針對新時期新能源風力發電相關技術討論分析

趙泓明

摘 要：目前針對世界上能源問題一直存在，各種化石能源越來越稀少，迫切需要各種新型能源的開發利用，世界上各種新能源主要包括有風能、太陽能、潮汐能、地熱能和生物質能，而風能發電和太陽能發電相對技術嫻熟，應用發展比較多。風能是豐富清潔的可再生能源，因其自身的優點使其得到了許多國家高度重視并且利用風能發電。因為每個國家的發展狀況不同，因此在對風能利用上也存在著差異。但是由于風能的更深層技術越來越復雜繁瑣，存在各種瓶頸問題限制于各國利用風能發電都存在一些問題。如何努力克服這些問題取得風力發電的最大效益才將是意義深遠的課題，本文即對相關風力發電問題做一定概述。

關鍵詞：風力發電技術 發展現狀 存在問題

中圖分類號：TK81 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）01（a）-0067-02

風能與太陽能是目前開發利用相對最多的能源，風能的新能源存在很大部分的不確定性因素，大容量風電并網會給電網帶來巨大沖擊，威脅電網的安全穩定運行，儲能設備可以快速跟蹤負荷功率變化，及時調節自身的工作狀態和功率大小，使火電機組在恒定的功率點穩定運行，調峰調頻的效果明顯。未來的儲能設備必然向高儲能密度、大容量、使用周期長的方向發展，可有效緩解新能源并網給電網造成的沖擊，使系統安全穩定運行。

1 風能的優點

風能與常規能源相比，雖然目前還不能成為一種完全獨立的、主要的能源。風能取之不盡，用之不竭，可以無限期的為人類所服務。風能的利用簡單方便。我們知道，絕大多數能源得以利用時，都要經過一個從勘測、采掘到運輸、加工、處理等一系列的復雜的過程才能達到使用的目的。除此之外，在利用時所需的設備裝置構造都比較的復雜、精密、昂貴。而風能利用非常簡單，它來之即用同時還不污染環境。由于風能的這些優點，所以許多國家都利用了風能發電。風能具有一定的動能，運行經驗表明，只要風速達到3m/s的微風速度便可以開始發電。風力發電流程眾所周知的是通過風輪機將風能轉化為機械能，拖動發電機發電，發電過程中通過電力電子、調頻器、調速器等相關控制部分組成，然近年來政府不斷出臺政策鼓勵新能源發電，發展速度也較快，但還需要克服很多關鍵技術來降低新能源發電成本以及并網運行問題。

2 風力發電特點

風力發電顧明思義就是利用風的動能推動風電機葉輪，把葉輪的機械能轉化為電能的過程，當風力越大，大風的作用使葉輪旋轉加速器更快，進而機械越大，使發電功率越大。風能的大小和方向是時刻改變的，主要受地形、天氣、季節等條件的影響，在我國西北地區分布較豐富。依據相關學者與眾多運行實踐的研究，風能的能量大小是可以通過公式計算而來，如風能是指單位時間內通過垂直于風速截面積的功率，其表達式為：其中，為空氣密度，單位為kg/m3，其與氣壓和溫度等因素有關；A為風速截面積，單位為m2；V為風的速度，單位為m/s。由式（1）可知，顯而易見，風能與風速的關系特別明顯，與三次方成正比例，即風力發電機組在微風作用環境下，它也可以把機械能轉化為電能。風能轉換為電能的表達式為：。其中，Cp為風電機的功率系數或者風輪效率，其與尖速比T有關，尖速比T為葉輪末端的線速度與風速的比值，可以將其表示為：，其中，為葉輪的角速度，單位為rad/s；R為葉輪的半徑，單位為m。

因為風能非周期性、偶然性，導致風能存在功率不確定的特點，如果不對風力發電的功率預以控制，當某一時刻風力發電不足，就會可能導致整個電網的有功不足，進而使頻率進一步降低，影響電能的質量，使電力系統的穩定性進一步降低。因此需要在電網中接入儲能設備，可以有效消除風電帶來的不利影響。

3 風力儲能設備

儲能設備是指能夠將能量大規模地高效地儲存起來、在需要時迅速釋放出來的裝置或設施。具有代表性的機械儲能方式是抽水儲能，運行經驗顯示，在晚上負荷需求量比較少的時候，電價相對便宜，抽水儲能電站可以通過對外買電量，來保證水能抽水電動機的運轉，使水能進一步儲存起來，使水位抽到比較高位置，以勢能的形式儲存起來，在白天負荷需要比較多的時候，可以將水進一步用來發電。目前抽水蓄能技術比較成熟，效率達到70%以上，在國內外都有廣泛的應用，但其建設也受到地理條件等的約束。目前在我國主要的儲能方式可以劃分為兩種，第一種即是剛剛所述的抽水蓄能電站，第二種就是所說的電化學儲能，它主要包括鋰離子電池、鉛酸電池、鈉硫電池等，這種儲能方式可以簡單的理解為把電儲存在多組串聯的蓄電池內，當需要電能的時候，利用蓄電池組進行對負載放電，即達到了儲能作用，在大多數電站或者發電廠內，都有多組蓄電池，并且安裝有自動負荷切換裝置。

4 風電與儲能設備并網可行性分析

風電存在不確定性因素，在某一段時間內其發出的功率可能大于電網的負荷功率，而在另一時段內發出的功率可能小于負荷功率，在這兩個時段內風電的總發出功率可能足以滿足負荷需求，但如何尋求一種方法，使在風電發出功率小于負荷功率時系統仍能安全經濟運行。隨著科學技術的發展，儲能技術日趨成熟，且容量規模逐漸擴大。在接入風電的電力系統中并入儲能設備，可以有效地克服風電不確定性因素帶來的影響，提高電網供電安全性和可靠性。儲能設備可以起到調峰調頻作用，使機組平穩出力的作用。因此，利用風能資源進行發電，一方面可以減少常規發電機組的出力，節約能源和發電成本，維護環境；另一方面由于其具有較大的隨機性和波動性，又將給電力系統的安全可靠運行帶來風險。

5 風電場與抽水蓄能電站聯合發電

風力發電具有隨機性、波動性等特點。風力發電的出力往往不平穩，起伏較大。風力發電不具備有功調節和無功調節的能力，最顯著的短板就是，當風小時不能發電，當風太大時為了保護機組也不能發電，這樣的特性大大影響了風電的可靠性。為了解決風電的連續性和穩定性問題，最好的解決辦法就是利用抽水蓄能電站彌補風力發電的不足。

抽水蓄能電站由于其自身特征，相比其他的發電形式更適合同風電場互補運行。主要表現在：其一，具有很強的調峰能力。抽水蓄能機組在負荷高峰期，能夠快速起動，帶上負荷，彌補大型火電站啟動慢導致的發電缺口。在用電高峰期，有的地方負荷變化率可達到50MW/min，尖峰變化率甚至可以達到l00MW/min。在此情況下，相比大型火電機組的負荷反應速率，抽水蓄能機組可以實現更為迅速的負荷響應。在機組啟動速度方面，利用天然氣發電的機組也能夠實現相關功能。但是，抽水蓄能機組相比他們作為快速響應的備用機組，更能節省燃料費用，同時運行維護費用也相對較低。其二，具有很好的調頻本領。系統頻率會隨著當地負荷的變化而上下起伏，為了保證電能的質量，這時就需要有相關設施進行調頻處理。抽水蓄能機組擁有水力機組的特點，調節靈活，可以根據相關的調節信號，快速增加或減少出力，及時實現負荷平衡。這種調頻能力相比其他形式的發電更為優秀。

6 結語

因風電場的出力具有不確定性，在含風電場的電力系統中，將風電場的出力按照負荷來處理的方法雖然一定程度上解決了風電場的處理方法，然而對風電場出力隨機性顧及不足。因此，相關學者采用不同的科學數理方法來對風電場進行討論分析，本文對新能源風力發電有一定參考意義。

參考文獻

[1] 李秀卿，羅忠游，郭芳義.基于網絡流和內點法的電力系統動態經濟調度[J].繼電器，2006，34（10）：37-40.

[2] 趙波.應用粒子群優化算法求解市場環境下的電力系統動態經濟調度問題[J].繼電器，2004，32（21）：1-5.

[3] 陳海焱，陳金富，段獻忠.含風電場的電力系統經濟調度的模糊建模及優化算法[J].電力系統自動化，2006，30（2）：22-25.

[4] 侯昀.上海新能源應用中的可行蓄電池儲能方案研究[D]. 上海交通大學，2011.