新時期新能源風力發電相關技術研究

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，我國經濟得到了快速的發展，而隨著近年來能源消耗量的不斷增加以及社會各界對環保問題重視程度的提高，如何提高太陽能、風能等新型環保型能源的利用率，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，通過風力發電技術的開發與應用，能夠在一定程度上緩解我國當前電力資源緊張、能源匱乏以及環境問題突出的問題。因此，加強新時期新能源風力發電技術的應用水平，具有極強的現實價值。

1 新時期新能源風力發電技術的應用價值

1.1 經濟性價值明顯

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，風能利用技術得到了快速的發展并在發電領域得到了較好的應用。目前在我國一些風能密度較大的地區，風力發電的成本已經接近于傳統火力發電的成本，因而其經濟性得到了顯著的提高，并且隨著風力發電能力的提高，其建設與運行成本還將進一步的降低。

1.2 建設周期短，獨立性好

相較于其他發電技術的應用，風力發電系統建設周期短，可在較短的時間內實現區域供電。隨著風力發電技術的快速發展，風力發電系統的組建已經逐漸趨于標準化，一般風力發電站的建設可在較短時間內建設完成并投入使用。此外，在我國一些偏遠山區，風力發電技術的應用可有效滿足當地分散性的電力需求。

1.3 環保性好

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

2 風力發電相關技術分析

2.1 風功率預測技術

風電功率預測技術的應用是為了通過預測風力發電系統輸出功率的大小，進而合理安排資源調度計劃，根據預測周期與預測模型的差異，相應的預測方法也存在一定的不同，如表1所示。

表1 預測方法分類

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

（2）按預測模型分類。根據預測模型的差異，風電功率預測方法包括物理法、統計法與組合模型法。其中，物理法是通過相關設施模擬風電場附近區域天氣情況，得到風電場附近的風向、風速、氣壓以及空氣密度等參數，創建風電功率模型，進而實現風電功率的預測；統計法則是通過相關的數學函數公式，得到現有數據和預測數據之間的數學關系，通過對兩者之間的相關性分析，進行結果預測，統計法在實際應用中依托的數學工具主要有時間序列算法和機械學習算法；組合模型法并不是一種專門的預測方法，它是將其他功率預測方法進行了整理與融合，從而創建出更加接近實際的預測模型，結合各種預測方法的優點，得到更加準確的結果。

2.2 風電機組功率調節技術

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

（1）定槳距失速控制技術。該技術的應用是把螺距風機葉片和輪轂固定在具有足夠剛度的基礎上，然后通過焊接的方式連接在一起。應用定槳距失速控制技術能夠簡化系統結構，保持風電機組的運行的穩定，該技術的應用優勢在于，渦輪機的輸出功率可以隨著環境中風速變化的情況相應的發生變化。但是，由于風機葉片被焊死因而不能根據實際中風速的變化進行動態的調整，且應用該技術很難實現較高的風能利用率。

（2）變槳距控制技術。變槳距控制技術指的是通過調節槳距角度，實現風電機組輸出功率的調節。在實際應用中，當風力發電系統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境風力大小決定；當風電機組所處的環境風力較大風電機組輸出功率超過機組額定功率時，系統會根據實際輸出功率的大小自動調節槳距角，從而控制機組輸出功率不會超過額定功率，以此來防止系統過載而損壞。變槳距控制技術是一種主動型控制技術，它能夠實現系統的閉環控制，在防止槳距失速方面具有重要的作用。此外，變槳距控制技術還能夠保證風輪旋轉后在較大正槳距角的情況下產生足夠的啟動力矩，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速度。

2.3 無功電壓自動控制技術

無功電壓自動控制技術的應用主要包括無功電壓自動控制子系統與附屬監控系統。自動控制子系統可以作為一個單獨的功能單元獨立運行，也可以集成在監控系統中，它的主要作用是監測風電場內的無功電壓情況，并通過通信系統傳遞相關無功電壓的調節指令。子系統的運行與狀態控制可通過人工設置來完成，風電場內的相關控制設備也可以實現人工的解鎖與閉鎖，系統通過自動控制完成設備投退。當風力發電系統處于穩定運行狀態時，子系統能夠體現出較好的無功調節能力，達到維持電壓穩定的效果；如果機組無法有效完成無功功率的調節，可由動態無功補償設備進行無功補償。此外，子站還能完成風電機組以及無功補償狀態的自動調節，進而保證無功功率得到充分的補償。

3 未來風力發電技術的發展方向

3.1 大容量風電系統

隨著社會對風力發電技術關注度的提高，近年來投入使用的風力發電系統規模越來越大，結構也越來越復雜。但是，現階段我國在大容量風力發電系統的開發和應用方面還存在較多的不足，目前仍有許多技術難題未能有效攻克。同時，現代風力發電機組單機裝機容量的不斷加大，也導致風力發電系統結構設計以及控制系統的設計變得更加困難。未來，隨著各種新材料的出現以及加工工藝的創新，大容量、高可靠性和高性能等要求都可以在風力發電系統中實現。此外，大容量的直驅式永磁同步發電機也將是未來風力發電技術的發展方向之一。

3.2 并網技術與最大風能捕獲技術

并網型風力發電系統主要包括風力發電并網技術與發電機轉速控制技術兩個層次的內容。通過全功率電力變換器進行系統控制，能夠有效的保證風力發電系統的可靠性要求，并網開關可實現并網控制功能。在實際應用中，通常采用調節變槳距和發電機組功率轉速的方式來盡可能的捕獲風能，風力發電機組輸出功率的調節需要綜合考慮風力發電系統的經濟性與可靠性，因此未來風力發電系統并網技術與風能捕獲技術的創新優化也是未來風力發電技術的重要發展方向。

3.3 變槳距調節技術和變速運行技術的優化

通過變槳距調節能夠保證系統始終保持在最優設置下運行，因而可以實現較高的可靠性。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，通過系統調節，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運行的穩定性。因此，變槳距調節技術與變速運行技術未來還需要進一步的優化，以實現更好的效果。

3.4 海上風電場技術

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

結語：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。近幾年風電技術得到了較快的發展并取得了一定的成果，尤其是在偏遠山區實現了較好的社會效益。未來，還需要進一步加大相關風電技術的研究投入，克服限制風電技術發展和應用的因素，推動我國風電事業的健康發展。