风力发电的发展现状及前景探讨

黄加明

(湖北工程职业学院，湖北 黄石 435003)

风力发电的发展现状及前景探讨

黄加明

(湖北工程职业学院，湖北 黄石 435003)

风电作为一种洁净、无污染、可再生的绿色新能源，取之不尽，用之不竭。文章介绍了我国和国外风力发电的发展现状，风力发电的技术发展，利用风能发电的优越性，以及我国风力发电存在的问题及前景探讨。

风力发电；能源；现状；发电机组；控制系统；参数

0 引 言

随着世界能源的日益匮乏和科学技术的迅速发展，加之人们对环境保护的要求，人们在努力寻找一种能替代石油、天然气等能源的可再生、环保、洁净的绿色能源。风能是当前最有发展前景的一种新型能源，它是取之不尽用之不竭的能源，还是一种洁净、无污染、可再生的绿色能源。风能的利用，从风车到风力发电，证明了文明和科学进步。绿色和平组织和欧洲风能协会2002年提出了《风力12》报告，报告中指出到2020年，世界风力发电将达到世界电力总需求量的12%，我国电力发展“十一五”发展纲要中也指出，中国的风力发电将占世界风力发电总量的14%。风力发电与火力发电和水力发电比较，具有单机容量小、可分散建设等优点。随着国家对能源需求和环保要求力度的不断加大，风力发电的优越和经济性、实用性等优点也必须显现出来。

1 我国风力发电的发展现状

我国是世界上风力资源占用率最高的国家。也是世界上最早利用风能的国家之一。据资料统计，我国10m高度层风能资源总量为3 226 GW，其中陆上可开采风能总量为253 GW，加上海上风力资源，我国可利用风力资源近1 000 GW，如果风力资源开发率达到60%,仅风能发电一项就可支撑我国目前的全部电力需求。

我国利用风力发电起步较晚。和世界上风能发电发达国家如德国、美国、西班牙等国相比还有很大差距。风力发电是20世纪80年代才迅速发展起来的，发展初期研制的风机主要为1、10、55、220 kW等多种小型风电机组，后期开始研制开发可充电型风电机组，并在海岛和风电场广泛推广应用。目前有的风机已远销国外。至今，我国已经在河北张家口、内蒙古、山东荣成、辽宁营口、黑龙江富锦、新疆达坂城、广东南澳和海南等地建成了多个大型风力发电场，并且计划在江苏南通、灌云及盐城等地兴建GW级风电场。截止2007年底，我国风机装机容量已达到6.05 GW，年发电量占全国发电量的0.8%左右，比2000年风电发电量增加了近10倍，我国的风力发电量已跃居世界第5位。下面从控制系统的实现和技术发展两方面来介绍：

从控制系统的实现来说，由19世纪末第一台现代风力发电机组在丹麦诞生，到20世纪80年代初，风力发电机组电气控制系统得以实现，但仍局限于采用模拟电子器件。到了80年代中后期，随着计算机技术的发展及其在控制领域的应用，出现了基于微处理器的风力发电机组电气控制系统。步入90年代，随着微处理器在电力电子、数据采集、信号处理、工业控制等领域的广泛应用，风力发电机组的电气控制系统往往采用基于单板机、单片机或可编程控制器的微机控制。

我国的风力发电始于20世纪50年代后期。自上世纪80年代中期引进55 kW容量等级的风电机投入商业化运行开始，经过二十几年的发展，我国的发电市场已经获得了长足的发展。到2009年底，我国风电总装机容量达到2601万kW，位居世界第二，2009年新增装机容量1 300万kW，占世界新增装机容量的36%，居世界首位。可以看出，我国风电产业正步入一个跨越式发展的阶段，而2010年我国累计装机容量已达44 773.29万kW。

从技术发展上说，我国风电企业经过“引进技术——消化吸收——自主创新”的三步策略也日益发展壮大。随着国内5 MW容量等级风电产品的相继下线，以及国内兆瓦级机组在风电市场的普及，标志我国已具备兆瓦级风机的自主研发能力。同时，我国风电装备制造业的产业集中度进一步提高，国产机组的国内市场份额逐年提高。目前我国风电机组整机制造业和关键零部件配套企业已能基本满足国内风电发展需求，但是像变流器、主轴轴承等一些技术要求较高的部件仍需大量进口。因此，我国风电装备制造业必须增强技术上的自主创新，加强风电核心技术攻关，尤其是加强风电关键设备和技术的攻关。

2 国外风力发电的发展状况

风能的开发利用在国外发达国家已相当普及，尤其在德国、荷兰、西班牙、丹麦等西欧国家。风力发电在电网中占相当比重。20世纪70年代发生了世界性的能源危机，欧美国家政府加大补贴投入，鼓励开展风力发电事业。1973年联邦德国风能资源投入30万美元，到1980年投资就增至6 800万美元；美国20世纪80年代初期安装了1 700多台发电机组，总装机容量达到3 MW；1979年丹麦能源部决定给风轮机设备厂投入补贴，政府拨款建立小型风轮机试验中心，承担风轮机许可证任务。到20世纪80年代末，全球共有大型风轮机近2万台，总装机容量2 GW。国际市场风力发电成本不断降低，有些条件较好的风力风电场，机组发电成本仅为8美分/kWh，风场运行维修费为1.5美分/kWh，从当前世界风力发电情况来看，无论从风机容量投资、年发电量、运行费用及运行稳定性等指标衡量，200～500 kW的中型风电机组都具有较大竞争力。

3 风力发电的技术发展

风力发电技术是涉及空气动力学、自动控制、机械传动、电机学、力学、材料学等多学科的综合性高技术系统工程。目前在风能发电领域，研究难点和热点主要集中在风电机组大型化、风力发电机组的先进控制策略和优化技术等方面。

3.1 风力发电机组机型及容量的发展

目前主流的三大风电机组是：笼型双速变极异步发电机组、绕线式双馈异步发电机组和永磁直驱同步发电机组。风力发电机单机容量也不断向大型化发展。从20世纪80年代中期的55 kW容量等级的风电机组投入商业化运行开始，至1990年达到250 kW，1997年突破1 mW,1999年即达到2 mW。进入21世纪，MW级风力机逐渐成为国际风电市场上的主流产品。2004年德国Repower即研制出第一台5 mW风机，Enercon式6 mW风电机，预计2014年单机容量将突破15 mW。

3.2 风力发电机组的控制系统

控制技术是风力发电机组安全高效运行的关键技术，原因是自然风速的大小和方向随着大气的气压、气温和湿度等的活动和风电场地形地貌等因素的随机性和不可控性，这样风力机所获得的风能也是随机和不可控的。此外，风力资源丰富的地区通常环境较为恶劣，在海岛和边远的地区甚至海上，人们希望分散不均的风力发电机组能够无人值班运行和远程监控。这就对风力发电机组的控制系统可靠性提出了很高的要求。

控制系统需要监控的主要参数包括以下几个方面：(1)电力参数——电网三相电压、发电机输出的三相电流、电网频率及发电机功率因数等；(2)风力参数——风速、风向；(3)机组状态参数——转速、温度、电缆扭矩、机械刹车状况、机舱振动、油位；(4)反馈信号——回收叶间扰流器、松开机械刹车、松开偏航制动器、发电机脱网及脱网后的转速降落信号。

目前绝大多数风力发电机组的控制系统都选用集散型或分布式(DCS)工业控制计算机。有各种功能的专用模块可供选择，可以方便地实现就地控制，许多控制模块可直接布置在控制对象的工作点，就地采集信号进行处理；同时DCS现场适应性强，便于控制程序现场调试及在机组运行时刻随时修改控制参数。

近年来，随着智能控制技术的日益完善和发展，许多人也将其应用于风力发电控制系统中。将神经网络控制方法用于风力发电系统的控制过程，以克服微机控制过程中存在的系统模型的非线性和复杂性，使系统达到最优控制效果。模糊理论得出最优蓄电池电压控制作为发电机负荷的蓄电池电压来控制发电机出力，从而有效地把风能转换为电能。应用遗传算法和模糊理论设计风力发电机变桨距控制器，利用遗传算法简单高效的寻优特点对模糊控制器的结构和参数进行优化设计。

4 利用风能发电的优越性

利用风能资源发电，具有良好的发展前景和其它能源无可比拟的优越性。大体可归纳为以下几点。风力发电是一种干净无污染的可再生自然资源，取之不尽，用之不竭，没有常规能源(煤电、油电、核电)会造成环境污染的问题；风电技术日趋成熟，产品质量可靠，能源可用率达95%以上；风力发电的经济性日益提高，发电成本较低，低于油电和核电，如果计及煤电的环境保护及交通运输等投资，风电成本也低于煤电；风力风电场建设工期短，单台机组安装方便；投资规模灵活易操作。

5 风力发电存在的问题及前景

我国的风力发电在发展的过程也暴露了许多问题。如新产品未经严格考核就上批量、上工程，造成浪费。目前我国发电机组制造企业有50多家，多数是引进技术未经认真消化吸收就急于批量生产，由于风电机组市场需求发展很快，新产品组装后未经严格考核，就有企业找上门来订货，生产企业为了占领市场就急于扩大生产上批量，上工程，出现产品质量问题就不断进行维修，有的还需反复吊装更换零件，长时间不能正常运行，设备效益难以发挥，同时造成人力物力大量浪费。其次是重复引进，同水平竞争，风险加大。随着风电的快速发展风电机组市场需求增长很快，有实力的装备制造企业，蜂拥进入风电机组的开发。新进入的企业缺乏经验和自主研发能力，急于进入，多数为引进许可证生产，国外雷同机型多家引进，造成国内企业在同一水平上机型竞争。最后，我国风电的技术标准和规范不健全，包括风机制造、检测、测试、关键零部件生产及电场入网等相关标准亟需建立和完善。

根据我国风电发展预测，到2020年底全国总装机规模达到12 000万kW，到2050年底，全国风电总装机规模达到50 000万kW，风电规模化发展，使各项技术经济指标进一步增强。风电企业的竞争能力和盈利能力明显增强。2020年以后化石燃料资源减少，火电成本增加，风电具备市场竞争能力，发展更快。2030年水电资源也大部分开发完，海上风电进入大规模开发时期，很可能形成东电西送的局面。风电以其良好的环境效益和逐步降低的发电成本，必将成为本世纪中国的重要电源。

6 结束语

风力发电具有既能保证能源的有序利用，又能战胜全球气候变化，更有利于全球的环境资源保护的优点。通过对我国风能资源及利用状况的调查，我国的风能开发和利用已经进入一个崭新时期，尤其是小型风机的生产和应用已经相当广泛，效果也非常不错，并且前景非常广阔。我们要充分有效地利用风能这种可再生、无污染、环保节净的自然资源，通过致力于风力发电的技术创新与科研开发，使我国的风力发电得到长足发展，使风电在我国得到更加广泛的应用。我国把握机遇，加快能源结构调整。在积极实现火电、水电、核电及潮汐能源、生物能源等多种能源发展过程中，实现风能服务于人类的特殊使命。

[1] 张明锋,等.中国风电产业现状与发展[J].机电工程，2010(1).

[2] 姚兴佳,等.基于神经网络的风力发电控制系统[J].控制与决策，1997(7).

[3] 许洪华,等.世界风电技术发展趋势和我国未来风电发展探讨[J].电力设备，2005(6).

[4] 谢 田.带蓄电池的风力发电机组的模糊控制[J].新能源，1998年(20).

Discussion on Current Situation and Prospects for Wind Power

HUANG Jia-ming

(Hubei Engineering Vocational College, Huangshi 435003, Hubei Province, China)

Wind power as a clean, non-polluting, renewable green energy, inexhaustible. This paper introduces the present situation and development of China's foreign wind power, wind power technology development, discusses the advantages of the use of wind power, and the problems and prospects of China's wind power exists.

Wind power; Energy; The status quo; Generators; Control system; Parameters

2015-03-10

2015-03-20

黄加明(1967-)，男，湖北黄石人，副教授，电气工程师，主要从事电气自动化专业教学。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.04.012

TK89

B

1009-3230(2015)04-0047-04