新能源發(fā)電項目中的風力發(fā)電技術

趙彥濤

（中國電建集團河北工程有限公司，河北 石家莊050030）

0 引 言

近年來，我國推廣綠色與節(jié)能發(fā)展，積極應用可再生能源，特別關注風能和風力發(fā)電。我國地理優(yōu)勢明顯，風能受影響范圍廣、持續(xù)時間長且經(jīng)濟效益顯著。風力發(fā)電是將風能轉化為電能的一種方式，具有清潔環(huán)保的優(yōu)點，符合我國節(jié)能減排政策和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求。當前電力消耗不斷增長，為滿足需求并減少對環(huán)境的污染，合理應用風力發(fā)電技術變得重要。文章旨在分析研究新能源發(fā)電項目中的風力發(fā)電技術，進一步提升其實用性和適用性，同時呼吁相關企業(yè)合理采用電力技術提高風力發(fā)電水平，拓展生產(chǎn)規(guī)模，提升運營效益。

1 新能源發(fā)電項目中的風力發(fā)電原理及關鍵技術分析

1.1 新能源發(fā)電項目中的風力發(fā)電原理

我國充分利用地理優(yōu)勢和廣闊的風能資源，在積極推廣風力發(fā)電技術方面取得了顯著成效。風力發(fā)電是一種環(huán)保清潔的能源轉換方式，通過捕獲風的動力來驅動風力發(fā)電機發(fā)電。這種發(fā)電方式具有可再生性和經(jīng)濟性，為滿足不斷增長的電力需求提供了可靠的解決方案。此外，風力發(fā)電技術的應用有助于減少對環(huán)境的污染，符合我國節(jié)能減排政策和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求。風力發(fā)電系統(tǒng)由風力發(fā)電機組、轉子葉片、塔架以及變頻器等組成[1]。當風經(jīng)過轉子葉片時，葉片受到風的沖擊轉動，驅動發(fā)電機組內(nèi)的轉子轉動。轉子與發(fā)電機內(nèi)部的磁場相互作用產(chǎn)生感應電動勢，并通過變頻器將其轉換為交流電。這些電能經(jīng)過逆變器和變壓器的處理，進入電網(wǎng)供應給用戶使用。

風力發(fā)電技術的關鍵在于高效利用風能資源。為了提高風能的轉換效率，研究人員不斷優(yōu)化葉片設計、提升轉子轉速和改進發(fā)電機技術。同時，風力發(fā)電場地的選擇至關重要，需要根據(jù)地理條件、風速分布和環(huán)境影響等因素進行綜合考慮，以確保最大限度地捕捉和利用風能資源。隨著技術的不斷進步和成本的降低，風力發(fā)電已成為可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分。相關企業(yè)在新能源發(fā)電項目中應該合理應用電力技術，提升風力發(fā)電水平，以適應不同規(guī)模和運營需求。同時，加強對風力發(fā)電技術的研究和創(chuàng)新，進一步提高其實用性和適用性，對于推動我國能源結構優(yōu)化和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1.2 新能源發(fā)電項目中的風力發(fā)電關鍵技術分析

1.2.1 風功率預測技術

風功率預測技術是指利用氣象數(shù)據(jù)和風場測量數(shù)據(jù)，預測未來一定時間內(nèi)風力發(fā)電機組的輸出功率。風力發(fā)電的可靠性和經(jīng)濟性取決于風能資源的有效利用，而風功率預測技術的應用可以幫助運營者和管理者更好地規(guī)劃和管理風力發(fā)電場。風功率預測技術通常基于數(shù)學模型和統(tǒng)計方法，結合歷史風速數(shù)據(jù)、氣象預報數(shù)據(jù)、風場實測數(shù)據(jù)等多種信息進行分析和預測。這些方法可以根據(jù)不同的時間尺度（如小時、日、季度）對風力發(fā)電機組的輸出功率進行預測，從而幫助決策者合理安排發(fā)電計劃，優(yōu)化發(fā)電調度和電網(wǎng)運行。

在風功率預測技術中，常用的方法包括統(tǒng)計方法（如時間序列分析、回歸分析）、機器學習方法（如人工神經(jīng)網(wǎng)絡、支持向量機、決策樹）、物理模型方法等。這些方法根據(jù)不同的數(shù)據(jù)特征和預測要求，采用不同的算法和模型進行預測。對于復雜的風力發(fā)電場，可以采用多模型集成的方法，整合多個預測模型的結果，提高預測的準確性和可靠性。應用風功率預測技術可以幫助風電場管理者進行有效的運維和調度決策，減少因風速波動引起的電力波動，提高風力發(fā)電的可預測性和可靠性。預測結果可以用于優(yōu)化電力市場交易、制定電力計劃、規(guī)劃維護以及檢修工作等。此外，風功率預測技術可以提供準確的風能預測信息，為電網(wǎng)調度和能源系統(tǒng)規(guī)劃提供參考，促進可再生能源的高比例接入和能源轉型的可持續(xù)發(fā)展。隨著數(shù)據(jù)采集技術和算法的不斷發(fā)展，風功率預測技術將繼續(xù)完善和創(chuàng)新，提高預測的準確性和可靠性，進一步促進風力發(fā)電行業(yè)的發(fā)展，推動清潔能源的應用和可持續(xù)發(fā)展的實現(xiàn)。

1.2.2 風電機組功率調整

風電機組功率調整是指根據(jù)電力系統(tǒng)需求和風能資源情況，對風力發(fā)電機組的輸出功率進行調整和控制。由于風速的變化和電力系統(tǒng)的需求波動，風力發(fā)電機組需要根據(jù)實際情況進行功率調整，保持電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，并最大限度地利用可再生能源。在風力發(fā)電場中，功率調整可以通過控制風力發(fā)電機組的葉片角度、轉子轉速或發(fā)電機負荷來實現(xiàn)。當電力系統(tǒng)需求增加時，可以調整風力發(fā)電機組的工作參數(shù)，以提供更多的功率輸出；反之，當電力系統(tǒng)需求減少或風速較弱時，可以降低風力發(fā)電機組的功率輸出[2]。這樣可以確保風力發(fā)電機組與電力系統(tǒng)之間的供需平衡，并確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

功率調整需要考慮多個因素，如電力系統(tǒng)的負荷變化、風速預測、電力市場要求以及風力發(fā)電機組的響應能力等。為了實現(xiàn)精確的功率調整，通常使用風功率預測技術預測風力發(fā)電機組的輸出功率，并根據(jù)預測結果和實際需求進行調整控制。此外，可以結合電力系統(tǒng)的調度策略和運行模式，通過智能化的控制系統(tǒng)對風力發(fā)電機組進行協(xié)調調度，以實現(xiàn)最佳的功率調整效果。風電機組功率調整的目標是最大限度地利用風能資源，同時滿足電力系統(tǒng)的需求，保持電網(wǎng)的平衡和穩(wěn)定運行。通過有效的功率調整，可以提高風力發(fā)電的可預測性和可靠性，減少因風速波動引起的電力波動，進一步推動清潔能源的應用和可持續(xù)發(fā)展。

隨著風力發(fā)電技術和控制系統(tǒng)的不斷進步，風電機組功率調整的精度和響應速度將得到進一步提升，有助于實現(xiàn)更高比例的可再生能源接入電力系統(tǒng)，推動能源轉型和低碳經(jīng)濟的發(fā)展。

1.2.3 并網(wǎng)風力發(fā)電系統(tǒng)

并網(wǎng)風力發(fā)電系統(tǒng)是將風力發(fā)電機組產(chǎn)生的電能與電力系統(tǒng)進行連接和交互，以供應可再生能源電力給電網(wǎng)和用戶使用的系統(tǒng)。其主要目標是將風能轉化為電能，并將其可靠地輸送到電力系統(tǒng)，以滿足電力需求和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。并網(wǎng)風力發(fā)電系統(tǒng)通常包括風力發(fā)電機組、變壓器、電纜、電力傳輸線路以及電力系統(tǒng)連接點等組件。風力發(fā)電機組通過轉動的葉片將風能轉化為機械能，并通過發(fā)電機將機械能轉化為電能，隨后通過變壓器將發(fā)電機產(chǎn)生的低壓電能升壓為適合輸送到電網(wǎng)的高壓電能。電力傳輸線路和電纜將高壓電能從風電場輸送到電力系統(tǒng)連接點，從而將風力發(fā)電產(chǎn)生的電能與電力系統(tǒng)連接。

并網(wǎng)風力發(fā)電系統(tǒng)存在多個問題需要解決。例如，風速的變化導致發(fā)電功率波動，致使風力發(fā)電存在波動性和不確定性。為了平穩(wěn)地將風力發(fā)電注入電網(wǎng)，需要采用風功率預測技術和功率控制策略，實現(xiàn)對風力發(fā)電機組輸出功率的調整和控制。

2 新能源發(fā)電技術的實踐應用

2.1 在新能源電動汽車中的應用

自2021 年1 月1 日起，新核準的陸上風電項目全面實現(xiàn)平價上網(wǎng)，為分布式風力發(fā)電設備的發(fā)展帶來了重要機遇。在這種背景下，將小型風力發(fā)電機應用于新能源電動汽車是一次創(chuàng)新突破，具有重要的節(jié)能環(huán)保意義。以A 企業(yè)的新能源汽車改造為例，他們選擇了垂直軸風力發(fā)電機作為車載發(fā)電機，以利用其占用空間小、可多角度受風、啟動風速低和維護簡便等優(yōu)勢。車載磁懸浮垂直軸風力發(fā)電機技術參數(shù)如表1 所示。一臺功率為50 W 的磁懸浮垂直軸風力發(fā)電機被安裝在新能源電動汽車前端進氣格柵后，盡管車載發(fā)電機功率較小，但由于其輕巧和緊湊的設計，非常適合安裝于汽車。同時，利用磁懸浮技術，發(fā)電機能夠長時間工作，雖然功率較低，但發(fā)電效果可觀。

表1 車載磁懸浮垂直軸風力發(fā)電機技術參數(shù)

這種分布式風力發(fā)電技術在新能源電動汽車領域具有重要的應用意義。通過將小型風力發(fā)電機集成到汽車中，可以利用行駛過程中的風能發(fā)電，為車輛提供額外的電力支持。這不僅可以提高電動汽車的續(xù)航里程和降低充電頻率，還可以減少對傳統(tǒng)電網(wǎng)的依賴，提升整體的能源利用效率。同時，風力發(fā)電是一種清潔的能源形式，也為實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保目標做出了重要貢獻。

風力發(fā)電技術與新能源電動汽車的成功結合帶來了多重優(yōu)勢[3]。第一，延長了電動汽車的充電周期和行駛里程，提升了續(xù)航能力，滿足用戶對長時間駕駛和遠程出行的需求。第二，這種結合積極響應國家政策，提高了能源利用效率，實現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保的目標。第三，大力推動了分布式離網(wǎng)型風力發(fā)電行業(yè)的發(fā)展，促進了能源供給側和需求側的結構調整。這種結合為可持續(xù)發(fā)展和能源轉型做出了重要貢獻。

2.2 在船舶上的應用

根據(jù)船舶不同的航行狀況和不同的運行特點，風力發(fā)電技術在船舶上的應用形式多種多樣。

2.2.1 風力發(fā)電驅動船舶

風力發(fā)電驅動船舶的結構，如圖1 所示。以風能作為能量來源，通過船舶上的水平軸風力機實現(xiàn)風力發(fā)電，用于推動船舶行駛或為船舶供電。與陸上風力發(fā)電相似，該系統(tǒng)由風力發(fā)電機、與發(fā)電機相連的變壓器和連接到變壓器輸出端的電動機組成[4]。風力發(fā)電產(chǎn)生的電能供給電動機運轉，從而提供動力推動船舶。這種方式具有顯著的節(jié)能效果，無廢氣排放，特別適用于長期有風的內(nèi)河和沿海地區(qū)的小型船舶。通過利用自然風能進行發(fā)電，不僅可以減少對傳統(tǒng)能源的依賴，降低船舶運營成本，而且對環(huán)境保護具有積極作用。這種風力發(fā)電船舶應用技術的推廣和發(fā)展為可持續(xù)能源利用和船舶行業(yè)的綠色轉型提供了重要支持。

圖1 風力發(fā)電驅動船舶的結構

2.2.2 船舶風光互補發(fā)電系統(tǒng)

利用太陽能光伏發(fā)電和風能發(fā)電系統(tǒng)進行互補發(fā)電和儲能，通過逆變轉化設備將儲存的電能供給船舶，可滿足其日常生產(chǎn)和生活用電需求。該系統(tǒng)由風力發(fā)電機、太陽能電池板、風力發(fā)電控制器、光伏發(fā)電控制器、蓄電池組、離網(wǎng)逆變器以及風光互補發(fā)電的安全監(jiān)測控制裝置等組件組成。圖2 展示了上海某世博游輪的風光發(fā)電系統(tǒng)。風光互補發(fā)電系統(tǒng)可以分為獨立式系統(tǒng)、并網(wǎng)式系統(tǒng)和混合式系統(tǒng)，具體取決于系統(tǒng)是為負載提供獨立用電還是向電網(wǎng)供電，亦或是同時使用發(fā)電機[5]。該系統(tǒng)尤其適用于海上工程船在長時間作業(yè)、處于風能和光能豐富的偏遠地區(qū)且缺乏岸電供應的情況，可為船舶提供可靠的電力來源，減少了對傳統(tǒng)能源的依賴，同時降低了船舶運營成本，實現(xiàn)了節(jié)能減排和環(huán)境保護目標。

圖2 風光互補發(fā)電系統(tǒng)結構

圖2 為該漂浮式水上風力發(fā)電船的結構。船上設有豎直塔架，由多個楔型導風罩排列成多排并相互連接，使得發(fā)電船能夠有效吸收隨機和間歇的陣風能量，并將其轉化為水的壓力能。通過這種方式發(fā)電船能夠實現(xiàn)高功率輸出，達到幾十兆瓦甚至一百兆瓦以上。該船舶沒有復雜的齒輪箱、電控系統(tǒng)、變頻器以及逆變器等設備，具備移動式電力供應平臺的特點。

漂浮式水上風力發(fā)電船的結構設計使其具有靈活性和適應性，能夠應對不同風速和風向條件下的發(fā)電需求。其簡化的系統(tǒng)結構降低了維護和運營成本，提高了可靠性和可持續(xù)性。這種創(chuàng)新的發(fā)電船型為海上風能資源的開發(fā)提供了一種有效的解決方案，并為移動電力供應場景提供了新的可能。

3 結 論

為了滿足可持續(xù)發(fā)展的要求，合理利用風力發(fā)電技術成為推動我國電力行業(yè)和社會經(jīng)濟穩(wěn)定發(fā)展的關鍵任務。需要關注風力發(fā)電技術的創(chuàng)新應用，不斷提升發(fā)電技術水平，增強發(fā)電系統(tǒng)的綜合效益，為我國電力行業(yè)的持續(xù)發(fā)展提供有力支持并保障其穩(wěn)定運行。在未來的研究和發(fā)展中，應該持續(xù)致力于改進和優(yōu)化風力發(fā)電技術，以滿足日益增長的電力需求，實現(xiàn)經(jīng)濟、環(huán)境和社會的可持續(xù)發(fā)展目標。