新時期新能源風力發電相關技術分析

牛自強，尚益章

（國華投資蒙西公司川井風電場，內蒙古 巴彥淖爾 015000）

風力發電是一種將風的動能轉化為電能的能量轉換方式，通過這種發電方式得到的電能有著清潔環保的優點，在新時期發展背景下，人們消耗的電力資源總量不斷增長，為了滿足人們在對電力資源需求的基礎上，降低電力供應對自然環境造成的污染，合理應用風力發電技術，成為了一項極為必要的工作。

1 風力發電的技術原理與應用價值

風能是一種清潔無公害的能源，在當前社會發展過程中，合理應用風力發電技術，不僅能夠實現風力資源的有效利用，還能滿足人們生活、生產對電能的需要。隨著人們對風力發電技術重視程度的不斷提升，當前我國風力發電量逐年攀升，從國家能源局發布的數據中可以了解，截止至2021年底我國風電總裝機容量達到4.4億kW。現階段，為使風力發電技術的作用能夠得到充分的發揮，需要對這一技術進行深入研究。

1.1 工作原理

風力發電機的工作原理比較簡單，風輪在風力的作用下旋轉，把風的動能轉變為風輪軸的機械能。發電機在風輪軸的帶動下旋轉發電。近年來，隨著人們環保節能意識的不斷深入，為了進一步提升風能的利用率，風力發電系統越發復雜，當前的風力發電機系統中除了風輪系統、發電機外，還有齒輪箱、控制系統、偏航系統和塔架等部分。具體來說，首先，在風力發電系統運轉過程中，齒輪箱中齒輪的相互作用可以有效提升發電機的轉速，在提升發電機工作效率的同時，保證了電力供應的穩定性。其次，在風電系統運轉過程中，控制系統是保證系統整體穩定工作的關鍵系統，不僅能夠對風電系統中的各個模塊進行有效的管控，對風電系統并網、脫網狀態進行控制，保證風力發電機能夠保持電壓頻率的穩定性，還能對系統整體工作狀態加以監控，一旦發現系統運轉過程中出現問題，則及時發出警報信號，便于工作人員對故障進行排除。再次，偏航系統在實際應用過程中，能夠依據風電系統安裝位置風力變化情況，對風輪的掃掠面進行控制，通過保證掃掠面與風向始終保持垂直狀態的方式，進一步提升風力資源的利用效率。最后，在風力發電系統停止工作時，為切實降低風力發電系統停機的難度，可以通過合理應用伺服控制技術，調整槳距角改變風輪轉速，從而實現風電發動機的速度的管控，在保證系統能夠穩定停止運轉的同時，不會給后續發電系統的重啟造成不利影響[1]。

1.2 應用價值

在電子設備不斷普及的當下，人們對電力資源的需求量不斷上漲，為了在切實滿足人們對電力資源需求的同時，降低由火力發電所產生的的化石能源消耗，減少碳排放量，風能、水能等清潔能源受到了人們的廣泛關注。風能作為一種清潔可再生能源，在我國的分布廣泛，在“雙碳”戰略背景下，應用風力發電技術，不僅能夠減少化石能源的消耗，降低電能供應工作的成本，保障我國的能源安全，還能對當前我國電力資源緊張的狀況加以緩解，降低能源供應過程中對自然環境造成的破壞。具體來說，在化石能源存儲量不斷減少的當下，傳統的火力發電工作成本不斷上漲，并且在部分風能密度較大的區域，當地的火電成本與風電成本相近。為了在減少火電對化石能源消耗量的同時，降低火電產生的環境污染，加大風電的推廣力度，不僅可以降低風電體系的建設運行成本，還能更好地滿足當前人們對環境保護工作的需要[2]。

2 新時期新能源風力發電相關技術

在新時期的發展背景下，因我國陸上、海上風力資源都極為豐富，并且這一資源使用安全性、清潔性相對較高，這使得風電技術在實際使用的過程中有著較多優勢，因此當前我國對風電技術的投入在不斷增長，這一情況的出現使得我國風電技術越發成熟，2022年3月，國家發展改革委、國家能源局印發《“十四五”現代能源體系規劃》，文件提出：到2025年，非化石能源消費比重提高到20%左右，非化石能源發電量比重達到39%左右，電氣化水平持續提升，電能占終端用能比重達到30%左右。規劃要求：大力發展非化石能源，加快發展風電、太陽能發電。全面推進風電和太陽能發電大規模開發和高質量發展，優先就地就近開發利用，加快負荷中心及周邊地區分散式風電和分布式光伏建設，推廣應用低風速風電技術。在風能和太陽能資源稟賦較好、建設條件優越、具備持續整裝開發條件及符合區域生態環境保護等要求的地區，有序推進風電和光伏發電集中式開發，加快推進以沙漠、戈壁和荒漠地區為重點的大型風電光伏基地項目建設，積極推進黃河上游、新疆和冀北等多能互補清潔能源基地建設。積極推動工業園區、經濟開發區等屋頂光伏開發利用，推廣光伏發電與建筑一體化應用。開展風電、光伏發電制氫示范。鼓勵建設海上風電基地，推進海上風電向深水遠岸區域布局。積極發展太陽能熱發電。此后，各省市也相繼發布：“十四五”新能源規劃，其中包含千萬千瓦級大風電項目，2020年北京國際風能大會上提出的《風能北京宣言》指出，在“十四五”規劃期間，我國風電年均新增裝機量將會超過5千萬kW，2025年后，我國風電新增裝機容量應超過6千萬kW。預計到2025年能實現風電總裝機容量11億kW發展目標。

2.1 風功率預測

在當前的風電場工作過程中，受風力大小無法始終保持一致的影響，風電系統的發電功率并不穩定，并且風電系統的發電功率與風力大小之間呈現正比例關系，現階段，為了保證風電系統電力供應的穩定性，利用風功率預測技術，對風電系統的功率進行預測，然后依據預測結果對電網進行調度調整，在降低風電電力并入電網后，電網進行電力調度的同時，提升電網的穩定性，為電網接受更多的風電資源創造有效的環境條件。考慮到在當前風功率預測時，風電場對預測有著不同的模型、周期要求，因此，在實際預測過程中，需要采用具有針對性的預測技術，以便切實提升預測的準確性。

2.1.1 預測周期

為滿足風功率預測工作對于預測時間長短的需要，預測周期可以分成超短期預測、短期預測和中長期預測這幾類，并且在實際應用過程中，超短期預測更多地被用于風電實時調度工作中；短期預測一般被應用于機組、備用資源的調度過程中；中長期預測更多地被應用于系統維護、風能評估等工作中。

2.1.2 預測模型

預測模型法主要可以分成物理法、統計法和組合模型法這幾種風功率預測方法，在實際使用過程中，首先，物理法更多地是以氣象學理論為基礎，通過對風電場區域的氣候情況加以模擬的方式，建立合理的預測模型，然后將模型與風電機組功率加以結合，實現風電功率的有效預測，需要注意的是，盡管在模擬過程中，風向、風速、空氣密度等因素都屬于模擬要素，均參與到了風電場區域氣象模擬工作，但受風速變化隨機性較強的影響，物理法預測的結果往往與現實之間存在一定的誤差。其次，統計法是一種利用數學工具，構建預測對象與統計結構間的數學關系，并以這一關系為基礎，對風電場區域的風功率變化規律進行統計分析，并對風功率進行預測。在實際使用過程中，在進行統計分析時的算法與預測結果的準確性之間存在著極為密切的聯系，現階段，統計法應用過程中較為常用的算法為時間序列算法與機械學習算法。最后，由于物理法與統計法在實際使用過程中均存在著一定的缺陷，現階段，為了進一步提升預測工作的準確性，可以應用組合模型預測法對上述2種預測方法的優點進行吸收，并構建更為科學的預測模型，為后續預測質量的提升提供有效的支持，由于這一預測方法是對物理法與統計法使用優點的綜合，因此組合模型預測法是一種具有較強綜合性的算法。在實際應用中針對各個地區不同的氣候和地形條件，結合風電場的實際需求，對氣象模型進行局地化、精細化調整，從源頭控制計算精度。

2.2 風電機組功率調整

在風能密度一定的情況下，風電機組的功率大小與風能的利用效率及電力供應量之間存在著直接的聯系，現階段，為了進一步提升電能供應的穩定性，提升風能的利用效率，則需要合理應用風電機組功率調整功能，提升風能轉化的機械能再轉化成電能的效率。具體來說，在風電機組的實際使用過程中，受機組內各零部件的機械強度、容量等因素的限制，風電機組運行穩定性與安全性不一定能夠滿足當前風電系統的工作需要。為切實解決上述問題，合理應用風電機組功率調整技術，在風電機組所處環境風能較小時，可以通過提升風電機組對于風能捕獲能力的方式，提升整個風電機組的發電功率；在風電機組所處環境風能較大時，在考慮到風電機組整體結構強度、發電功率等因素的基礎上，通過適度降低風電機組捕獲能力的方式，在避免機組產生過載問題的基礎上，提升風電機組工作的穩定性。

當前較為常用的風電機組功率調整技術為變槳距控制技術。具體來說，變槳距控制技術是一種通過調整槳距的方式，實現風電機組功率調整的技術，在實際應用過程中，風電機組的功率會受外界風能密度大小的影響，若風電機組的輸出功率與額定輸出功率低或高，那么可以通過變槳距控制技術對槳距角的大小進行自動調整的方式，從而在保證風電機組既不會超出額定功率又不會比額定功率低太多。變槳距控制技術是一種主動型的控制技術，其發展的新方向是集中變槳和獨立變槳，其中獨立變槳技術是在統一變槳控制基礎上發展的一種變槳技術，在實際使用過程中，獨立變槳系統可以依據葉片的不同運行情況，對其葉片角度進行調整，通過這種方式，切實降低機組荷載，增強機組的運行穩定性，因此，在當前的風電機組應用過程中，獨立變槳技術的應用效果和環境適應性更好。

2.3 無功電壓自動控制

無功電壓自動控制技術在實際應用過程中，是通過風電無功電壓自動控制子站與相應監控系統共同工作的方式，實現風電機組的有效管控。同時，在當前風電系統接入電網系統后，為避免風電機組因為電網電壓短時間的升高或降低而出現停機的現象，高/低壓穿越技術受到了風電機組入網工作的關注。現階段，為進一步提升電力供應的穩定性，在當前的風電機組入網時，應用了高低壓穿越技術，使得短時間的電壓波動并不會影響風電機組的運轉狀態，降低了風電機組大規模脫網問題出現的可能性，從而為電能的穩定供應提供了有效的支持[3]。

2.4 并網風力發電系統

在風電機組運轉過程中，并網雙饋系統中的傳動模型可以將系統收集到的風能轉化為電能，在風電機組不配備齒輪箱的情況下，可以借助直驅風電發電機使得風車葉片直接帶動發電機的旋轉，從而實現發電的功能，在直驅風電發電機的使用過程中，為進一步提升風電機組的輕便性，可以采用使用了永磁體技術的直驅式發電機組。現階段，若風電機組在運轉過程中，風能的大小沒有達到預定的風速標準，那么可以利用變流器對發電機組加以管控，從而保證發電機組的輸出功率能夠滿足額定輸出功率的要求。在變流器工作時，第一，可以通過控制側變流的方式，提升風力發電機組輸出電流控制的穩定性。在此過程中，風電機組可以通過側身變流器對電流轉換方式加以調整，使電動勢能大小、內部轉子運動速度發生改變，從而降低功率大小變化對電流穩定性產生的影響。第二，可以通過控制網測電流的方式，實現風電機組系統內部變流器與電網系統之間的功率調整，從而降低風電輸出功率在傳入電網后，電網體系對風電功率進行進一步調整的必要性[4]。

3 新能源風力發電技術的發展方向

在新時期的發展背景下，隨著化石能源儲量的不斷減少與人們對環境保護工作重要性認識的不斷深入，清潔能源受到了人們的廣泛歡迎，進一步提升風能、太陽能、潮汐能等新能源的利用率，成為了推動當前社會經濟穩步發展的重要工作之一。風能作為一種人們利用時間相對較長的能源，在當前人們對電力資源需求量不斷增長的背景下，提升對風電技術的關注度，攻克過去風電技術研發過程中存在的問題，研發高新風電技術，以便實現推動風電技術的穩步發展，滿足當前電力供應需要的必由之路。

3.1 大容量風電系統

近年來，為進一步提升風力資源的利用率，風扇葉面的表面積不斷擴大，風電系統的規模與復雜性不斷增加，但需要注意的是，在風電系統體積增大的過程中，風電機組內部結構不能通過單純增大的方式，提升風能轉化效率，面對上述情況，提升對大容量風險系統研發工作的關注度，攻克風電系統體積增大過程中暴露出來的系統運轉問題，提升風電機組與內部控制系統設計的合理性，成為了一項極為必要的工作。舉例來說，2022年4月8日，三峽平潭外海海上風電塔筒設備正式開工，這一項目是當前亞洲單機容量最大的風電項目，項目規劃總裝機容量為100 MW，布置的風電機組有11臺，其中包括1臺13 MW的風電機組，據數據調查顯示，該項目建成后，每年可以提供清潔電能44 388.9萬kW·h，同比節約了標準煤13.6萬t（火電煤耗按照295 g/kW·h計算），減少二氧化碳排放量為37.20萬t/a。同時，隨著各類新材料的不斷涌現及加工工藝技術的不斷創新，為進一步提升風電系統的容量與可靠性，必須努力攻克當前大容量風電系統開發應用過程中的技術難題[5]。

3.2 深海遠海風電場技術

對當前的風能資源分布情況進行調查分析后可以發現，相較于陸地風能，海上風能更為穩定與豐富，現階段，為了更好地滿足人們對風電資源的需求，在海上建設更多、單機容量更大的風電機組，成為切實滿足當前人們對風電資源需求的重要舉措之一。近年來，隨著科學技術的不斷發展，當前近海區域已經成功建設了一些海上升壓站，但相較于廣闊的海洋，建設海上風電機組的區域面積較小，這在一定程度上造成了海上風力資源的浪費。在新時期科學技術不斷發展的背景下，為切實解決上述問題，遠海、深海風電場技術的研究與應用，成為推動海上風電技術穩定發展，滿足當前社會對電力資源供應需求的關鍵工作之一。

3.3 并網技術與最大風能捕獲技術

在風電技術發展過程中，并網型風力發電系統的應用效果主要由風電并網技術與發電機組控制技術的發展情況所決定，并網技術與最大風能捕獲技術的深入研究，同樣是推動未來風電發展的重要研究內容。具體來說，在風電并網的過程中，風電的反調峰特性增大了當前風險并網調峰工作的難度，同時，風電在供應室的間歇性與隨機性也增大了電網調頻工作的負擔，盡管當前部分電網并網區域應用了低負荷時段棄風技術，但如何進一步提升風電機組電力資源供應的穩定性，仍是當前并網技術發展過程中的重點、難點之一。同時，為進一步提升風力資源的利用率，最大風能捕獲技術同樣受到了人們的廣泛關注，現階段，較為常用的最大風能捕獲算法包括最佳葉尖速比法、功率反饋法和爬山法，盡管這些算法在實際應用過程中能夠提升風電機組的工作效率，但受風速多變、需要設定風力電機最佳葉尖速比等問題的影響，上述算法的使用難度相對較大，無法大規模推廣利用，因此，研究更為簡便有效的最大風能捕獲技術，成為了一項極為必要的工作。

3.4 低風速區的高塔架技術

面對當前一些風能資源較好的地區受并網的限制，需要“棄風”的情況，低風速區的高塔架技術已經成為當前我國風電技術研發的又一重點方向，并且這一技術的應用范圍更為廣闊，能夠更好地滿足當前人們對電力資源的需要。

4 結束語

總而言之，我國風力資源較為豐富，風力發電技術的應用不僅可以有效提升我國風力資源的利用率，還能滿足人們對電力供應的需要。在新時期的發展過程中，為了使電力供應工作能夠更好地滿足“綠水青山就是金山銀山”的發展需要，合理應用風力發電技術，成為了推動我國電力行業及社會經濟穩定發展的重要工作。