淺談新能源風(fēng)力發(fā)電及其功率控制

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1 新能源風(fēng)力發(fā)電的工作原理分析

新能源風(fēng)力發(fā)電是指將風(fēng)能通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)。風(fēng)力發(fā)電過程就是把風(fēng)能經(jīng)由機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的過程，風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過程由風(fēng)輪實(shí)現(xiàn)，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的過程由風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。在這個過程中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大多為水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其由多個部件組成，包括葉片、輪轂、增速齒輪箱、發(fā)電機(jī)、主軸、偏航裝置、控制系統(tǒng)、塔架等[1]。

2 新能源風(fēng)力發(fā)電要點(diǎn)的分析

（1）風(fēng)力測算以及相關(guān)選址要點(diǎn)。新能源風(fēng)力發(fā)電自身的供電穩(wěn)定性與風(fēng)力發(fā)電設(shè)備和所在區(qū)域的風(fēng)力有著直接關(guān)系，要想充分保證風(fēng)力發(fā)電所產(chǎn)生的電力能夠滿足人們的需求，就必須要對風(fēng)力發(fā)電進(jìn)行風(fēng)力測算工作，以保證風(fēng)力發(fā)電自身供電的穩(wěn)定性。因?yàn)轱L(fēng)力的變化相對比較多，故而風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的選址必須要根據(jù)相關(guān)的風(fēng)力進(jìn)行測算，這樣才能有效保證風(fēng)力發(fā)電能夠產(chǎn)生足夠的電能。

（2）與其他能源發(fā)電互補(bǔ)要點(diǎn)分析。①與太陽能發(fā)電互補(bǔ)的分析。我國地形特征以及氣候特征在一定程度上決定了風(fēng)力發(fā)電以及太陽能發(fā)電能夠進(jìn)行互補(bǔ)，進(jìn)而達(dá)到可以穩(wěn)定供應(yīng)電能的作用。②風(fēng)力發(fā)電和水力發(fā)電互補(bǔ)的分析。風(fēng)力發(fā)電也可以和水力發(fā)電技術(shù)進(jìn)行組合，以獲得更加穩(wěn)定的電能。在實(shí)際應(yīng)用過程中，風(fēng)力發(fā)電取決于風(fēng)能的質(zhì)量，往往不夠穩(wěn)定，風(fēng)力發(fā)電能力隨著風(fēng)力、風(fēng)向等的變化而變化，而水力發(fā)電完全可以人為控制輸出電能，因此，可以采取風(fēng)、水互補(bǔ)的形式，最終得到一個平穩(wěn)的電能輸出。③風(fēng)力發(fā)電和燃?xì)獍l(fā)電互補(bǔ)的分析。新能源風(fēng)力發(fā)電于燃?xì)獍l(fā)電技術(shù)指點(diǎn)的能源互補(bǔ)可以提供更加穩(wěn)定的供電，若是一種裝置的供電能力有所不足，另一種就能立刻提供供電的支持，這樣就能為用戶提供相對比較穩(wěn)定的電能。在實(shí)際的應(yīng)用過程中，二者之間的互補(bǔ)系統(tǒng)得到了非常好的應(yīng)用[2]。

3 新能源風(fēng)力發(fā)電的功率控制分析

（1）風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制。新能源風(fēng)力發(fā)電功率控制可以通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)來控制功率輸出。風(fēng)力發(fā)電機(jī)大多采用雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)。雙饋異步發(fā)電機(jī)的最大好處就是可以根據(jù)風(fēng)速變化進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，這樣可以保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行始終是最佳狀態(tài)，對風(fēng)能利用率的提高有很大幫助。同時，在雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中，通過控制饋入的電流參數(shù)，在保持定子輸出的電壓和頻率不變的基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率因數(shù)，保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)穩(wěn)定。

（2）風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳距控制。風(fēng)力發(fā)電中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在安裝結(jié)構(gòu)上根據(jù)風(fēng)輪葉片和輪轂可以分為定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)和變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)兩種。定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)是將葉片固定安裝在輪轂上，在工作過程中，槳葉是不會發(fā)生角度變化的。變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)在實(shí)際工作中必須解決風(fēng)速變化時槳葉自動調(diào)節(jié)功率和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的制動功能。具體表現(xiàn)在：①變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)在葉片和輪轂之間采用非剛性聯(lián)結(jié)方式，這樣葉片就可以在工作中通過節(jié)距的調(diào)整，根據(jù)風(fēng)速調(diào)整葉片和輪轂之間的角度。在實(shí)際工作中，無論風(fēng)速怎么變化，葉片與輪轂始終保持在最佳的角度，在風(fēng)力發(fā)電中可以提高輸出功率；②在風(fēng)力過大超出風(fēng)力發(fā)電機(jī)的切出風(fēng)速時，就會自動停止工作，槳葉可以在風(fēng)機(jī)停止工作時保護(hù)風(fēng)機(jī)不會受到損害。

（3）風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航控制。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)中的風(fēng)力機(jī)偏航控制非常重要，偏航控制系統(tǒng)在工作中與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相互協(xié)調(diào)，可以保持風(fēng)輪一直處在迎風(fēng)狀態(tài)，這樣可以很大程度上提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率，同時也可以保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行安全。風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航系統(tǒng)分為主動迎風(fēng)偏航系統(tǒng)和被動迎風(fēng)偏航系統(tǒng)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航控制系統(tǒng)在工作中主要是在風(fēng)力發(fā)生改變時，可以更好地調(diào)整風(fēng)力發(fā)電機(jī)，讓風(fēng)力發(fā)電機(jī)始終處在風(fēng)向的正前方，這樣可以最大限度地捕獲風(fēng)能，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率輸出有很大提升[3]。

4 儲能系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用

隨著新能源電站的不斷增加，電網(wǎng)電能過剩，使得新能源消納成為電網(wǎng)亟待解決的問題之一，風(fēng)力發(fā)電主要是依靠大自然風(fēng)能的變化，風(fēng)能存在一定的不穩(wěn)定性和不確定性，而電網(wǎng)需要的是確定的、可控的電能，往往會通過風(fēng)功率預(yù)測、理論可用功率、結(jié)合AGC最終保證電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。

風(fēng)功率預(yù)測是通過實(shí)際氣象數(shù)據(jù)/實(shí)際功率非線性轉(zhuǎn)換關(guān)系尋找到預(yù)測氣象數(shù)據(jù)/預(yù)測功率轉(zhuǎn)換關(guān)系，采用數(shù)值天氣預(yù)報，建立預(yù)測模型，物理模型是應(yīng)用大氣邊界層動力學(xué)與邊界層氣象的理論將數(shù)值天氣預(yù)報數(shù)據(jù)精細(xì)化為風(fēng)電場實(shí)際地形、地貌條件下的風(fēng)電機(jī)組輪轂高度的風(fēng)速、風(fēng)向，考慮尾流影響后，再將預(yù)測風(fēng)速應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組的功率曲線，由此得出風(fēng)電機(jī)組的預(yù)測功率，最后對所有的風(fēng)電機(jī)組的預(yù)測功率求和，得出整個風(fēng)電場的預(yù)測功率；

但由于風(fēng)資源的不確定性和難以預(yù)測性，風(fēng)功率預(yù)測準(zhǔn)確率始終是行業(yè)內(nèi)至今無法解決的一大難題，而風(fēng)功率預(yù)測準(zhǔn)確率低則會導(dǎo)致計(jì)劃曲線和風(fēng)力發(fā)電廠實(shí)際功率存在偏差，最終使得風(fēng)力發(fā)電廠有功功率產(chǎn)生較大波動。

在電網(wǎng)按照計(jì)劃曲線對風(fēng)力發(fā)電廠通過AGC系統(tǒng)進(jìn)行有功功率調(diào)控后，站內(nèi)在大風(fēng)時段必然會產(chǎn)生電能剩余，即限電棄風(fēng)電量，而在低風(fēng)速時段，則會發(fā)生輸送能力不足現(xiàn)象。儲能技術(shù)的發(fā)展完美地解決了該問題。

通過在風(fēng)力發(fā)電廠增設(shè)配套的儲能設(shè)施，結(jié)合預(yù)先設(shè)定的策略，使得風(fēng)力發(fā)電廠在大風(fēng)時段，實(shí)際發(fā)電能力高于計(jì)劃，發(fā)生AGC限功率運(yùn)行時，將剩余電能儲存于儲能系統(tǒng)；而在低風(fēng)速時段，風(fēng)力發(fā)電廠實(shí)際發(fā)電能力低于計(jì)劃，負(fù)荷達(dá)不到AGC給定負(fù)荷時，將所儲存電能釋放，

通過“削峰填谷”，將不可控因素轉(zhuǎn)化為可控因素，一是解決了風(fēng)力發(fā)電功率控制的問題，確保了輸出電能的穩(wěn)定性和電網(wǎng)的可靠性；二是避免了電能量的浪費(fèi)、提高了風(fēng)能利用率；三是大大提升了風(fēng)功率預(yù)測的準(zhǔn)確率，降低了電網(wǎng)考核。