基于新能源發(fā)電風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的探討

高敏

摘 要：目前，環(huán)境和能源是世界各國(guó)所迫切需要解決的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)清潔型的能源、實(shí)行可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略是世界各國(guó)解決能源問(wèn)題及優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的正確選擇。風(fēng)能是一種普遍的清潔型能源，儲(chǔ)量巨大，世界各國(guó)對(duì)此都比較重視。經(jīng)過(guò)多年的努力，世界風(fēng)力發(fā)電技術(shù)越來(lái)越成熟，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量越來(lái)越大，從定槳距控制到變槳距控制，從恒速恒頻到變速恒頻，從陸地到海上，風(fēng)力發(fā)電正以前所未有的速度發(fā)展，因此對(duì)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究越為顯得必要。

關(guān)鍵詞：新能源；發(fā)電；特性

中圖分類(lèi)號(hào)：TM61 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）30-0137-02

Abstract： At present， environment and energy are the urgent problems to be solved all over the world. Developing clean energy and carrying out sustainable development strategy are the correct choices to solve the energy problem and optimize the energy structure of all countries in the world. Wind energy is a kind of universal clean energy with huge reserves， which has been paid more attention all over the world. After years of efforts， wind power generation technology in the world has become more and more mature， and the installed capacity of wind turbines has become larger and larger， ranging from fixed pitch control to variable pitch control， from constant speed constant frequency to variable speed constant frequency and from land to sea， wind power generation is developing at an unprecedented speed， so the research of wind power generation technology is more and more necessary.

Keywords： new energy； power generation； characteristics

引言

當(dāng)今世界，能源對(duì)促進(jìn)整個(gè)社會(huì)的發(fā)展有著不可替代的作用，但是隨著常規(guī)化學(xué)能源如煤、石油、天然氣會(huì)慚慚的耗竭，迫切需要一種可再生的新型能源來(lái)代替。因此，對(duì)可再生能源的開(kāi)發(fā)利用受到世界各國(guó)的高度重視。目前，風(fēng)能相對(duì)技術(shù)發(fā)展比較開(kāi)闊，比較成熟，如何大力發(fā)展新型的再生風(fēng)能能源，是大多學(xué)者研究的一大課題。

風(fēng)力發(fā)電是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能并將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的過(guò)程。風(fēng)力渦輪機(jī)及其控制系統(tǒng)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)，并將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，風(fēng)力渦輪機(jī)直接影響整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的性能和效率。風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳距功率控制技術(shù)和發(fā)電機(jī)變速恒頻發(fā)電技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電的兩項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)和未來(lái)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 風(fēng)力機(jī)的功率調(diào)節(jié)技術(shù)

風(fēng)力機(jī)的功率調(diào)節(jié)是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵控制技術(shù)之一。在超過(guò)額定風(fēng)速后，由于部件的機(jī)械強(qiáng)度、發(fā)電機(jī)的容量和電力電子設(shè)備的容量等性能的限制，必須減少風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能捕獲，使其功率保持在額定值附近，使整個(gè)風(fēng)力機(jī)不受到損害。目前運(yùn)行中的風(fēng)力機(jī)對(duì)功率的調(diào)節(jié)方式主要有定槳距失速調(diào)節(jié)、變槳距調(diào)節(jié)和主動(dòng)失速調(diào)節(jié)三種方式。

1.1 定槳距失速控制

通過(guò)固定螺距風(fēng)機(jī)葉片與輪轂固定連接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，但葉片頂角不能根據(jù)風(fēng)速變化進(jìn)行調(diào)整。這種風(fēng)力渦輪機(jī)完全依賴(lài)于葉片的空氣動(dòng)力學(xué)，使得風(fēng)力渦輪機(jī)的輸出功率隨風(fēng)速而變化。難以確保在標(biāo)稱(chēng)風(fēng)速下的風(fēng)能利用率高，特別是在低標(biāo)稱(chēng)風(fēng)速下。

1.2 變槳距調(diào)節(jié)

為了盡可能提高風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率，并保證風(fēng)力機(jī)輸出功率平穩(wěn)，需增加槳距角控制系統(tǒng)，這樣就構(gòu)成變槳距風(fēng)力機(jī)。變槳距風(fēng)力機(jī)的功率調(diào)節(jié)依靠葉片固有的氣動(dòng)特性，通過(guò)對(duì)葉片槳距角的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.3 主動(dòng)失速調(diào)節(jié)

主動(dòng)失速調(diào)節(jié)是采用葉片主動(dòng)失速以保證功率調(diào)節(jié)的簡(jiǎn)單可靠的。風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)速分幾級(jí)控制，控制精度低于變槳距控制；當(dāng)風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速后，變槳系統(tǒng)通過(guò)增加葉片攻角，使葉片“失速”，限制風(fēng)輪吸收功率增加。這一點(diǎn)與定槳風(fēng)機(jī)的失速調(diào)節(jié)類(lèi)似，稱(chēng)為“主動(dòng)失速”。

2 風(fēng)力機(jī)的特性和模型

風(fēng)力機(jī)的特性是研究空氣流作用給風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)力的特性。風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)模型的研究方法有激盤(pán)理論和葉素理論等。激盤(pán)理論是通過(guò)簡(jiǎn)單的理論來(lái)解釋風(fēng)能的提取過(guò)程，同時(shí)也可以通過(guò)它來(lái)推導(dǎo)風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率的理論最大值。葉素理論主要研究葉片基元上的空氣流產(chǎn)生的氣動(dòng)力。

激盤(pán)模型：

激盤(pán)模型的根基是動(dòng)量定理。風(fēng)力機(jī)可以看作是一種激盤(pán)，主要作用是提取風(fēng)能。因?yàn)榧けP(pán)在空氣流中時(shí)，可以把激盤(pán)看成是不可壓縮的（見(jiàn)圖1）。由圖1可以看出，當(dāng)空氣流流過(guò)時(shí)，通過(guò)激盤(pán)可獲得一部分風(fēng)能，使得上游風(fēng)速V大于下游風(fēng)速V-∞。因此，截面積AD比截面積A∞大，又比截面積A-∞小。

這是因?yàn)楦鶕?jù)定義管道內(nèi)各處的質(zhì)量流量必須相同。

從上圖我們可以看出，通過(guò)激盤(pán)的氣流速度會(huì)降低，速度變?yōu)閂-V-∞。通過(guò)這樣的方法使得入射到激盤(pán)的氣流而產(chǎn)生的氣動(dòng)力FD，為整個(gè)質(zhì)量流量速度下降的倍數(shù)。其計(jì)算公式為：

通常，流入激盤(pán)的氣流速度為：

式中，a定義為軸向的氣流的干擾系數(shù)。氣動(dòng)力FD由激盤(pán)而引入的壓降，即：

另外，伯努利方程用來(lái)獲取穿過(guò)激盤(pán)的氣壓降。伯努利方程表明，在穩(wěn)定的狀態(tài)下，假設(shè)沒(méi)有流體動(dòng)力，那么氣流總能量是保持不變的。這個(gè)方程適用于上游與下游，因?yàn)樯嫌闻c下游只對(duì)激盤(pán)做功而沒(méi)有對(duì)流體做功。

式中，g為重力；p0為大氣壓力，同時(shí)，可以認(rèn)為氣流是水平流動(dòng)。通過(guò)這兩個(gè)方程可以得到：

將上式帶入上中得到：

V-∞=（1-2a）V

上式表明動(dòng)量定理適用的上限為a=5。這樣我們可從公式中看出，當(dāng)a值越大，V-∞變?yōu)樨?fù)值，但這顯然是不可能的。一半的速度降出現(xiàn)在激盤(pán)的上游，而另一半的速度降出現(xiàn)在下游。

利用上式可得氣流流過(guò)激盤(pán)所產(chǎn)生的氣動(dòng)力為：

接下來(lái)，激盤(pán)從風(fēng)中提取的風(fēng)能為：

通常將風(fēng)能的利用系數(shù)來(lái)做為判斷風(fēng)力機(jī)的捕獲風(fēng)能的能力，將風(fēng)能的利用系數(shù)可以定義為風(fēng)力機(jī)的捕獲的風(fēng)能與經(jīng)過(guò)風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能之比，即：

而風(fēng)能公式為：

進(jìn)一步可以得到風(fēng)能利用系數(shù)為：

3 籠型感應(yīng)發(fā)電機(jī)原理

籠型感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)是由風(fēng)輪機(jī)、齒輪箱、感應(yīng)發(fā)電機(jī)和PWM變流器、變壓器等組成。因?yàn)轱L(fēng)速具有隨機(jī)性而且是變化是沒(méi)有規(guī)律的，為了能夠?qū)崿F(xiàn)最大風(fēng)能的捕獲，當(dāng)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在額定風(fēng)速以下啟動(dòng)風(fēng)速以上時(shí)，需要通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的調(diào)整，達(dá)到最大風(fēng)能的捕獲。對(duì)于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制有：直接轉(zhuǎn)矩控制、轉(zhuǎn)速控制和基于功率的轉(zhuǎn)矩控制三種。從籠型感應(yīng)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本原理圖中，我們知道可以將整個(gè)系統(tǒng)的控制分為機(jī)側(cè)變換器控制和網(wǎng)側(cè)變換器控制兩個(gè)部分。對(duì)于機(jī)側(cè)變換器需要控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，對(duì)于網(wǎng)側(cè)變換器需要控制直流側(cè)的電壓，讓其保持恒定，同時(shí)還需要控制功率因素和有功功率的傳輸，這樣就完成了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中各個(gè)階段的運(yùn)行。

4 風(fēng)能接入對(duì)系統(tǒng)影響

風(fēng)能資源是清潔的可再生能源，在中國(guó)大力發(fā)展可再生能源政策的引導(dǎo)下，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)迅速發(fā)展。但是風(fēng)電能隨機(jī)性、間歇性和反調(diào)峰特性給系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)挑戰(zhàn)，另一方面可能導(dǎo)致常規(guī)機(jī)組偏離最佳運(yùn)行區(qū)，增加系統(tǒng)成本。所以許多學(xué)者對(duì)有功功率進(jìn)行控制，改善風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響，正成為新的研究熱點(diǎn)，引起人們的廣泛關(guān)注。

結(jié)合目前的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明：風(fēng)電系統(tǒng)的接入，對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性的影響主要有電網(wǎng)頻率的影響，對(duì)電能質(zhì)量的影響，以及對(duì)系統(tǒng)備用容量的影響。對(duì)風(fēng)電進(jìn)行有功控制，可以在現(xiàn)有的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、電源結(jié)構(gòu)、負(fù)荷特性、風(fēng)電預(yù)測(cè)水平、風(fēng)機(jī)制造技術(shù)水平條件下，提高電網(wǎng)接納風(fēng)電能力，保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。隨著風(fēng)電在電網(wǎng)中的比例不斷提高， 大型風(fēng)電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)可控運(yùn)行是風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)展的必然趨勢(shì)。如何進(jìn)行有效的優(yōu)化設(shè)計(jì)，如何可以有效的實(shí)現(xiàn)同步并網(wǎng)運(yùn)行，是未來(lái)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的有功功率控制策略，提高風(fēng)電場(chǎng)的穿透功率一種迫切需要。

參考文獻(xiàn)：

[1]計(jì)崔.大型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)并網(wǎng)接入運(yùn)行問(wèn)題綜述[J].上海電力，2008（1）：59-63.

[2]黃德琥.大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響[J].廣東電力，2010，23（7）：27-30.

[3]劉維烈.電力系統(tǒng)調(diào)頻與自動(dòng)發(fā)電控制[M].北京：中國(guó)電力出版社，2006：43-84.

[4]劉江平，汪洪波.電網(wǎng)運(yùn)行備用容量分析和控制策略的研究[J].華中電力，2005，18（6）：22-25.