新能源風力發電的發展思路探析

陳少陽

【摘 ?要】目前，由于風力發電具有成本較低、發展前景廣泛、應用方便、可再生性好等優點，逐漸受到了各國專家學者的注意。近年來，我國風力發電技術發展較快，在各方面取得了重要科研成果，并成功投入應用。風力發電技術的應用對于環境污染的改善，化石燃料的節約都具有深遠意義。因此，該文主要闡釋了風力發電技術的工作原理以及風力機最佳運行原理，并在此基礎上提出了調節風力發電機功率的幾種方式，最后對風力發電系統控制技術的實際應用進行分析。

【關鍵詞】新能源;風力發電;發展趨勢

1 引言

為了更充分的利用風力能源，我國在風力發電技術方面發展的非常迅速。風力發電技術的進步推動了風力發電的廣泛應用，也促進了我國風力發電廠的建設。但是風力發電的供電網絡中心跟其他發電方式相比穩定性較弱，抵抗外界干擾的能力也比較差，不能受到過于大的沖擊力。這就使得風力發電系統在發電過程中經常出現各種各樣的問題，因此如何解決風力發電容易出現故障的技術性問題和提高風力發電電能質量問題便顯得越來越重要。本文便是從解決風力發電穩定性較弱，抵抗能力較差的問題出發，不斷的提高風力發電的質量，為風力發電在我國的更廣泛的應用做保障。

2 風力發電及其控制技術的進展情況

2.1 風力發展的現狀

中國擁有豐富的風能資源，全年風能資源總量32.26億kW（地面以上10m風速大于5m/s），實際可開采量為10.4億kW。根據我國的實際情況，新能源戰略已經開始著重發展風電。因此我國風電發展前景相當可觀，從現在到未來將保持高速發展的趨勢，同時，隨著風力發電技術的逐步成熟，風電行業的盈利能力也將穩步提高。根據中國工商業研究院發布的數據，截至2017年底，全球風電市場主要集中在5個國家：中國、美國、德國、印度和西班牙。其中，中國累計裝機容量188392兆瓦，居世界第一，美國累計裝機容量89077MW，居世界第二。與2007年前我國風電裝機容量相比，近年來我國風電裝機容量實現了質的飛躍。因為不斷增加的裝機容量，中國已成為了世界上最重要的風力發電國之一。

2.2 風力發電系統的控制

由于自然風在不同時期和不同氣候條件下會出現不同風速和風向，所以有效地控制發電系統是一項重要的工作，首先需要有效地控制好機組內的切入和切出電網、對輸出功率進行控制、并檢測風輪是否出現運行故障、做好保護措施。風力發電系統的控制技術由之前的定槳距恒速運行技術發展至現在的變槳距變速運行技術，有了較大的突破和超越，達到了城市中基本的供電指標。在風力發電機組中關鍵的技術是機組功率的調節技術，包括主動失速、定槳距失速和變槳距調節等。當下，風力發電機組具備了變槳距變速運行技術，對風速和風向的變化進行控制，另外，風力發電控制系統不只是在機組內達到脫網、并網和調向控制的作用，還可以通過變距系統進一步管控好機組的運行速度和功率，從而確保風力發電機組的安全以及速度的加快，推動電力行業的快速發展。

3 互補發電系統

（1）風光互補發電系統。風力資源易受地形地勢的影響，且與地域位置有關。我國的地域分布及季風氣候決定我國冬季風能豐富而太陽能不足，夏季太陽能豐富而風能不足。因此，可以將二者進行很好結合，利用風光互補的發電結構解決風能發電和太陽能發電的隨機性，實現電能輸出的穩定。該系統尤其適用于風能和太陽能都較為豐富的地方，如：海島、沙漠、草原、山區等。該系統還適用于小區和環境工程，如：路燈、觀景燈、廣告牌等。（2）風水互補發電系統。風水互補發電系統就是將風能發電系統與水能發電相結合的發電系統，當風能發電出現波動時，水電站可以迅速調節輸出補償風能發電。另外，在我國部分地域風能和水能在分布上具有時間互補性，例如我國的新疆、內蒙古、青海等地區，夏秋季風速弱，風力發電輸出能力弱，但是這2個季節雨水量較大，水力發電可以補償部分負荷。春冬季節，雨水量較低，水力發電輸出能力較弱，但這2個季節風能較強，風力發電輸出較大，能夠對水力發電進行穩定性補償。（3）風氣互補發電系統。風氣互補發電系統是指風力發電與燃氣發電相互補償。利用具有快速啟停和快速調節負荷特點的燃氣發電機補償風力發電機輸出的波動，使得整個發電系統的輸出能力在一段時間內保持穩定。目前，風氣互補發電系統在新疆地區已經得到了應用。

4 風力發電及其控制技術的研究

4.1 風輪的控制技術

①利用功率信號的反饋。利用功率信號的反饋進一步管控好風輪的功率信號，當風輪運行時，它們的功率與實際條件的改變是一致的，然后再對功率的關系作出分析，之后繪制出最大功率的曲線圖，完成以上工作后接著做后面的工作。在實際操作時，還應該對比最大功率與系統中的實際輸出功率，獲取它們的差值大小，之后再進行風輪槳矩的調整工作，這樣才有助于風輪的運行功率最大化。這種方式使成本無須花費過多，但是風機在正常運行時要獲得最大功率曲線較為困難。②管控好葉尖速比。受到風力作用的影響，風輪中風葉尖端轉動時具有線速度，并且將其稱為葉尖速。其中葉尖速比表示為葉尖速與這個時間之內的風速形成的比值。對葉尖速比進行控制的主要方法是控制葉尖速比值，從而進一步改善風機的運行系統。因為風速不相一致，所以很難有效地確定出最合適的葉尖速比，應該適當地改變和調節葉尖速，并調節好風輪轉矩，這樣才能更好地調整風輪外邊緣的速度，使葉尖速比得到優化處理。

4.2 風力發電中無功功率補償技術與諧波消除技術

①無功功率補償的技術。在感性元件的影響下，發電系統中一些無功功率呈現出消耗的狀態，電壓經過感性元件的時候，因為只是無功功率的消耗使得感性元件兩邊無電壓變化，但是當電壓較高時，經過感性元件的電流較大會給元件帶來間接破壞。這時候，就要結合實際情況采取無功功率補償技術，并且壓抑住諧波作用。雖然無功功率補償的應用很廣，但還是存在一些不足。②諧波消除的技術。風機發電的時候，由于存在諧波就是整個電能的質量不高，也給電的電壓及頻率造成不良影響，使無功功率與有功功率間缺乏平衡，所以一定要把存在的諧波消除掉。具體開展過程中，因為諧波會影響風能的發電，首先，它會造成發電機的鐵損和銅損，在發電機內產生超同步諧振的現象;電力設備在運行時，諧波會造成設備出現熱故障，影響系統的正常運行等。而消除諧波可以從以下幾個方面入手：第一，使用電力變流器和一些電力設備讓相應的相位與諧波進行抵消;第二，適當調整電容器組，進而改變無功功率，從而減少諧波對無功功率的影響;第三，運用三角形的連接方式，這樣能減少諧波的進入量。

4.3 風力發電儲存技術

（1）新型電池儲能技術。電池儲能技術是最簡單的電能儲存方法，主要應用于單獨運行的中小型風力發電機的電能儲存，以便根據風況以及負荷的變化進行電能補償。現在采用的電池主要有鉛酸電池、釩電池、鎳鎘電池、鈉硫電池、鋰電池等。（2）水利蓄能技術。水利儲能技術需要以豐富的水資源為前提，在風能過量時，利用風能帶動水泵將水位提高，將電能轉化為勢能。在風能不足時，將高水位的水進行泄放，帶動水力渦輪發電機發電，從而將勢能轉化為電能。（3）壓縮空氣蓄能技術。壓縮空氣蓄能技術是主要應用于干旱地區的風力發電儲能技術。在風能過量時，利用風能帶動壓縮機，將空氣壓縮儲存到金屬器具內或者礦洞內，在風力不足或者負荷較大時，利用壓縮空氣帶動渦輪機發電。

5 解決風力發電并網技術問題和提高電能質量控制的措施

由于系統內電力電子設備被廣泛的應用非線性復合的不斷增加以及高壓直流通電得到普及，使得系統諧波日益嚴重。要控制電能質量，可以從抑制諧波的產生方面出發。而電抗器、可投電容器以及無功補償設備都可以監控無功功率的波動以及變化，他們具有非常強的抑制諧波的功能。他們可以通過靜電無功補償依靠電機的旋轉運動對電網中的無功、有功相角進行調節的方法，達到補償的目的，從而使電壓輸出平穩，阻止諧波的產生，還可以降低風力不穩定對電能質量的影響。

5.1 動態電壓恢復器的應用

在中低壓配電網中，有功功率進行快速波動也會造成電壓閃電的情況的發生。為了解決這種情況，就需要要求補償裝置在對無功功率進行補償的同時，還有能夠提供瞬時有功功率的補償。動態電壓恢復器是帶有儲能單元的補償裝置，他的出現取代了傳統的無功補償裝置。能單元，能夠在 ms 級內以正常電壓和故障電壓的差值，向系統注入電壓，可以有效解決系統電壓波動對客戶的影響。動態電壓恢復器能夠在非常短的時間內向系統傳輸電壓，可以有效的改善電能質量和動態電壓，是解決電壓波動、諧波等動態電壓質量問題的最佳方法。

5.2 做好諧波抑制措施

在進行風力發電并網技術的應用時，想要提高電能質量控制效果，可以使用靜止無功補償器抑制諧波。靜止無功補償器可以對諧波危害問題進行有效的抑制，這種補償器主要是由電抗器，諧波過濾裝置和多臺可投切電容器等共同構成。靜止無功補償器的最大特征就是具有非常強的反應能力，可以對無功功率進行實時監測，還能夠實時的調整由于風速不穩定導致的電壓變化，從而實現將諧波完全的濾除，從而不斷的提高風力發電技術的應用，提升整體電網的電能供應質量。

5.3 統一電能質量控制器

對電能質量控制器進行統一，可以實現既對電壓加以補償，又對電流加以補償的情況。統一電能質量控制器是典型的綜合類補償裝置。該裝置可以將串聯并聯補償裝置進行有效的融合，幫助用戶解決綜合補償問題。這種補償裝置含有儲能單元的串聯、并聯組合，不僅可以應用于配電系統的諧波補償，還可以解決瞬時供電中斷和電壓波動等動態電壓質量問題，不斷的提高供電可靠性。

6 結束語

綜上所述，隨著國家社會經濟的不斷發展，我國的儲存能源也在不斷減少，環境也遭受到了一定程度的破壞，能源和環境問題日益突出，也越來越受到大家的關注，而風能作為我國的清潔能源之一，將其應用于發電技術中，遵循了我國綠色可持續發展理念，風力發電技術也成了我國最為常見的發電技術之一。目前，我國的風力發電主要有陸地風力發電和海上風力發電 2 類，給我國經濟社會發展和人類生活提供了所需的電力。但是，由于我國的風力發電系統控制技術還存在著較大缺陷，導致我國風力發電效率較低，極大地影響了我國風力發電技術的進一步發展。所以，為了提高我國的風力發電技術，必須要加強對風力發電系統控制技術的研究。

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（作者單位：中廣核陜西潼關風力發電有限公司）