風力發(fā)電機組發(fā)電性能分析與優(yōu)化

黃福雨

摘 要：風力發(fā)電是當前可再生能源領域中最成熟、最有商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一。隨著風力發(fā)電相關技術的不斷成熟、設備的不斷升級， 我國風力發(fā)電行業(yè)取得了突飛猛進的發(fā)展。截至2020年年底，我國風電裝機2.81億千瓦，新增并網裝機7167萬千瓦，其中陸上風電新增裝機6861萬千瓦、海上風電新增裝機306萬千瓦。經過十幾年的快速發(fā)展，我國風力發(fā)電行業(yè)取得了前所未有的成績，對于風力發(fā)電機組發(fā)電性能的要求也越來越高， 所以針對發(fā)電能力相對較低的機組，急需找到優(yōu)化其發(fā)電能力的方法，本文通過對風力發(fā)電機組發(fā)電能力的分析，探討了影響風機發(fā)電能力的原因，研究提升風力發(fā)電機發(fā)電能力的方法。

關鍵詞：風力發(fā)電;機組發(fā)電;性能分析

前言

資源及能源的龐大消耗是擺在人類發(fā)展面前的巨大問題，在我國，快速發(fā)展一度導致了嚴重的環(huán)境污染問題，經過長時間的治理才最終得到了令人滿意的結果，而目前面對能源的短缺，新時代如何更好地利用清潔能源，是發(fā)展的重要課題。風力發(fā)電技術在我國多年的攻關下取得了較大的發(fā)展，開始成為清潔能源的重要組成部分，本文將闡述目前我國應用的風力發(fā)電技術以及風力發(fā)電的控制技術，并分析其中的優(yōu)勢，對未來的發(fā)展進行展望，為我國的風力發(fā)電事業(yè)提供理論支持。

1 關于風力發(fā)電機組系統(tǒng)的概述

風力發(fā)電機組的技術原理指的是通過利用大自然的風能實施發(fā)電，風力發(fā)電機組則是通過技術的途徑將大自然的風能轉化為電能的一種機械設施。輪毅與槳葉是風力發(fā)電機組的核心組件。槳葉所具備的空氣動力能夠帶動風輪進行旋轉從而將大自然的風能轉換成機械能，進而利用齒輪箱增速驅動發(fā)電機把這種機械能最終轉化為電能資源。在當前的發(fā)展階段，雙饋變速恒頻風力發(fā)電機組得到了十分廣泛的應用，該機組的風輪槳距角能夠實現(xiàn)自由調節(jié)，內部的發(fā)電機也具有變速功能，能夠有效輸出恒頻恒壓電能資源，在效率的保證方面受到認可。在低于額定風速的情況下，發(fā)電機充分利用改變轉速以及槳距角的作用令機組系統(tǒng)能夠在良好的尖速比的狀態(tài)下運行，從而輸出最理想的功率，在處于高風速的情況下，利用改變槳距角的方式令機組的功率輸出控制在額定功率的范圍內。具有高效、性價比高、逆變器功率較小的優(yōu)勢特征。此外，調速的幅度達到30%的額定轉速范圍，變流的容量僅僅維持系統(tǒng)容量的30%，MPPT控制，與變速恒頻驅動無功功率、有功等實現(xiàn)了獨立的控制。另一方面，因為風能具有不穩(wěn)定以及捕獲最大風能的條件，發(fā)電機的轉速的變化是連續(xù)性的，并且頻繁地在同步轉速上、下之間存在波動的情況，為有效促進風力機組能夠追蹤以及捕獲到最大的能量，從而保障電網對輸入電力所提出的條件。因此在這種情況下，風力發(fā)電機務必需要變速恒頻地進行運行。

2 風力發(fā)電控制技術的發(fā)展現(xiàn)狀

控制技術對于風力發(fā)電機的重要性主要體現(xiàn)在以下幾方面：（1）風力發(fā)電機所獲得的風能是隨機的、無法控制的。風速、風向、風力的大小會隨著客觀自然條件的變化而改變，本身并不具有控制性，要想得到控制，就需要通過技術手段來實現(xiàn)。（2）風力發(fā)電機的風輪慣性很大，風輪葉片直徑在特定的范圍內可以有效利用風能。（3）風力發(fā)電所需要的并網、脫網都會用到控制技術?，F(xiàn)階段，很多技術都可以應用到風力發(fā)電領域，風力發(fā)電的控制技術也越來越先進，控制方向越來越多元化。定槳距型風力機只通過連接槳葉、輪轂并不能發(fā)生改變，在風速高于額定風速的情況下，通過失速原理可以限制發(fā)電機的功率。所謂失速原理，指的是氣流達到一定程度的攻角后就會產生渦流。當外界因素讓輸出功率發(fā)生改變時，槳葉的被動失速調節(jié)就不會由任何控制，風力發(fā)電機組系統(tǒng)就會更加簡化。然而，風輪的葉片重量很大，一些部件受力大，所以發(fā)電機組的工作效率較低，一些重要部件也很容易損壞。

3 機組發(fā)電性能提升

3.1 額定功率提升優(yōu)化

對風機所在風場的氣候條件及風機的載荷進行評估，來決定是否可以對風機進行額定功率提升。功率提升可以明顯提高發(fā)電量，依據(jù)類型不同，比例亦有所不同。但是，風電機組進行額定功率提升，必須建立在機組壽命周期內安全、可靠性的基礎上進行，符合IEC WT 01和GB/T 18451.1 標準相關要求。

3.2 硬件優(yōu)化

葉片是風力發(fā)電機組的關鍵組成部分。每個葉片都配置一套獨立的變槳系統(tǒng)，機組運行期間，通過風機變槳驅動裝置，調整葉片角度，實現(xiàn)葉片變槳，安全保護和功率控制。利用空氣動力學原理，對風機葉片的氣動優(yōu)化設計，可以有效降低風力發(fā)電機組的載荷，提升風機發(fā)電能力。風機在運行過程中，風并非斷橫切風流“推”動風機葉片，而是吹過葉片表面形成葉片正反面的壓差，從而產生升力令風輪旋轉，這與飛機的機翼有相似之處，我們是否可以在飛機機翼設計上獲得靈感來改善風機葉片的氣動性能呢？

飛機機翼上安裝有渦流發(fā)生器，它是一種低展弦比小翼段，當襟翼偏轉使襟翼表面上的氣流過分離時，渦流發(fā)生器利用旋渦從外部氣流中將風能帶進附面層，加快附頂層內氣流流動，防止氣流過早分離，并且當氣流以一定的迎角流過小翼段時，在一側加速，另一側減速，在小翼段兩側造成壓力差，因而在小翼段的端部生成了很強的翼尖旋渦，所以可以借鑒飛機機翼的空氣學原理，在風機葉片進行簡單的升級改造，安裝類似渦流發(fā)生器的低展弦比小翼段。基于葉片的設計和分離區(qū)域的外形，通過延遲氣流從葉片分離，可以提升葉片升力，增加發(fā)電量。

當然，根據(jù)風力發(fā)電機的結構和承載能力，安裝葉尖或葉根延長段， 適當?shù)难娱L葉片長度也可以很明顯地提高風機的發(fā)電能力。但是，葉片的延遲需要經過嚴格的載荷計算，并經過長時間的安全驗證才能實施，并且由于屬于后期改造，費用也會相對較高。所以對風機發(fā)電能力進行硬件的優(yōu)化除了考慮方案的可行性外，還要考慮風機運行的綜合成本。

3.3 捕風能力優(yōu)化

測風裝置通過自適應控制，持續(xù)并自動校準偏航上風向，為每臺風機自動更新傳遞函數(shù)。利用風向的自然變化根據(jù)發(fā)電量來感知最佳偏航位置，適當調整偏航對風偏差設定值，提高對風準確度。根據(jù)IEC標準，多數(shù)風機的切出風速都設定在了20～25m/s，如果根據(jù)風力發(fā)電機的運行工況與結構特征， 將風機的切出風速適當提高，則可以捕獲更多的風能，明顯提升機組發(fā)電量，但是，需要對風電機組進行嚴格的疲勞和極限載荷計算，結合葉片變槳角度的變化來控制機組載荷能力的均衡，保證機組的安全運行。

結束語：21世紀，風力發(fā)電產業(yè)還是具有非常樂觀的發(fā)展前景的，盡管仍然存在許多問題需要解決。風力發(fā)電企業(yè)除了不斷研發(fā)風力發(fā)電控制技術之外，還要引進先進的機械設備，在零部件的研發(fā)方面，我國與發(fā)達國家還有很大差距，所以，應該從技術、設備兩方面著手，不斷汲取先進的經驗，在此基礎上實現(xiàn)自我創(chuàng)新，以推動風力發(fā)電技術的長足進步。

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