新時期新能源風力發(fā)電相關(guān)技術(shù)研究

北京京能清潔能源電力股份有限公司東北分公司 史佳鈺

改革開放以來，我國經(jīng)濟得到了快速的發(fā)展，而隨著近年來能源消耗量的不斷增加以及社會各界對環(huán)保問題重視程度的提高，如何提高太陽能、風能等新型環(huán)保型能源的利用率，減少煤炭、石油等化石能源的使用，成為當前的熱門話題。風能作為一種可再生清潔能源，儲量巨大且在我國分布廣泛，通過風力發(fā)電技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，能夠在一定程度上緩解我國當前電力資源緊張、能源匱乏以及環(huán)境問題突出的問題。因此，加強新時期新能源風力發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用水平，具有極強的現(xiàn)實價值。

1 新時期新能源風力發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用價值

1.1 經(jīng)濟性價值明顯

人們對風能的使用可追溯至古時候，隨著近年來人們對風能重視程度的提高，風能利用技術(shù)得到了快速的發(fā)展并在發(fā)電領(lǐng)域得到了較好的應(yīng)用。目前在我國一些風能密度較大的地區(qū)，風力發(fā)電的成本已經(jīng)接近于傳統(tǒng)火力發(fā)電的成本，因而其經(jīng)濟性得到了顯著的提高，并且隨著風力發(fā)電能力的提高，其建設(shè)與運行成本還將進一步的降低。

1.2 建設(shè)周期短，獨立性好

相較于其他發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用，風力發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)周期短，可在較短的時間內(nèi)實現(xiàn)區(qū)域供電。隨著風力發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，風力發(fā)電系統(tǒng)的組建已經(jīng)逐漸趨于標準化，一般風力發(fā)電站的建設(shè)可在較短時間內(nèi)建設(shè)完成并投入使用。此外，在我國一些偏遠山區(qū)，風力發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用可有效滿足當?shù)胤稚⑿缘碾娏π枨蟆?/p>

1.3 環(huán)保性好

風能是一種可再生的清潔能源，通過加大風能利用技術(shù)的研發(fā)力度來提高風能的利用率，可以減少化石能源的使用量，進而改善傳統(tǒng)能源使用造成的環(huán)境污染問題。隨著近年來國家大力推廣風能利用技術(shù)的應(yīng)用，并從宏觀政策層面降低煤炭資源的使用量，我國環(huán)境情況得到了顯著的改善。

2 風力發(fā)電相關(guān)技術(shù)分析

2.1 風功率預(yù)測技術(shù)

風電功率預(yù)測技術(shù)的應(yīng)用是為了通過預(yù)測風力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的大小，進而合理安排資源調(diào)度計劃，根據(jù)預(yù)測周期與預(yù)測模型的差異，相應(yīng)的預(yù)測方法也存在一定的不同，如表1所示。

表1 預(yù)測方法分類

（1）按預(yù)測周期分類。根據(jù)預(yù)測周期的差異，風功率預(yù)測方法包括超短期預(yù)測、短期預(yù)測與中長期預(yù)測。在應(yīng)用方面，超短期預(yù)測主要用于風電實時調(diào)度；短期預(yù)測一般用于機組組合與備用資源調(diào)度；中長期預(yù)測通常用于系統(tǒng)維護與風能資源評估。

（2）按預(yù)測模型分類。根據(jù)預(yù)測模型的差異，風電功率預(yù)測方法包括物理法、統(tǒng)計法與組合模型法。其中，物理法是通過相關(guān)設(shè)施模擬風電場附近區(qū)域天氣情況，得到風電場附近的風向、風速、氣壓以及空氣密度等參數(shù)，創(chuàng)建風電功率模型，進而實現(xiàn)風電功率的預(yù)測；統(tǒng)計法則是通過相關(guān)的數(shù)學(xué)函數(shù)公式，得到現(xiàn)有數(shù)據(jù)和預(yù)測數(shù)據(jù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，通過對兩者之間的相關(guān)性分析，進行結(jié)果預(yù)測，統(tǒng)計法在實際應(yīng)用中依托的數(shù)學(xué)工具主要有時間序列算法和機械學(xué)習算法；組合模型法并不是一種專門的預(yù)測方法，它是將其他功率預(yù)測方法進行了整理與融合，從而創(chuàng)建出更加接近實際的預(yù)測模型，結(jié)合各種預(yù)測方法的優(yōu)點，得到更加準確的結(jié)果。

2.2 風電機組功率調(diào)節(jié)技術(shù)

在某種程度上，當風能密度足夠的時候，風力發(fā)電機的功率大小直接影響到風力發(fā)電系統(tǒng)的供電能力。因此，功率調(diào)節(jié)技術(shù)在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用尤為重要。風力發(fā)電機組的作用是將風能轉(zhuǎn)化成機械能，然后將機械能轉(zhuǎn)化為電能。當發(fā)電機組所處的環(huán)境內(nèi)風力大小較小時，需要盡量提高風力發(fā)電機組捕獲風的能力，進而提高風電機組的發(fā)電功率；當風電機組附近風力過大時，需要考慮風電機組整體結(jié)構(gòu)強度與發(fā)電容量的限制，避免出現(xiàn)機組過載的問題，通過降低機組捕獲風能的能力來保證機組的安全和發(fā)電功率的穩(wěn)定。風電機組的功率調(diào)節(jié)技術(shù)主要包括以下兩種。

（1）定槳距失速控制技術(shù)。該技術(shù)的應(yīng)用是把螺距風機葉片和輪轂固定在具有足夠剛度的基礎(chǔ)上，然后通過焊接的方式連接在一起。應(yīng)用定槳距失速控制技術(shù)能夠簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，保持風電機組的運行的穩(wěn)定，該技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢在于，渦輪機的輸出功率可以隨著環(huán)境中風速變化的情況相應(yīng)的發(fā)生變化。但是，由于風機葉片被焊死因而不能根據(jù)實際中風速的變化進行動態(tài)的調(diào)整，且應(yīng)用該技術(shù)很難實現(xiàn)較高的風能利用率。

（2）變槳距控制技術(shù)。變槳距控制技術(shù)指的是通過調(diào)節(jié)槳距角度，實現(xiàn)風電機組輸出功率的調(diào)節(jié)。在實際應(yīng)用中，當風力發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率低于額定功率時，槳距角始終維持在零度位置，輸出功率主要由外界環(huán)境風力大小決定；當風電機組所處的環(huán)境風力較大風電機組輸出功率超過機組額定功率時，系統(tǒng)會根據(jù)實際輸出功率的大小自動調(diào)節(jié)槳距角，從而控制機組輸出功率不會超過額定功率，以此來防止系統(tǒng)過載而損壞。變槳距控制技術(shù)是一種主動型控制技術(shù)，它能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，在防止槳距失速方面具有重要的作用。此外，變槳距控制技術(shù)還能夠保證風輪旋轉(zhuǎn)后在較大正槳距角的情況下產(chǎn)生足夠的啟動力矩，并且在停機時保證槳距角處于90°位置，從而可以盡可能的降低風輪空轉(zhuǎn)速度。

2.3 無功電壓自動控制技術(shù)

無功電壓自動控制技術(shù)的應(yīng)用主要包括無功電壓自動控制子系統(tǒng)與附屬監(jiān)控系統(tǒng)。自動控制子系統(tǒng)可以作為一個單獨的功能單元獨立運行，也可以集成在監(jiān)控系統(tǒng)中，它的主要作用是監(jiān)測風電場內(nèi)的無功電壓情況，并通過通信系統(tǒng)傳遞相關(guān)無功電壓的調(diào)節(jié)指令。子系統(tǒng)的運行與狀態(tài)控制可通過人工設(shè)置來完成，風電場內(nèi)的相關(guān)控制設(shè)備也可以實現(xiàn)人工的解鎖與閉鎖，系統(tǒng)通過自動控制完成設(shè)備投退。當風力發(fā)電系統(tǒng)處于穩(wěn)定運行狀態(tài)時，子系統(tǒng)能夠體現(xiàn)出較好的無功調(diào)節(jié)能力，達到維持電壓穩(wěn)定的效果；如果機組無法有效完成無功功率的調(diào)節(jié)，可由動態(tài)無功補償設(shè)備進行無功補償。此外，子站還能完成風電機組以及無功補償狀態(tài)的自動調(diào)節(jié)，進而保證無功功率得到充分的補償。

3 未來風力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展方向

3.1 大容量風電系統(tǒng)

隨著社會對風力發(fā)電技術(shù)關(guān)注度的提高，近年來投入使用的風力發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模越來越大，結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜。但是，現(xiàn)階段我國在大容量風力發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用方面還存在較多的不足，目前仍有許多技術(shù)難題未能有效攻克。同時，現(xiàn)代風力發(fā)電機組單機裝機容量的不斷加大，也導(dǎo)致風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計以及控制系統(tǒng)的設(shè)計變得更加困難。未來，隨著各種新材料的出現(xiàn)以及加工工藝的創(chuàng)新，大容量、高可靠性和高性能等要求都可以在風力發(fā)電系統(tǒng)中實現(xiàn)。此外，大容量的直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機也將是未來風力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展方向之一。

3.2 并網(wǎng)技術(shù)與最大風能捕獲技術(shù)

并網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)主要包括風力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)與發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制技術(shù)兩個層次的內(nèi)容。通過全功率電力變換器進行系統(tǒng)控制，能夠有效的保證風力發(fā)電系統(tǒng)的可靠性要求，并網(wǎng)開關(guān)可實現(xiàn)并網(wǎng)控制功能。在實際應(yīng)用中，通常采用調(diào)節(jié)變槳距和發(fā)電機組功率轉(zhuǎn)速的方式來盡可能的捕獲風能，風力發(fā)電機組輸出功率的調(diào)節(jié)需要綜合考慮風力發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟性與可靠性，因此未來風力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)與風能捕獲技術(shù)的創(chuàng)新優(yōu)化也是未來風力發(fā)電技術(shù)的重要發(fā)展方向。

3.3 變槳距調(diào)節(jié)技術(shù)和變速運行技術(shù)的優(yōu)化

通過變槳距調(diào)節(jié)能夠保證系統(tǒng)始終保持在最優(yōu)設(shè)置下運行，因而可以實現(xiàn)較高的可靠性。當實際風速低于額定風速時，能夠有效提高風能的利用率；當實際風速大于額定風速時，通過系統(tǒng)調(diào)節(jié)，保證輸出功率的恒定。同時，變速運行能夠在保證最大風能捕捉量的前提下顯著提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。因此，變槳距調(diào)節(jié)技術(shù)與變速運行技術(shù)未來還需要進一步的優(yōu)化，以實現(xiàn)更好的效果。

3.4 海上風電場技術(shù)

相較于陸地，海上風能更加豐富且風向較為穩(wěn)定，因此可以在海上建設(shè)單機容量更大的風力發(fā)電站。但是，目前海上風電場電力輸送困難、海上風電場前期建設(shè)復(fù)雜、資金投入高、海上風電技術(shù)起步較晚以及海上風電場協(xié)調(diào)性控制等相關(guān)問題還沒有得到很好的解決。未來，在科技不斷發(fā)展的背景下，徹底解決這些瓶頸問題后海上風電場技術(shù)將得到快速的發(fā)展。

結(jié)語：綜上所述，作為新時期新能源的典型代表之一，風能的利用成為當前的熱門課題。近幾年風電技術(shù)得到了較快的發(fā)展并取得了一定的成果，尤其是在偏遠山區(qū)實現(xiàn)了較好的社會效益。未來，還需要進一步加大相關(guān)風電技術(shù)的研究投入，克服限制風電技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的因素，推動我國風電事業(yè)的健康發(fā)展。