新能源風力發電技術解析

張俊偉 王 昊

（江蘇海上龍源風力發電有限公司，江蘇 南通 226000）

近年我國大力推廣常態綠色與節能發展，在各行業積極應用可再生能源，其中風能及風力發電成為我國重點關注項目。我國地理縱深優勢明顯，風能影響范圍廣、持續時間長且經濟性能優越。風力發電符合我國節能減排的政策要求，滿足可持續發展戰略的實施要求。應合理采用電力技術，提升風力發電水平，拓展生產規模，提升運營效果。

1 風力發電原理及優勢解讀

1.1 風力發電原理

風力發電的原理較為簡單，主要是通過風力驅動風車葉片運轉，運行過程中在增速機輔助下能夠進一步增加葉片轉速。風力發電設備由風車葉片、發電機兩大部分構成。風力作用下螺旋形風力發電機葉片旋轉過程提供推動力，將動能轉變為機械能。

風力發電機主要由偏航、液壓、剎車、控制系統及齒輪箱等部分構成。在發電過程中，齒輪箱和齒輪之間有效配合，協同作用能夠提升發電機的運轉速度，使實際發電功率處于較高水平，有效保證了輸出電力的穩定性。偏航系統最大的作用是結合風向的變化情況靈敏調控風輪的掃掠面，確保掃掠面始終和風向維持垂直狀態，提升資源利用率。風機、葉片能夠圍繞根部中心運作，借此方式增強風力發電系統對不同風況的適應能力。發電系統停機時，阻尼增加，方便發電機停運。停機期間，液壓和剎車系統聯動運作[1]。對于風力發電而言，控制系統是實現自動化運行的關鍵，控制系統能夠精準調控各系統模塊運行情況，使發電機在相對穩定的電壓和頻率下運作，促進發電系統自動化并網及脫網，監控系統的運作過程，及時發現異常狀況，快速發出預警信號，提升風力發電系統的故障處置效率，減少損失。

1.2 應用優勢

風力發電技術實際應用中有很多優點，也是該項技術應用范疇不斷拓展的主要原因，技術應用時要注意實現科學化，其優勢包括經濟性優良、建設周期短、環境影響小等。

（1）經濟性優良。風力發電在應用過程中社會經濟效益表現良好，風力發電能力每提高一倍，資金支出減少約15%，風電增長率不低于30%。我國風能資源可利用情況優良，短期內風力發電的相關技術將會有進一步地提高[2]。

（2）建設周期短。風電設備均為預制裝配置式結構件，吊裝節奏更快，能夠有效滿足用電、儲電需求急切的地區。合理運用風力發電技術，能促進偏遠地區實現獨立供電，能夠有效緩解配電分散情況，滿足區域內能源發展方面的需求。

（3）環境影響小。風能應用時不會對環境帶來負面影響。近年，我國風能工程建設能力持續增強，生產運營成本進一步壓縮。風能設施能夠有效承擔發電和電峰調節功能，且不會對陸地生態環境造成影響。

2 相關技術分析

2.1 風功率預測

（1）按照預測周期可分為超短期、短期及中長期預測。超短期預測多用于風電實時調度；短期預測法適用于調整機組組合與備用資源；中長期預測法在測評風電系統維護效率與風能資源調配合理性方面表現良好。

（2）依照預測模型可分為物理法、統計法及組合模型法。物理法是利用設施裝置模擬風電場周邊區域的氣候狀況，獲得風向、風速、氣壓及空氣密度等參數，在此基礎上建設風電功率模型；統計法運用數學函數，結合相關性分析獲得預測結果，計算得出既有數據和預測數據之間的數學關系，統計法主要運用的數學工具為時間序列及機械學習算法；組合模型法是通過整合其他功率預測法，構建與實際情況較為符合的預測模型，綜合各類預測方法優勢，獲得精準度較高的功率預測結果[3]。

2.2 風電機組功率調控

理論上，當風能密度足夠大時，發電機自身的功率對風力發電系統的發電能力起到決定性作用，在系統運行過程中應合理運用功率調控技術。發電機組的功能是實現風能、機械能、電能之間的轉換。發電機組所在環境風力較小，應盡可能增強發電機組捕獲風的能力，提升發電功率；發電機組周邊風力過大，應綜合分析機組結構強度和發電容量，減少或規避機組過載情況，確保機組安全、可靠運行，維持發電功率的穩定。常用風電機組功率調控技術包括定槳距失速調控、變槳距調控以及風輪控制[4]。

（1）定槳距失速調控。技術應用時在具有一定剛度的結構上固定螺距風機葉片和輪毅，采用焊接方式連接。定槳距失速調控技術能夠精簡放點系統結構，維持風電機組運作過程的平穩性。隨風速改變，渦輪機輸出功率作出相應調整。風機葉片的焊接固定，導致無法依照風速實際變化情況完成動態調整，較難提升風能資源利用率。

（2）變槳距調控。其應用原理是通過調整、控制槳距角度，完成對發電機組輸出功率的調節。實踐中，若檢測到發電系統輸出功率明顯低于額定功率，槳距角全程保持在零度時，可以斷定環境風力大小對輸出功率高低起決定性作用；若機組所處環境風力偏大，機組輸出功率顯著高于額定功率時，系統將結合實測輸出功率自動調控槳距角，使輸出功率在額定功率之下，防止發電系統過載損壞。變槳距調控屬于一種主動型控制技術，能夠對風力發電系統實現閉環管控，在防控槳距失速情況方面應用性較好。變槳距調控技術能夠確保風輪旋轉以后，在正槳距角相對較大的工況下也能形成較大的啟動力矩，在停機時將槳距角維持在90°，有益于降低風輪空轉速度。

（3）風輪控制。科學運用風輪控制技術有益于維持、鞏固以及提升系統運行效果[5]。技術應用時，利用功率信號反饋控制風輪功率信號的發生、發出過程，風輪實際運轉時，功率和客觀條件變化保持統一，客觀分析運行功率與客觀因素之間的相關性，結合分析成果繪制最大功率曲線圖，對比最大功率和系統運行實際輸出功率，計算差值，在此基礎上準確調節風輪槳距，最大限度提升風輪運行功率。風輪控制技術應用時投入成本較多，且風機正常運轉時不容易獲得最大功率曲線。風輪控制過程中，有效控制葉尖速比十分重要，在環境風力等因素作用下，風輪內葉尖端轉動線速度，即葉尖速，控制葉尖速與對應時間內風速的比值時，應主動、全面的優化風機運行系統。風輪控制原理如圖1所示。

圖1 風輪控制原理

2.3 無功電壓自動化控制

按技術的應用類型可分為自動化控制和附屬監控系統兩種。自動化控制系統可以作為單獨的功能單元獨立運轉，還可以集成在監控系統內，其主要功能是監測風電場中的無功電壓波動情況，經通信系統傳輸無功電壓的調控命令。可以通過人工手動的形式設置子系統運轉狀態，風電場中的部分控制裝置能夠實現人工的關閉與開啟，系統基于自動化控制實現風電設備的安全運行。當風力發電系統處于穩定運轉狀態，子系統能夠表現出良好的無功調節能力，可以有效維持電壓平穩狀態。若發電機組不能有效調節無功功率，可以采用動態無功補償設備進行無功補償。

3 風力發電技術的發展趨向

3.1 大容量風電系統

國內在大容量發電系統研發及應用方面還有較大的發展空間，風力發電機組裝機容量持續增大，發電系統結構及控制系統的設計難度相繼提高，各類新材料、新工藝的出現，將逐步解決風力發電系統大容量、高可靠性和高性能等方面要求。大容量直驅永磁同步發電機將成為風力發電技術的重要發展趨勢之一[6]。

3.2 風光互補發電系統

系統采用風能與太陽能之間的互補性，在蓄電池組內存儲太陽能以及風力發電機產生的電能，電能峰值調節情況下，逆變器以輸電線路作為載體將蓄電池組存儲的電能供給至負載處。晝夜互補情況下，日間太陽能發電，夜間風能發電；季節互補情況下，根據季節和季風環境下的日照、風向、風力等情況完成互補調節。我國成功研發了模擬風力、光伏以及互補發電系統等相關軟件，基于模擬仿真狀態處理實際問題，適用于道路照明、通信、電站等多種領域。

3.3 風電發電機組的智能化控制

發電機組的控制工作難點主要包括風向、風速的隨機性與不確定性，氣體的流動性及可壓縮性等特征。智能控制系統將充分調節風力發電中定槳距失速、空氣動力技術等內容，當電場風速在額定轉速以上時，槳葉經系統調控會自動進入到失速調控狀態，確保功率處在允許區間內[7]。變槳距控制運用空氣動力學基本機理，參照實際風速的大小精準調節槳葉節距等指標，實現對空氣動力轉矩的有效控制，使風電系統運行可靠性得到保障。變速風力發電控制技術應用過程中，應確保葉尖比值結果處于最佳狀態，提升風能資源的利用效率。

3.4 風力發電并網

采用增設變頻器的方式，能夠有效改善控制系統的功能應用，規避失步、無功振蕩等不良情況。異步風力發電機組運行一定時間將執行無功補償過程，鑒于沖擊電流對系統運行狀態會產生一定干擾，所以相關部門要密切監測發電機組的運作狀態，在線監測是未來風力發電技術應用領域研究的重點內容。

4 結語

在未來社會經濟持續發展過程中，風力發電技術將有更廣闊的應用空間，通過提升風能資源的利用效率，能有效彌補傳統能源應用時出現的能源缺口，有效保護生態環境。研究和發展過程中，應重視風力發電技術的創新應用，持續提升發電技術水平，提升發電系統的綜合效益，為我國電力行業持續發展保駕護航。