發電機組不受到損害；在調節的過程中，可以借助定槳距失速型風機，使其功率得到有效控制；針對于不適合風力發電的地區，可以采用一定的儲能技術，不僅實現了在不同環境下的電能利用，同時也適當地增加了機組的容量，對此加強此方面的研究，增加一定的技術支持是非常有必

要的。

4.2 可再生能源發展的政策建立

可再生資源與不同再生資源，對于我們國家乃至全世界來說，都是非常寶貴的資源，是推動國家發展的重要物質支持，從而更好地實現國家的可持續發展。對此加強可再生能源相關的保護政策的完善和實施是非常重要的，同時也只有能源政策的落實，才能加強對于能源開發和利用的保障。

4.3 促進風電技術的商業化發展

我國的風力發電雖然起步較晚、技術較為落后，但是我國政府對于其風力發電的重要性逐漸重視，其技術也在逐漸完善和成熟，逐漸向著商業化和產業化方向發展，而加強對于風電技術的商業化和產業化的發展，不僅可以增加其機組的容量，同時也能有效降低其成本，將其風電發電的價值增加，從而更好地促進風電技術的發展。

5 結語

綜上所述，通過對于風力發電技術發展及關鍵問題的分析，發現可再生能源的發電技術，不僅是世界電力行業的主要發展和研究的對象，同時也是實現電力行業可持續發展的主要途徑，從而更好地保護世界的生態環境。其中風力發電更是我國電力產業大力發展的新興行業，風力發電技術也成為了近年來的新技術，但是我國的風力發電技術之所以會產生一系列的關鍵性的技術問題，與我國技術人員的專業技能水平、能源政策的建立完善、社會經濟制度影響是分不開的，對此加強技術人員的實踐經驗、加強國外先近生產和安裝技術的研究等是非常有必要的，從而更好地促進風力發電行業產業化、商業化的發展和推廣。

參考文獻

[1]樊文凱.風力發電技術現狀及關鍵問題分析[J].科協

論壇（下半月），2013，（12）.

[2]高劍.直驅永磁風力發電機設計關鍵技術及應用研究

[D].湖南大學，2013.

[3]劉晉.雙饋風力發電系統控制策略研究[D].華北電力

大學，2014.

（責任編輯：王 波）