王丽宏
前言
可再生能源的开发利用,特别是对风能的开发利用,已受到世界各国的高度重视。我国风能储量很大且分布很广,开发利用潜力巨大。本文通过分析我国风力发电现状,找出存在的问题,对风力发电的技术发展提出建议。
一、我国风力发电的现状
十九世纪九十年代丹麦出现首个现代风力发电机。而直到上世纪八十年代,风力发电机组的电气控制才得以实现,不过在这一时期的产品中,模拟电子器件仍然被大规模应用。信息技术的快速发展,在上世纪八十年代中后期催生了基于微处理器的风力发电机组电力控制系统,并在进入九十年代之后得到了大规模的应用和推广。九十年代中后期,基于单板机的电气控制系统和基于单片机的微机控制开始成为风力发电机组电气控制的核心部件。
我国国内针对风力发现所展开的实践探索开始于上世纪五十年代。而二十世纪八十年代中期首次引入55kw容量等级风电机组并将其投入商业应用之后的二十多年发展过程中,我国当前的风电市场已经初步成熟。根据相关部门提供的统计数据显示,截止到2009年底,我风电总装机容量已经位居世界第二位,达到惊人的2601万kw,而这一数字在2010年已经达到了44733.29万kw。从这一数值的变化情况我们可以发现,我国的风力发电市场有着巨大的潜力。
从技术发展的角度分析我们可以发现,我国市場经济环境下,风电企业经历了从单纯引进外国技术到本土化革新再到自主创新的三个阶段之后,当前已经有了基本的技术积累。尤其是兆瓦级机组在国内市场中的普及,更是标志着我国自主研发能力已经进入了全新的阶段。当前,我国风电机组企业已经基本占领国内市场,并积极主动的向国际市场挺进,但是包括主轴在内的高技术含量部件仍然大规模依靠进口。基于上述情况,我国风电装备制造业有必要从自身的实际情况出发,进一步突进自主创新,加大核心技术攻关的投入。
二、风力发电的技术发展
风电技术涉及包括电机学、力学、材料学在内多诸多学科的工程项目。当前针对风电技术的研究主要集中在机组大型化、控制策略优化等诸多领域。
(一)风力发电机组机型及容量的发展
提高设备可靠性和效率是当前风电技术发展过程中的核心问题。而单机容量的大型化发展,是当前提升风能利用率的主要途径。上世纪八十年代中期开始在市场中的大规模出现55kW容量等级的风电机组到今天的兆瓦级机组成为市场中的主流产品,国内兆瓦级风电机组的装机容量相对于国际先进水平来说还有一定差距。
(二)风力发电机组控制技术的发展
控制技术之所以成为当前阶段风电机组的核心技术,主要是因为:
1)风力发电过程中对发电质量影响最大的风速受到多种因素的影响,因此风力发电具有一定的不可控性,所提供的电能在稳定性方面也存在一定的不足。2)通常大型风力发电机组所使用的叶片尺寸在60m~100m之间,这是保证发电效率的必然选择,但是风轮必然具有巨大的转动惯量。3)控制技术在风力发电机组的入网和脱网以及后续的故障检修方面都有巨大的应用价值。
基于上述情况。当前国内外大量专家学者都致力于对风力发电的控制技术和控制系统的研究,而这些研究对于保障风能资源的有效利用显然是具有重要的现实意义。值得注意的是,当前智能化控制已经成为研究的前沿方向和主要流派。
作为近年来新发展的一种风力发电系统,变速恒频风力发电机组在实际的应用过程中,由于其转速不受发电机输出功率的限制而有着较为良好的性能表现。相对于市场中较为常见的恒速风电机组来说,具有如下几方面的优势:低风速时能够跟踪风速变化,在运行中保持最佳叶尖速比以获得最大风能;高风速时利用风轮转速的变化调节风力机桨距角,在保证风电机组安全稳定运行的同时,使输出功率更加平稳。变速恒频风力发电机组通过励磁控制和变桨距调节来实现最佳运行状态。变桨距是根据风速和发电机转速来调整叶片桨距角,从而控制发电机输出功率,由传动齿轮箱、伺服电机和驱动控制单元组成。
(三)风力发电机组控制策略的发展
作为一种典型的密度低、稳定性较差的可再生能源,风能在实际的利用过程中,风速、风向等多种因素的变化都将会对其发电性能产生严重的波动。尤其是风力机叶片攻角在风速和风向变化的过程中不断随之变化,客观上导致了叶尖速比难以长期保持在最优值上,而同样的,这也同样会导致发电效率的巨大波动,如果没有相应的处理,必然对电能的质量和计入电网的整体稳定性产生不同程度的负面影响。这里指的强调的是,在一些小型电网中,风机发电的不稳定性对于整个电网的稳定性所具有的影响能力是非常巨大爱的。柔性部件的应用是当前阶段风电发电机组中降低内部机械应力的有效途径,不过在实际的应用过程中,这种方式也同样在客观上增加了机组的整体复杂性,为其设计和后续的维修养护带来了巨大的难度。当前阶段针对风力发电机组的控制策略研究主要是围绕现代控制方法和数学模型为基础的传统方法这两种方法展开的。其中线性控制方法是传统控制方法中的主流内容,主要是通过对电机电磁转矩的调整来最大限度的让叶尖速比处于最优值,并以此为基础来提升风能资源的利用效率。但是传统方法在快速变化的风速中所能够起到的调节作用具有明显的滞后性特征,同时已线形特征为基础的数学模型计算方法由于不确定因素过多,因此在我国内陆很多非线性较为严重的风电系统中的应用难以取得理想的效果。
而现代控制方法在实际的应用过程中则效果相对良好。包括鲁棒控制、智能控制在内的现代智控制方法由于相应快速、系统参数敏感度较低、设计简单等特点而得到了广泛的应用。其中。鲁棒控制在实际的应用过程中能够较好的处理多变量问题,对于很多干扰较强的风力发电系统能够提供强大的控制能力。而模糊控制作为当前一种应用较为广泛的智能控制方法,在实际的应用过程中最大的特点是将传统的专家意见和原有的经验转变成语言规则,并以此为基础来对风电机组进行控制,这种方法由于对被控制对象的数学模型的依赖性较低,因此在非线性因素影响的克服方面表现非常出色,也同样因为如此而得到了越来越多风电人的关注和重视。人工神经网络技术在实际的应用过程中,实际上是通过对人脑神经网络特征的模拟来形成若干拓扑结构的神经网络,本身具有较好的学习性,因此在风力机的低风速节距控制方面的应用有着较好的效果。
综上所述,我国风力发电产业取得了飞速发展,但在快速发展的过程中也出现了很多问题。因此,为大力发展我国风力发电产业必须将强自主创新,加大建设投入,加大扶持力度,建立健全完善统一的风电标准规范体系。