關(guān)于新能源風(fēng)力發(fā)電相關(guān)技術(shù)之研究

劉 燕

（大唐新能源甘肅公司，甘肅 蘭州 730000）

新能源具有可再生的特點(diǎn)，不僅能量密度相對(duì)較低，而且開發(fā)利用空間非常大。尤其是新能源中的風(fēng)能，它的蘊(yùn)藏量非常大，約為水能的10倍左右，并且分布廣泛，基本不會(huì)枯竭。風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)能的主要利用形式，國家在最近幾年加大了風(fēng)電技術(shù)的研究力度，取得了一定的成績。借此，重點(diǎn)對(duì)新能源風(fēng)力發(fā)電相關(guān)技術(shù)展開研究。

1 新能源風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)原理分析

風(fēng)力發(fā)電是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化機(jī)械能，再由機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的一種新型發(fā)電技術(shù)。風(fēng)力發(fā)電的原理如下：通過自然風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)車扇葉旋轉(zhuǎn)，利用增速機(jī)加快扇葉旋轉(zhuǎn)速度，進(jìn)而產(chǎn)生電能。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電的關(guān)鍵設(shè)備，主要由風(fēng)輪裝置、發(fā)電機(jī)、塔架構(gòu)成，各構(gòu)成部位的運(yùn)行原理如下。

1.1 風(fēng)輪裝置

風(fēng)輪裝置是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置，風(fēng)能帶動(dòng)螺旋槳形狀的槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)，槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生機(jī)械能。為實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)能的充分利用，可在風(fēng)輪后安裝風(fēng)向標(biāo)尾舵，用于觀測(cè)風(fēng)向，根據(jù)風(fēng)向的變動(dòng)對(duì)應(yīng)調(diào)整風(fēng)輪方向，使風(fēng)輪對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向運(yùn)轉(zhuǎn)，確保風(fēng)輪產(chǎn)生最大功率機(jī)械能。

1.2 塔架

塔架是支撐風(fēng)輪、尾舵、發(fā)電機(jī)的構(gòu)架，塔架高度需要根據(jù)地面障礙物對(duì)風(fēng)速的影響，以及風(fēng)輪扇葉直徑大小進(jìn)行確定，以保證塔架的高度位置能夠滿足風(fēng)輪裝置的運(yùn)行要求。

1.3 發(fā)電機(jī)

發(fā)電機(jī)是將風(fēng)輪裝置輸送的恒定機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。小型發(fā)電系統(tǒng)由發(fā)電機(jī)和變流器構(gòu)成，具備較高的發(fā)電效率。對(duì)于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)而言，不僅包含發(fā)電機(jī)頭，而且還包括轉(zhuǎn)體、尾翼、葉片等部位，只有在各部位協(xié)調(diào)運(yùn)作下，才能保證風(fēng)力發(fā)電效率。其中，機(jī)頭將葉片受風(fēng)力作用產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能；尾翼用于調(diào)節(jié)風(fēng)向，保證發(fā)電機(jī)獲取最大風(fēng)力；轉(zhuǎn)體是尾翼轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，用于尾翼調(diào)整轉(zhuǎn)向，在轉(zhuǎn)體中通常使用永磁體或勵(lì)磁體轉(zhuǎn)子；用定子繞阻對(duì)磁力線進(jìn)行切割，可將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

2 新能源風(fēng)力發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 風(fēng)功率預(yù)測(cè)技術(shù)

風(fēng)功率預(yù)測(cè)是風(fēng)力發(fā)電中一項(xiàng)較為重要的技術(shù)，由于預(yù)測(cè)周期和預(yù)測(cè)模型的不同，預(yù)測(cè)方法也有所區(qū)別，具體如表1所示。

表1 預(yù)測(cè)方法分類

（1） 按預(yù)測(cè)周期分類。由表1可知，按照預(yù)測(cè)周期的長短不同，可將風(fēng)電功率預(yù)測(cè)分為以下幾種方法：超短期、短期和中長期，其中，超短期可在風(fēng)電的實(shí)時(shí)調(diào)度環(huán)節(jié)進(jìn)行運(yùn)用；短期預(yù)測(cè)可在機(jī)組組合以及備用安排方面進(jìn)行應(yīng)用；中長期預(yù)測(cè)可在檢修及風(fēng)資源評(píng)測(cè)中應(yīng)用。

（2） 按預(yù)測(cè)模型分類。按照預(yù)測(cè)模型的不同，可將風(fēng)電功率預(yù)測(cè)技術(shù)分為物理法、統(tǒng)計(jì)法以及組合模型三種。

①物理法。該方法主要是依據(jù)氣象結(jié)果，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)周圍的天氣情況進(jìn)行模擬，根據(jù)預(yù)測(cè)到的相關(guān)信息，具體包括風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓、空氣密度等，構(gòu)建預(yù)測(cè)模型，結(jié)合機(jī)組的功率曲線，對(duì)風(fēng)電功率進(jìn)行預(yù)測(cè)。由于風(fēng)速的變化無任何規(guī)律可循，所以預(yù)測(cè)結(jié)果常常會(huì)存在一定的誤差。

②統(tǒng)計(jì)法。該方法是依托數(shù)學(xué)工具，找出現(xiàn)有與將要預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)之間的函數(shù)關(guān)系，可將之視作為數(shù)據(jù)挖掘過程，從挖掘中發(fā)現(xiàn)規(guī)律，獲得預(yù)測(cè)結(jié)果。應(yīng)用統(tǒng)計(jì)法對(duì)風(fēng)電功率進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，需要以相應(yīng)的算法作為支撐，常用的有兩種，一種是時(shí)間序列算法，另一種是機(jī)械學(xué)習(xí)算法。

③組合模型。由于各種預(yù)測(cè)方法都存在優(yōu)點(diǎn)和不足，為獲得更加準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)結(jié)果，可將不同的方法結(jié)合到一起應(yīng)用，據(jù)此構(gòu)建組合模型，通過取長補(bǔ)短的方式，提高預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.2 風(fēng)電機(jī)組功率調(diào)節(jié)技術(shù)

對(duì)于整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)而言，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率大小至關(guān)重要，由此使得功率調(diào)節(jié)成為不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)之一。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要通過捕獲風(fēng)能，轉(zhuǎn)換為機(jī)械能進(jìn)行發(fā)電，由于受到機(jī)組上各個(gè)零部件的機(jī)械強(qiáng)度、容量等方面的限制，需要通過減少對(duì)風(fēng)能的捕獲使機(jī)組的功率始終保持在額定值附近，從而確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行安全。在對(duì)風(fēng)電機(jī)組的功率進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，常用的控制技術(shù)有以下幾種。

（1） 定槳距失速控制技術(shù)。這種控制方式的基本原理是將螺距風(fēng)機(jī)葉片與輪轂進(jìn)行剛性固定連接，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定，唯一的不足是葉片頂角無法按照風(fēng)速的變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。定槳距失速控制技術(shù)是以葉片的空氣動(dòng)力學(xué)作為基礎(chǔ)，由此可使渦輪機(jī)的輸出功率隨著外界風(fēng)速的變化而發(fā)生改變。實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，如果在標(biāo)稱風(fēng)速下，通過該技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)風(fēng)能利用效率最大化的目標(biāo)，若是在低于標(biāo)稱風(fēng)速的條件下，則風(fēng)能的利用效率會(huì)隨之降低。

（2） 變槳距控制技術(shù)。所謂的變槳距實(shí)質(zhì)就是對(duì)槳距角進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過改變角度的大小，達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)電機(jī)組輸出功率的目的。風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行的過程中，當(dāng)輸出功率小于額定功率時(shí)，在變槳距控制技術(shù)下，槳距角會(huì)保持在零度位置處不變，此時(shí)無須進(jìn)行調(diào)節(jié)；如果受到一些外界因素的影響，導(dǎo)致輸出功率超過額定功率，調(diào)節(jié)系統(tǒng)便會(huì)按照輸出功率的變化情況，對(duì)槳距角的大小進(jìn)行調(diào)整，從而使風(fēng)電機(jī)組的輸出功率維持在額定功率，此時(shí)的控制系統(tǒng)會(huì)參與調(diào)節(jié)，進(jìn)而形成閉環(huán)控制。變槳距控制是一種主動(dòng)型控制技術(shù)，該技術(shù)在風(fēng)電機(jī)組中的運(yùn)用，能夠有效克服槳距被動(dòng)失速調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)。變槳距控制技術(shù)還具備如下優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)風(fēng)輪開始旋轉(zhuǎn)后，較大的正槳距角能夠產(chǎn)生較大的啟動(dòng)力矩，而在停機(jī)時(shí)，槳距角會(huì)維持在90°，由此可使風(fēng)輪的空轉(zhuǎn)速度達(dá)到最小。

2.3 風(fēng)電無功電壓自動(dòng)控制技術(shù)

該技術(shù)主要是由多個(gè)系統(tǒng)共同參與實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的一種方法，具體包括風(fēng)電無功電壓自動(dòng)控制子站及相關(guān)的監(jiān)控系統(tǒng)等。其中子站可作為模塊集成到綜合監(jiān)控系統(tǒng)中，也可采用外掛的方法使其獨(dú)立運(yùn)行，其負(fù)責(zé)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)設(shè)備的無功電壓運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，利用通信線路將調(diào)節(jié)設(shè)備的無功電壓控制指令發(fā)給相應(yīng)的監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)的控制方式有兩種，一種是遠(yuǎn)方控制，另一種就地控制。在遠(yuǎn)控模式下，子站會(huì)自動(dòng)對(duì)無功電壓控制目標(biāo)進(jìn)行追蹤，而在就地控制模式下，子站可按預(yù)先給定的并網(wǎng)點(diǎn)電壓目標(biāo)曲線進(jìn)行控制。子站的運(yùn)行及控制狀態(tài)可以通過人工進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的各類控制設(shè)備可通過人工進(jìn)行閉鎖和解鎖，設(shè)備的投退則可由系統(tǒng)自動(dòng)控制。當(dāng)電網(wǎng)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的條件下，子站能夠?qū)︼L(fēng)電機(jī)組的無功調(diào)節(jié)能力進(jìn)行充分利用，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電壓的目標(biāo)，若是機(jī)組的無功調(diào)節(jié)能力不足，則會(huì)由動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置完成無功調(diào)節(jié)。此外，子站能夠?qū)︼L(fēng)電機(jī)組與無功補(bǔ)償狀態(tài)進(jìn)行協(xié)調(diào)，從而有效避免了無功的不合理流動(dòng)。

3 結(jié)語

綜上所述，風(fēng)力發(fā)電是新能源中的風(fēng)能在電力領(lǐng)域中的典型應(yīng)用，為使風(fēng)力發(fā)電的作用得以全面發(fā)揮，應(yīng)當(dāng)對(duì)與之相關(guān)的技術(shù)進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上加以合理的運(yùn)用，從而進(jìn)一步提升風(fēng)力發(fā)電效率。這對(duì)于推動(dòng)我國風(fēng)電事業(yè)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。