中国大唐集团新能源科学技术研究院
中图分类号：TU756 文献标识码：A
风能，作为自然界随处可见的天然能源，具备传统能源无法替代的优势。除了清洁高效，可再利用的特点，其获取的便捷性和普遍性，也使得许多交通闭塞，煤炭石油短缺的地区能够得到充足的能源供给。这一清洁能源的发展也能极大的改善环境污染和资源短缺的问题，有效改善我国的能源使用结构，因此风能发电领域具备无限的发展潜能。把自然界随处可见的风能转化为维持机器运转的电能是一个多能转化的复杂过程，风能发电所需的设备也有较高的要求。风力发电设备的主要部件是塔架、发电机、齿轮增速器(一般为传动效率高的行星齿轮传动)、变桨偏航系统(按风力大小调整桨叶迎风面)、桨叶、联轴器、电控系统等构成。风能转化为机械能，再由机械能转化为电能的过程就依靠这些组件进行。考虑到风力不稳和风能损耗的问题，设计者不仅增加了扇叶的重量，还使用玻璃钢材料加固了其强度。
在过去十多年的发展过程中，我国的风电领域取得了较为卓越的成绩，但在工作的过程中也暴露出了许多的问题。为了更好提升风力发电运行的稳定性，为我国人民提供更加稳定的电力服务，有必要不断调整风力发电行业的发展策略，同时对风电行业的控制技术进行深入研究。相信未来风电行业将会在我国电网建设中发挥越来越重要的作用。
1、风力发电技术的现状
近些年，风力发电技术的应用越来越广泛。风力发电应用原理：通过风能设备，将由流动空气携带的机械能转变为电能。具体来讲，就是利用风能驱动风车叶片转动，而叶片转轴与增速器连接，促进转速提升，将动能转化为机械能，带动发电机发电。"十三五"期间我国风电产业将加速"市场化、规模化、国际化"的发展进程，并呈现出行业集中度不断提升、政策导向性明显、海上风电市场亟待拓展、风电机组的单机容量增大四个方面的特征。目前，市面上的风力涡轮的设计技术存在较大差异，差别主要体现在发电系统与风力涡轮的结合方式上。通过风速提高电机转速，促进风能利用率最大化，保证有功功率与无功功率均处于可控状态。
目前，我国对于风力发电产业生态圈建设尚未完成，我国的企业对于大型兆瓦发电机的信息技术吸收与扩展还没有充分完成。与此同时，对于风力发电机组中的核心设备和相关零件还无法进行自主生产，这是制约我国风力发电发展的关键问题。因此更快地进行我国风力发电设备制作的自主创新，同时加强完整知识产权的风力发电机组设备的研究，都是保障我国风力发电事业发展的重要目标。
另外，我国电力网络设施的管理和运用并没有与风力发电产生足够的协调性。在风力发电场所接入电网的工作并没有很好地得到完成，整个国家电网的发展规划也缺乏对于风力发电场所的重视。就这个问题，还需要我国的政府相关部门更好地制定相应的管理办法，从而保证风力发电场所与国家电网之间可以共同协调发展，更好地为风力发电的发展提供保障。
2、促进风力发电的发展策略
2.1、明确我国风力发电的发展目标
为了促进我国风力发电的健康发展，同时不断提升我国电网运行过程中的安全性和可靠性，首先需要对我国风力发电的发展目标进行明确。在明确发展目标的基础上，可以更好地对和风力发电场址及相关电价的规划进行调整。相关部门应该不断提升对于风力发电建设以及发展的重视程度，从而更好地协调风力发电相关产业的发展。在越来越多的企业投入风力发电后，风电企业就会慢慢变得和其他发电产业一样形成一个产业集群。这些企业能够在产业集群中相互竞争相互促进，在竞争中优胜劣汰，从而营造一个以发展为目标的产业集群。这样就能使电力企业朝着更好的方向前进，促进经济的发展。
2.2、完善我国电网建设规划
目前我国的"三北"以及沿海地区风力资源比较丰富。这就使得在风力发电的过程中经常处于西电东输或者北电南输的状态，不但增加了电网建设的成本，同时也会在电能传输的过程中产生非常大的损耗。在这样的情况下，我们需要不断的结合地理因素以及电网分部情况，从而进行合理的电网布局。将更多风力发电建设项目尽量靠近我国的输电干线，从而提升风力发电和电网传输的质量。
2.3、降低风力发电成本
风力发电成本控制全过程控制与管理包括施工前期规划决策、工程招投标、工程施工过程以及竣工验收等阶段。要合理控制每一环节的成本控制，同时严格按照成本控制规范对所有的资金从支出进行管理，详细记录资金使用的账目状态，同时要按照合同规范对施工过程资金使用进行管理，从而降低项目施工成本，提高项目经济收益。当工程开始实施施工后，资金的使用与支出活动就开始了，施工过程中的成本控制控制与管理是非常关键的。首先要制定成本控制控制管理规范，包括施工阶段资金变更账目的记录、工程付款流程以及相应进度的更新、资金使用计划与造价范围的控制等，另外还要对风险造价进行预估，并制定预防方案，实施预防措施。在施工过程中有可能会出现意外情况，在成本控制管理当中要考虑到。
其次，现场签证环节也是成本控制管理的重要任务，要规范签证流程，现场签证审核需要经过建设方、监理方和施工方等三方同意才能进行签证，因此要根据施工情况进行全面审核，保证施工的顺利进行。再次，施工索赔事宜要按照相关的施工签署合同的规定进行，对索赔的具体事宜进行逐步审核。最后要合理安排好工程设备运输工作，防止出现运输车辆窝工增加成本的现象出现。
2.4、加快风力发电技术的研究
通过对风力发电机组的更大叶轮直径、更大单机容量机型的研究，可以提升发电机组对低风速情况下的风能利用率，从而提高年等效利用小时数，从降低风力发电的单位电度成本。而在此过程中，风力发电机的尺寸以及其重量都会有较为明显的上升，为了提升风力发电建设过程中的安装和运输效率，需要对风力发电机组的结构设计不断进行研究和创新，尽量在提升单机容量的基础上将其设计紧凑化和轻盈化，从而更好为我国的风力发电发展提供技术支持。
2.5、强化风力发电的经济效益和环境效益
虽然风电项目没有能源成本，但是决定风电项目经济效益的因素仍然与普通发电项目相似，包括总投资、运营成本与上网电价三个方面。首先从项目总投资方面来看，风电项目一般包括固定资产投资、融资成本以及现金成本等方面。总投资过高或融资成本过高都会制约风电项目的经济效益。其次在运营成本方面，包括经营成本、设备折旧和运行维护成本等内容。最后在上网电价方面，由于风电项目属于国家鼓励项目，在某些情况下还能够获得国家在电价上的补贴，因此上网电价一般要比普通的火力发电稍高。
风电项目最大的环境效益优势，就是没有空气污染和水污染。火力发电站的污染状况已经不容忽视，大多数火电站虽然已经增加了脱硫脱硝装置，但是仍然不能避免微小颗粒物排进大气。目前，在我国的电源结构当中，火力发电仍然能够占总电力供应量的80%以上，而其中高耗能、高污染的煤电依然在30%以上。煤炭燃烧过程中大量的氮氧化物、二氧化硫(SO2)、各种悬浮颗粒物、一氧化碳(CO)等，不断威胁着我国居民的健康。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆而即便是同样不需要消耗化石能源的水力发电一样会对环境造成破坏，例如蓄水区域造成淤泥累积、鱼类死亡，以及对周边自然环境造成不可逆破坏等。相对而言，风力发电能够避免水力发电和火力发电带来的环境问题，能够起到保护环境的作用。
3、风力发电控制技术新进展分析
3.1、风轮控制技术
（1）叶尖速比控制
在风力作用下，风轮的风向标尖端的旋转线速度称为叶尖速度。叶尖速度比是指在该时间段内叶尖速度与风速的比率。叶尖速度比控制的方法是通过有效地控制叶尖速度的比率来优化风扇系统。考虑到风速不同，并在此基础上确定最佳叶尖速比，因为不可能调节和控制自然风速，风速大小，因此，为了达到控制功能，有必要调整和改变叶尖，包括风旋转力矩调整，以调整最外缘的速度。
（2）功率信号反馈控制
采用该方法控制风轮的功率信号。在风轮运行过程中，其功率会随着条件的变化而变化，这是功率信号反馈控制方法的应用基矗在具体实践过程中，比较系统的最大功率和实际输出功率分析，得到两者之间的差值，然后相应调整风轮桨距，确保风机运行功率达到最大值。
（3）爬山搜索控制
通过这种方法控制风扇的功率点，并且图像被成形为抛物线，并且最高功率点是最大值。如果当前工作点位置不确定，当系统输出的DC功率增加时，可以适当增加风轮转速以改变系统输出的DC功率，抛物线左侧的最高点，以及反之亦然。该方法可用于找出最大功率时间点，并在此基础上确定风轮的速度。
3.2、风力发电机与相关电力电子变换器控制技术
（1）风力发电机控制技术
风力是风力发电的能量来源，由于风在离地面较高的位置较大，因此需要在高海拔地区进行能量转换。发电机及其相关设备应最大限度地提高效率并减轻其重量。永磁发电机具有损耗小，效率高的优点，广泛应用于风力发电系统。
（2）电力电子变换器控制技术
在风力发电系统中，其电力电子变换器必须具备以下特点：它具有广泛的用途，可在大型风力发电系统中高效使用，在风能转换中，具有较高的能量转换率，转换完成后，还具有传输效率高，可以有效的无功功率条件，实现功率因数的提高;高可靠性和安全性能。
4、风力发电技术的发展趋势
当前越来越多的人认识到了风能重要性，也不断的加强了对于风电技术的研发和改进，未来风力发电技术的建造成本将会逐渐降低，并且将会渐渐的向海上转移。在风力发电推广的过程中，想要不短的增加风力发电的规模，就需要不短的对风力发电技术进行不断的改进和完善，以此来提高风力发电的效率。在对风力发电机的功率进行控制的过程中，相应的技术人员需要对风力发电机实际的工作环境进行考察，对风力发电机组的内部结构进行不断的优化和改进，从而有效的提高风力发电设备的稳定性和高效性。
4.1、单机小容量向大容量的发展
随着科学技术水平的不断提高，风力发电技术最主要的发展趋势就是不断的提高了工作时的电容量，当前很多风力发电机的电容量基本都可以保持在一兆瓦以上，但是最大的可以达到五兆瓦。 在当前的一些发达国家内已经开始使用更大电容量的发电机，美国甚至已经开始研发电容量为十兆瓦的发电机。随着科学技术水平的不断发展，在未来风力发电的最大电容量可能会达到五十兆瓦。
4.2、风力发电由陆地风电向海上风电的发展
作为大容量风力发电机组研发中非常重要的目标之一，海上风力发电目前是世界上各国都在研究和发展的重要课题，目前我国单机容量为5MW、6MW的风电机组已经进入商业化运营。美国已经研制成功7MW风电机组，并正在研发10MW机组；英国10MW机组也正在设计进行中，挪威正在研制14MW的机组，欧盟则正在考虑研制20MW的风电机组。能否不断提升海上风力发电的建设规模以及发电能力，成为各国研究的核心目标。作为一个海上风电资源非常丰富的国家，我国的海上风力发电有效利用可以大幅度提升我国风力发电产业的整体发展，同时为我国的电力行业发展和节约能源做出巨大的贡献。
4.3、风力发电变速恒频向变速恒频直驱永磁同步发电机方向发展
目前，风力发电的主流是变速恒频风力发电机，在可靠性和变流量技术中，变速恒频直驱永磁同步发电机系统具有更大的优势。直驱永磁同步发电机系统的使用提高了系统的可靠性，全功率变流器技术可以满足低压交叉井的要求。
4.4、风力发电有齿轮箱向无齿轮箱发展
在风力发电中的齿轮箱需要高风力，难以加工和重型设备。因此，直驱风力发电技术得到了迅速发展，无变速箱直接驱动模式可以有效减少变速箱问题引起的机组故障，降低风电场的维护成本，大大提高了可靠性和效率。
4.5、小叶片低塔筒向长叶片高塔筒的发展
风力机叶片是风力发电机中有效捕获风能的关键部件，叶片长度随着风力机单机容量的增加而增加。鉴于我国大部分地区低风速带的实际情况，国内风力发电机组通过技术创新，风轮叶片更长，塔架更高，捕获更多风能资源，目前10MW海上风机叶轮叶轮直径已达190m，土地常用2.5MW风机叶轮直径达145m，塔高达140m，低风速区风能利用效率较高。
总之，随着社会的不断发展，我国对于风力发电的重视度正在不断地提升。在过去的时间里，虽然我国的风力发电取得了一定的成绩，但是同样在工作的过程中也暴露除了许多的问题。风能是一种十分清洁的可再生能源，具有良好的经济效益和环境效益，较好地满足当前我国用电量增加的问题。我国具有大量的风能资源，使得风能在我国有十分广阔的发展前景，国家要继续推动风能产业的发展，保证市场公平，推动风能汗液的技术研发，推动风能发电的全面发展。为了更好提升风力发电运行的稳定性，为我国人民提供更加稳定的电力服务，不断对风力发电的发展策略进行调整，同时对风力发电的技术进行研究是非常有必要的。相信随着我国相关部门以及企业的不断努力，我国的风力发电将会在电网建设中发挥越来越重要的作用。
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论文作者:梁旭东
论文发表刊物:《科技尚品》2018年第11期
论文发表时间:2019/7/18
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