摘要：在改革开放以来，人们日益认识到低碳环保技术开发的重要性，大力研发清洁新能源，而风力发电技术作为一项绿色能源自然得到了人们的普遍重视，主要论述了风力发电技术的发展。
关键词：风力发电技术；现状；关键问题；解决途径
引言
能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。能源的发展按照可持续发展战略原则,在开发利用常规能源的同时,应更加注重开发利用对生态有利的新型能源,如风能、太阳能、潮汐能、水能等。风力发电由于清洁无污染,施工周期短,投资灵活,占地少,具有较好的经济效益和社会效益,已受到世界各国政府的高度重视。19世纪末丹麦开始研究风力发电技术。1973年出现世界石油危机后,煤和石油等化石燃料日益枯竭,空气污染等环境问题也日趋严重,风力发电作为可再生的清洁能源受到越来越多的重视。随着桨叶空气动力学、材料、发电机技术、计算机和控制技术的发展,风力发电技术的发展极为迅速,单机容量从最初的数十千瓦级发展到最近进入市场的兆瓦级机组;功率控制方式从定桨距失速控制向全桨叶变距和变速控制发展;运行可靠性从20世纪80年代初的50%,提高到98%以上,并且在风电场运行的风力发电机组全部可以实现集中控制和远程控制。风电场发展空间更加广阔,从内陆移到海上。2001年10月,全世界风力发电装机容量突破了2万MW,其中当年新增容量达到5000MW,风能已成为一种重要的可再生能源。
1风力发电及风力发电技术的发展
1.1风力发电的现状
我国风能资源异常丰富，可开发风能资源达到了10亿千瓦，主要集中在西北地区、华北北部、东北地区及东南沿海地区。20世纪70年代，我国自主研发了额定容量在10千瓦以内的小型风力发电机并实现了批量生产，有效解决了居住分散的农牧民与岛屿地区人们的用电问题。我国当前已然开发出600千瓦的风力发电机组，风力发电建设覆盖11个省，尤其是一些边远省区。东部沿海地区风能资源丰富，而且易于运输与储存，因此笔者认为未来会建设规模较大的海上风电场。2008年以后，我国风电行业得到了飞速发展，随着风电场建设的无限制扩张，出现了不易于调峰、不能及时运输、产能过剩等问题。2011年风电行业发展受到了影响，新增风电装机容量不断减少，由于风电行业的无限制发展引发了诸多问题，出现了大量的风机脱网事故、弃风限电现象、产能过剩问题。2011年，国家发改委要求各省在审核风电项目前需上报国家能源局，进一步限制了地方政府的无计划开发风能资源，解决了风电过剩问题。到2015年，竞争力较弱的企业退出市场，风能开发行业逐步实现了成熟化发展，进入稳定增长的状态。
1.2风力发电技术
主要涉及下面这些方面：风力发电技术单机容量日益增大；风力发电技术成本投入较高，但运行成本较低；我国风力发电行业逐步实现了商业化发展，尤其是海上风电有着众多优势，得到了快速发展。
2风力发电的若干技术问题
2.1风电质量
自然风速的大小和方向是随机变化的,风能具有不稳定性。如何使风力发电机的输出功率稳定是风力发电技术的一个重要的问题。迄今为止研究人员已提出了多种改善风电质量的方法。如上所述,采用变速控制技术可以利用风轮的转动惯量平滑输出功率。但是由于变速风力发电机组采用电力电子装置,当它将电能输送给电网时会产生电力谐波并使功率因素恶化。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆因此,为了满足在变速控制过程中良好的动态特性,并能使发电机向电网提供高品质的电能,发电机和电网之间的电力电子接口应实现以下功能:①在发电机和电网上产生尽可能低的谐波电流;②具有单位功率因素或可控制的功率因素;③使发电机输出电压适应电网电压的变化;④向电网输出稳定的功率;⑤发电机电磁转矩可控。此外,当电网中并入的风力发电容量达到一定程度,会引起电压不稳定,特别当电网发生短时故障时,电压突降,风力发电机组无法向电网输送能量,最终由于保护动作切出电网。在风能占较大比重的电网中,风力发电机组的突然切出会导致电网不稳定。因此,用合理的方法使风力发电机组的电功率平稳具有非常重要的意义。风力发电对电网的不利影响可以运用储能技术来改善.
2.2结构和空气动力学
在机械方面,通过结构动力学的研究,改进设计,避免或减少由于风的波动而引起的有害机械负荷,减少部件所受的应力,从而减轻有关部件及机组整体的重量,进一步降低成本。改进机械结构的另一个动向是采用新型整体式驱动系统,集主传动轴、齿轮箱和偏航系统为一体,这样就减少了零部件数目,同时增强了传动系统的刚性和强度,降低了安装、维护和保养的费用。目前,风力机的桨叶叶型多采用美国空军的标准系列叶型NACA系列或63系列,此种叶型具有较好的动力性能,但是,由于风轮的工况与飞机机翼的工况不同,风轮上的风速分布不均匀,造成风轮的径向受力不均。风轮在旋转过程中,当转到上方与下方时,受力不同,交复变化,以及风速风况的不稳定等,是引起风力机振动的主要原因;而叶尖处的空气扰动是产生噪音的主要原因。降低上述因素的不利影响将是风电界技术人员深入探讨的课题。
2.3风力发电机组的控制技术
由于空气动力学的不确定性和发电机、电力电子装置模型的复杂性,风力发电系统模型的确定很困难。从已列出的那些可能影响风力发电机组性能的误差源和不确定性因素中,由于雷诺数的变化会引起5%的功率误差,由于叶片上的沉积物和下雨可造成20%的功率变化,其他诸如老化、大气条件和电网等因素,在机组的能量转换过程中引起不同程度的变化。因此,风力发电系统具有很强的非线性和不确定性,以及多干扰等特点,所有基于某些有效系统模型的控制也仅适合于某个特定的系统和一定的工作周期。另外,风力发电机组通常布置在风力资源丰富的地区,如海岛和边远地区甚至海上,要求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。建议采用自适应控制器,以改善风力发电机组在较大运行范围中功率系数的衰减特性。在自适应控制器中,通过测量系统的输入输出值,实时估计出控制过程中的参数,因此控制器中的增益是可调节的。在遇到干扰和电网不稳定时自适应控制器比PI控制器有许多优点,但实时参数的估计是其一个主要的缺点,因为它需要耗费大量的时间。自适应控制器还需要一个参考模型,而建立一个精确的参考模型是相当困难的。由于模糊控制不需要精确的数学模型,可以高效地综合专家经验知识,具有较好的动态性能和鲁棒性,基于模糊逻辑的智能控制技术最近几年被引入风力发电机组控制领域并受到重视。
结语
总之，随着低碳环保理念的不断增强，各种新型清洁无污染能源必然会得到人们的普遍应用，风力发电技术作为低碳经济的重要组成部分，将来必然会得到快速发展。本文主要论述了风力发电技术的发展及存在的一些问题，明确了解决上述问题的各种措施，提供了丰富的实践操作经验。要求技术人员积极研发风力发电技术的核心内容，大力借鉴发达国家关于风力发电技术的成功做法，推动我国风力发电技术的健康发展。随着低碳环保理念的提出，人们日益认识到新型能源开发的重要性，随着新型能源的逐步推广，风力发电技术必然会在国家将来经济发展中发挥巨大作用。
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论文作者:王勇
论文发表刊物:《电力设备》2018年第4期
论文发表时间:2018/6/19
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