新時期新能源風力發電相關技術探討

李佳偉

摘 要 新能源風力發電是清潔能源發電的典型代表，是我國電力事業發展的重要組成部分。近年來，我國風電發展取得了舉世矚目的成績，但同時也給電網運行帶來一定的挑戰。在“碳中和”的新時期和高比例可再生能源發展戰略的大背景下，風電領域更加長遠的發展規劃日益成為電力行業乃至社會關注的焦點。本文通過探究新能源風力發電的現狀和重要意義，挖掘風力發電的優缺點，試圖刻畫新能源風力發電技術的發展前景。

關鍵詞 新能源 風力發電 裝機容量

中圖分類號：TM61 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2022）01-0115-03

1 新能源風力發電的現狀和重要性

多年來我國發電結構一直以火電、煤電為主，對化石能源產生了長期的依賴，而對化石能源的大力開發，給多地帶來了嚴重的環境污染問題。我國總體上能源資源豐富且具有多樣性。其中，風能以其資源豐富、分布廣泛、發電清潔等優勢，得到國家政策的大力支持，因而我國的風電技術取得了長足進步，風機裝機容量顯著提高，為我國綠色電力事業的發展奠定基礎。此外，“碳達峰、碳中和”目標的設立將進一步刺激我國能源結構的深度調整和轉型，促進風能等新能源的開發利用。然而，風機直接并網難以避免地會對電網產生頻率波動。在風電發展的歷史進程中，風機并網、含高比例可再生能源電網運行等巨大挑戰將是我們面臨的巨大挑戰。

我國工業的快速發展帶來了能源消耗的提升，工農業發展和百姓日常生活也使得我國能源使用緊張。風力發電技術的應用有效的緩解了電力超載使用的壓力。隨著風電裝機容量的日益增長以及運行時間的延長，增加了許多風險，尤其是機械軸承部分，這里容易出現異常情況，將對風力發電設備整體的安全運行構成威脅。世界上已經有許多國家都擁有先進的風電發電技術，其中包括中國、荷蘭、德國、丹麥等國，這些國家的風電設備累計裝機容量居世界前列。由此可見，我國風能資源十分豐富，直接推動了風能產業的快速發展，成為我國發展最為迅速的新興產業。隨著我國環保事業的發展，越來越多的人開始關注清潔能源，而風力發電設備就是較為引人注目的成果之一。對于風力發電技術來說，在節能環保方面存在諸多問題，不利于我國節能環保事業的發展。因此將綠色理念滲透到技術設計工作中，以促進發電事業向著綠色環保、節能降耗的方向發展。

2 風力發電相關技術概述

截至2018年底，世界上許多國家都擁有了先進的風電發電技術，其中包括中國、荷蘭、德國、丹麥等國，這些國家的風電設備累計裝機容量居世界前列。由此可見，我國風能資源十分豐富，直接推動了風能產業的快速發展，成為我國發展最為迅速的新興產業。在經過相關調查研究的表明，我國累計風能儲量約32.26億千瓦，可利用風能資源達到10.7億千瓦，這足以說明中國風能發展潛力巨大。目前，我國已有40家企業有能力進行風機零件生產，一部分可以進入風能生產和零部件制造領域。通過技術引進、自主開發等多種發展模式，產業鏈逐漸形成，中國風能裝備制造行業整體出現良好運行特點，形成了集變速箱、葉片機、偏航系統、鋼結構構件和主機為一體的完整產業鏈制造業。

風電的發展，首要任務是從技術上解決風電發展難題。風力發電技術包括研究風機技術、風電功率預測技術、風電并網技術和儲能技術等。隨著風電的發展以及考慮實際電網安全經濟運行，風機單機容量需求越來越大，同時要滿足風機能夠安全并網，具有較強的魯棒性和可靠性。因此，如何研制高可靠性的大容量風電機組是業界需要考慮的問題。其中，雙饋異步風力發電機和永磁直驅同步風力發電機是當前主流的發電機，同時也是當前的研究熱點。

雙饋異步風力發電機在性能方面總體上不如永磁直驅同步風力發電機，但由于其發展較早，技術相對成熟，同時雙饋異步風力發電機具有尺寸小、造價低等特點，因而仍然在電網中使用較為頻繁。永磁直驅同步風力發電機雖然造價貴，但其具有更高的發電效率和更強的電網兼容性，理論上說，對電網以及用戶更加有利。從發展的眼光來看，隨著永磁材料的發展和電機小型化發展，在未來，永磁直驅同步風力發電機將更加具有競爭優勢，獲得更廣泛的應用。

由于風力的波動性會導致電網的不安全運行，因此業界希望能夠實時跟蹤風電出力，即實現風電功率的準確、可靠、快速預測。發展風電功率預測技術，加強風電功率預測可信度，可實現對風電出力的實時態勢感知，從而提高風電的消納能力。由于電力系統本身是一個復雜且自產大量數據的人工系統，因此在可以預見的未來，人工智能與大數據技術將更多地應用到風電功率預測中，進一步有力地推動風電的發展。

風電場并網通常分為交流并網和直流并網兩種途徑。目前關于風電并網可行技術及研究熱點包括：交流并網技術、傳統直流并網技術和柔性直流并網技術，其中傳統的交流并網方式相對更加成熟，目前仍然占據主要地位，未來電力電子技術的發展將推動直流并網技術的應用。隨著風電等波動性電源并網比例不斷提升，傳統的“源-網-荷”運行方式已經無法滿足電力系統“發輸配用”同時性的要求，“源-網-荷-儲”的電力系統結構己被廣泛認可。儲能以其能量的時空遷移特性和電能流動的雙向性，被公認是解決風電等可再生能源不穩定性和提高其消納的有效途徑。關于儲能研究大體可以分為兩類：一是研究高效的儲能方式。不同儲能方式的不同的特點，可以適應不同的應用場合。研究高效的儲能方式能夠提高儲能效率，降低成本;二是研究儲能系統優化配置。儲能系統優化配置包括空間分布的優化以及儲能容量的優化。已有的文獻從蓄電池儲能容量優化模型、蓄電池容量確定方法、混合儲能控制策略、儲能系統容量配置等方面進行研究。通過優化儲能配置，能在保證達到風電消納目標的前提下，提高經濟效益。

3 新能源風力發電的技術要點

新能源風力發電技術包含在線震動檢測技術、發電設備潤滑技術以及發電功率控制技術等。風力發電機組在線振動檢測技術是風力發電機組運行的實時保障，為了實時監控風力發電機組的運行狀態，必須實時對機組的關鍵部位震動頻率和峰值進行檢測。針對風力發電的特殊應用領域，往往會采用特殊的手段進行檢測，此時風力發電機組在線振動監測與分析系統就十分具有必要性。對于開發設計風力發電機組振動系統，不僅可以實時進行風力發電狀態的監測。[1]而且還可以進行有效的數據分析與故障排查。這一數據采集由安裝在不同位置的測量儀器組成，在一些關鍵位置分布有數據采集裝置，與計算機相互連接，可實現云服務。將大數據設備投入使用，進行有機分析，可以進行分析功能的提升與完善。再利用計算機實現數據服務器系統的管理與視察，安插一些監控軟件可以實現問題的安全檢測。該系統主要運作原理是在風力發電的關鍵位置安裝檢測工具，主要關鍵位置是由主軸軸承、齒輪箱、發電機等組成?？梢酝ㄟ^在線監測關鍵部件的振動振幅大小分析出這些部分是否良好運行。對于這些部件的運行狀態的勘察十分有效，維修人員完全可以根據運行趨勢，采用一些技術手段進行對比，然后進行結果分析，對于一些結果超標的地方，可以進行檢測與維修。這種預測手段可以達到故障精準診斷的效果，延長了機組的連續運行周期，并且方便了檢測的手段，不僅提高了效率而且還帶來了技術的創新。采用這一技術可避免和減少重大事故的發生，使得風力發電更加安全。

風力發電設備潤滑技術對于風力發電來說至關重要，可以很好的促進風力發電設備的正常運行。一般來說，風力發電設備不同軸承所使用的油脂也不相同，在注油工作中，加脂工具要嚴格進行區分，嚴禁混用;油脂加注量要嚴格按照相關檢修標準執行，“少量多次”，嚴禁私自更改加注量。在加注前，仔細檢查注油孔、排油孔是否正常，如果發現排油孔堵塞，則需對相關軸承部件進行拆卸，處理完畢后再開始油脂加注工作。要對潤滑油的質量進行管控，確保其正常運行，同時盡量延長潤滑油的使用壽命。

目前我國對于風力發電機的功率控制技術主要是定槳距失速控制技術。該技術的應用是在足夠剛度的基礎上連接變槳風扇葉片和輪轂，然后進行焊接，采用恒定變槳支架控制簡化系統結構，并保持風電運行的穩定性。通過該技術的實時運用，使得渦輪機的輸出功率可以隨著環境中風速的變化而相應地變化。此外，變槳距控制技術是另一種控制功率的方式。通過設置俯仰角來設置風能輸出，在實踐中如果風力發電系統的功率低于額定功率，則俯仰角始終保持為零，輸出功率主要由外部風力決定;如果風力機的功率超過裝置的額定功率，系統將根據實際輸出功率自動調整傾角，以控制裝置的輸出功率，使其不超過額定功率，避免因系統過載而損壞。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。

4 新時期新能源風力發電當前的技術挑戰

我國在國家層面已提出“碳中和”的綠色發展目標，電力行業也大力推動高比例可再生能源電網的理論和應用研究，為風電的發展鋪路。需要繼續有條不紊地制定和完善新能源發展政策，為科研工作者營造良好的研究環境，給風電企業良好的營商環境。在風電接入電網的過程，切勿急功近利，不能為了達到某個比例目標而盲目新增裝機或上網，避免大規模棄風棄光。長久以來，我國的風力發電技術在技術創新方面還比較薄弱，風電場風機設備的建造在很大程度上仍需要引進國外的技術，導致我國的風電發展受制于人。[2]因此，要發展好風電，必須發展好風電技術，打破國外技術壟斷，實現從引進到引領。

國際電力市場風電交易規則包括競價機制、懲罰機制、綠色交易憑證。我國的電力市場仍然是以計劃手段為主，風電場的發輸配電計劃均由政府制定，較難反映電價與市場供求的關系，導致風電企業不易對市場的供求信息進行準確判斷。另一方面，在現行的電力市場機制下，風電市場并未完全發展好，而國內的風電設備市場趨于飽和，形成供需不平衡狀態，阻礙了風電產業的發展。因此，在電力市場方面，國家可以通過優惠的政策支持，完善電價獎懲機制，建立一個公平、合理、有序的風電市場，從而以消費推動風電的平穩發展。

5 新能源風力發電技術的優缺點和發展前景

與其他能源相比，風能是一種可再生資源，風能的利用可以有效地節約常規資源的使用。同時，隨著技術的不斷發展和進一步發展，風力發電機組的應用效率也在逐步提高，甚至有超越常規發電之勢，其經濟價值也超過了應用過程中可能出現的常規發電能源。與火力發電廠和核電建設相比，風電機組建設時間短，投資成本低，應用時可靈活適應不同模式。此外，風能是一項新興技術，由于必須選擇風力渦輪機，因此可以在開闊地形上建造，對地理環境有很大的要求。雖然許多地方有足夠的風能，但總面積不夠廣，同時風力渦輪機在工作過程中會產生噪音滋擾，因此在選址時只能在遠離城市的郊區建造。

自動化技術在各行各業的傳播，為人類帶來了職能時代的發展，自動化應用技術在風力發電領域的創新，使得智能重構信息處理技術也凸顯出較為廣闊的發展空間。綠色風力發電技術與互聯網的結合，其優點不斷彰顯，在發展過程中的大量的邏輯單位可以相互聯系，其指令級、比特級、流水線級以至任務級的并行計算，不斷突破運算的速度，不斷將運算手段拓展，只需遠程操控，不必親臨現場，還可在規定的網絡環境下進行測量。智能化技術的發展對于電力行業這種危險性高、技術門檻高的行業而言，是對自然資源的高效利用，也是對人力資源的高效釋放，在不斷促進產業提升創新升級的同時，立足于風力發電本身，創新自動化技術對電力系統的跨越式升級作用。[3]

6 結語

在國家可持續發展戰略的支持下，經過多年來風電技術專家和電網工作人員的共同努力，我國風電發展已經取得了舉世矚目的成績。隨著綠色理念在各行各業的發展，能源行業的綠色可持續發展也勢在必行，新能源風力發電技術作為我國能源結構轉型的重要組成部分，是我國能源升級的突破方向，我國要加大對新能源風力發電技術研究的投入，提升自然資源的利用率和轉化率，促進風力發電行業快速發展，為人類與自然可持續協調的發展刻畫出綠色協調可持續的發展前景，推動我國電力事業創新發展。

參考文獻：

[1] 劉昌義，朱蓉，王陽.我國風能發展的經濟與政策分析[J].閱江學刊，2018，10（01）：99-100.

[2] 李耀華，孔力.發展太陽能和風能發電技術加速推進我國能源轉型[J].中國科學院院刊，2019，34（04）：156-157.

[3] 國家能源局.2020年上半年風電并網運行情況[EB/OL].國家能源局，2020-07-31：188-189.