風(fēng)力發(fā)電技術(shù)及電功率控制策略研究

史儉峰

摘要：尋找可以有效取代化石燃料的新型可再生清潔能源，是當(dāng)前電力系統(tǒng)的重要目標(biāo)，也是減少環(huán)境污染的必然要求?；诖?，本文主要概述風(fēng)力發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)，分析風(fēng)能發(fā)電的發(fā)展趨勢(shì)，并提出控制有效風(fēng)力發(fā)電功率的策略，旨在促進(jìn)風(fēng)能發(fā)電良性發(fā)展。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；電功率控制；有效策略

21世紀(jì)以來，人們的生產(chǎn)生活對(duì)電力系統(tǒng)的依賴與日俱增。但依靠化石燃料的發(fā)電方式會(huì)污染大氣環(huán)境，而且化石燃料的形成需要上億年，是非再生資源。對(duì)此，為改善環(huán)境的污染情況，我國(guó)電網(wǎng)利用風(fēng)能資源等清潔能源發(fā)電，促進(jìn)我國(guó)可持續(xù)發(fā)展，為社會(huì)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

一、風(fēng)力發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)

（一）功率預(yù)測(cè)

在我國(guó)的電力系統(tǒng)中，風(fēng)能發(fā)電目前是重要組成部分，而發(fā)電功率預(yù)測(cè)是較重要的技術(shù)之一。在風(fēng)力發(fā)電站內(nèi)，由于受到風(fēng)力和風(fēng)速影響，電量的產(chǎn)能效率較不穩(wěn)定，風(fēng)速大時(shí)，電力產(chǎn)能大；風(fēng)速小時(shí)，功率下降。在風(fēng)力發(fā)電站內(nèi)，產(chǎn)生的電量會(huì)輸入電網(wǎng)，引進(jìn)千家萬戶。但由于風(fēng)力發(fā)電的電功率不夠穩(wěn)定，引入電網(wǎng)的難度也會(huì)隨之增大。在發(fā)電時(shí)，工作人員要測(cè)試風(fēng)速，根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保發(fā)電的效率和電網(wǎng)的穩(wěn)定程度。

目前，相關(guān)技術(shù)人員會(huì)根據(jù)風(fēng)速測(cè)試和用電需求，把握風(fēng)的產(chǎn)生和時(shí)長(zhǎng)，并將風(fēng)的功率測(cè)試分為短期和長(zhǎng)期兩個(gè)測(cè)試周期。短期測(cè)試主要是對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)、對(duì)發(fā)電方式和時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行控制，劃分測(cè)試區(qū)域，有效把控風(fēng)能資源。

電廠工作人員將風(fēng)力發(fā)電模型分為物理、統(tǒng)計(jì)測(cè)算、模型排列三種。其中，物理分類法主要是電廠工作人員和氣象部門人員聯(lián)手，根據(jù)相關(guān)氣象理論，模擬演示可能出現(xiàn)的風(fēng)速，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果組件發(fā)電模型，幫助電廠工作人員準(zhǔn)確設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)組模型，完成風(fēng)力把控，但風(fēng)具有很多不確定性，風(fēng)的產(chǎn)生時(shí)間和速度都沒有規(guī)律，容易出現(xiàn)誤差，會(huì)影響電力產(chǎn)能。統(tǒng)計(jì)測(cè)算主要是工作人員利用數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)概念進(jìn)行模型構(gòu)建，分析測(cè)算對(duì)象和統(tǒng)計(jì)模型二者之間的聯(lián)系，掌握風(fēng)能發(fā)電的相關(guān)規(guī)律。統(tǒng)計(jì)測(cè)算法也能從深層次解析風(fēng)能發(fā)電功率和發(fā)電數(shù)據(jù)，是有效測(cè)算相關(guān)數(shù)據(jù)的方法。目前，測(cè)算功率的方法主要有時(shí)間序列測(cè)算法和機(jī)械測(cè)算法，綜合性極強(qiáng)。組合模型測(cè)算法是工作人員將多種測(cè)算方式結(jié)合，能夠從根本上降低測(cè)算結(jié)果誤差。

（二）機(jī)組調(diào)節(jié)

風(fēng)力發(fā)電廠在發(fā)電工作過程中，當(dāng)風(fēng)力滿足發(fā)電需求時(shí)，發(fā)電機(jī)會(huì)為風(fēng)力發(fā)電站的發(fā)電量和供給電網(wǎng)的電量提供支持，所以風(fēng)力發(fā)電廠的工作人員必須熟練使用發(fā)電機(jī)組的儀器設(shè)備，掌握相關(guān)技術(shù)和操作流程。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作的核心是將新能源轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，最后將產(chǎn)生的電能并入電網(wǎng)中，為社會(huì)發(fā)展提供電力能源。在自然環(huán)境下，風(fēng)速相對(duì)較弱時(shí)，電廠發(fā)電機(jī)組工作人員要快速對(duì)機(jī)組進(jìn)行緊急調(diào)控處理，在最短時(shí)間內(nèi)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，提升發(fā)電機(jī)組的工作效率。另外，在自然環(huán)境中風(fēng)力較大時(shí)，工作人員必須重點(diǎn)把握發(fā)電機(jī)組的性能特點(diǎn)，把控發(fā)電功率和電容量，避免機(jī)組出現(xiàn)電量過載的可能，降低不必要風(fēng)險(xiǎn)出現(xiàn)的可能性，提高發(fā)電功率。如果要想延長(zhǎng)發(fā)電機(jī)組的使用年限，增加發(fā)電量，風(fēng)力發(fā)電廠工作人員要重點(diǎn)關(guān)注發(fā)電機(jī)組的電容量和工作效率。在進(jìn)行發(fā)電作業(yè)時(shí)，發(fā)電機(jī)組必須及時(shí)獲取風(fēng)能，高效率地將風(fēng)能變成機(jī)械能，再由機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋ｏL(fēng)力發(fā)電廠的每一個(gè)工作組件都有最大限度值，只有在某一區(qū)間內(nèi)，才能有效增加電功率，擴(kuò)大電容產(chǎn)值，確保發(fā)電機(jī)組工作穩(wěn)定，從而提高發(fā)電效率。

當(dāng)前，我國(guó)的大部分風(fēng)力發(fā)電廠主要運(yùn)用以下兩種技術(shù)提高發(fā)電功率：

1.渦輪變速技術(shù)

在發(fā)電中將機(jī)組螺旋葉片和渦輪固定，由于這種技術(shù)組件難度系數(shù)小，操作簡(jiǎn)單，在發(fā)電過程中具有一定穩(wěn)定性，被廣泛用于很多風(fēng)力發(fā)電廠。但在實(shí)際操作中無法根據(jù)風(fēng)速調(diào)節(jié)螺旋葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，存在一定的缺陷和不足。這種發(fā)電技術(shù)更多的是通過動(dòng)力學(xué)原理，在實(shí)際生產(chǎn)中難以確保發(fā)電機(jī)組準(zhǔn)確有效捕捉風(fēng)能，無法最大程度上利用資源，容易給發(fā)電機(jī)組和相關(guān)設(shè)備帶來一定程度的損耗。

2.矩陣調(diào)節(jié)技術(shù)

在實(shí)際工作中，發(fā)電廠會(huì)根據(jù)風(fēng)速情況改變螺旋槳葉片角度，進(jìn)而改變發(fā)電矩陣效率，但在發(fā)電過程中，實(shí)時(shí)發(fā)電功率過小時(shí)，螺旋葉片會(huì)徘徊在零刻度線；實(shí)時(shí)發(fā)電功率過大時(shí)，螺旋槳會(huì)加速旋轉(zhuǎn)，螺旋葉片轉(zhuǎn)動(dòng)靈活性強(qiáng)，可以將發(fā)電功率控制在安全范圍內(nèi)。利用此種發(fā)電技術(shù)，工作人員可以通過對(duì)控制系統(tǒng)的操作，改變發(fā)電機(jī)組工作狀態(tài)，確保調(diào)節(jié)工作有效進(jìn)行，最大程度上滿足風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的發(fā)電需求，為人們提供更加充足的電力資源。

（三）自動(dòng)控制

風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)大多采用無功控制，在實(shí)際應(yīng)用中，主要有工作人員對(duì)不同的發(fā)電設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一操作，其中，主要的控制系統(tǒng)由風(fēng)力無功自動(dòng)控制系統(tǒng)和監(jiān)控設(shè)備組成。在控制系統(tǒng)中，自動(dòng)系統(tǒng)可以與監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)合，形成輔助，確保不同發(fā)電機(jī)組的獨(dú)立性和穩(wěn)定性。在實(shí)際操作中，風(fēng)力無功自動(dòng)控制系統(tǒng)可以通過檢測(cè)電壓，向遠(yuǎn)程操作臺(tái)提供數(shù)據(jù)，確保發(fā)電效率。遠(yuǎn)端控制臺(tái)可以直接控制設(shè)備，為預(yù)定電力接收裝置提供充足的電量，將發(fā)電功率控制在較大值范圍內(nèi)。

二、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

（一）增大電容

隨著人口數(shù)量的增加以及技術(shù)水平的不斷提升，未來風(fēng)力發(fā)電廠的發(fā)電量會(huì)逐年增加，甚至取代傳統(tǒng)的化石燃料。我國(guó)現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)發(fā)電值大多都維持在1kWh，較大的發(fā)電站發(fā)電值突破了6MW的節(jié)點(diǎn)。但目前，一些西方發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)出現(xiàn)了超過8MWh的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，還有部分國(guó)家正在研發(fā)發(fā)電功率超過10MW的發(fā)電裝置。對(duì)比與分析世界各國(guó)風(fēng)力發(fā)電站的數(shù)據(jù)可知，至少未來七十年，我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電站發(fā)電容量會(huì)突破80MW。風(fēng)力發(fā)電站具備以下優(yōu)勢(shì)：

1.經(jīng)濟(jì)效率高

在風(fēng)力發(fā)電站發(fā)電過程中，發(fā)電設(shè)備的造價(jià)相對(duì)較低，隨著科技的不斷進(jìn)步，相關(guān)建材的造價(jià)會(huì)降低。很多風(fēng)力發(fā)電站的資金投入量甚至和化石煤炭等發(fā)電成本齊平。除此之外，由于我國(guó)幅員遼闊，物產(chǎn)資源豐富，勞動(dòng)力基礎(chǔ)牢固，未來風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)收益會(huì)越來越高，可以更好地滿足社會(huì)各界的用電需求。

2.建造工期短，建成后可以隨時(shí)投產(chǎn)

風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的建設(shè)效率極高，建筑工程隊(duì)可在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)完成風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的建設(shè)工作，避免緊急情況出現(xiàn)。技術(shù)人員可以通過風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，滿足偏遠(yuǎn)地區(qū)和鄉(xiāng)村地區(qū)人民的生產(chǎn)生活用電，維持社會(huì)穩(wěn)定。

目前，國(guó)際社會(huì)對(duì)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的重視程度越來越高，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)規(guī)模也在逐年擴(kuò)大，但我國(guó)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在開發(fā)階段還存在一些弊端，間接導(dǎo)致很多關(guān)鍵性的技術(shù)問題至今依然無法解決。我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電廠發(fā)電設(shè)備的電容量正在不斷擴(kuò)張，間接導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不穩(wěn)定，針對(duì)這一情況，技術(shù)人員要不斷利用新技術(shù)和新材料，確保風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)發(fā)電裝置的穩(wěn)定性，促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

（二）轉(zhuǎn)變陣地

目前，我國(guó)絕大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電站建在內(nèi)陸，建在海上的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)相對(duì)較少。然而，海上發(fā)電場(chǎng)和陸地發(fā)電廠的工作原理基本一致，更加容易滿足我國(guó)的用電需求。海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)可以從根本上解決土地資源流失和浪費(fèi)情況，而且在海洋上的風(fēng)力和風(fēng)速大于陸地，儲(chǔ)備的能量會(huì)更多，未來前景較好。

（三）提高效率

近年來，隨著我國(guó)的科學(xué)水平不斷提高，科研人員對(duì)風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)掌握程度在不斷升高，妥善解決了傳統(tǒng)發(fā)電方式中存在的問題。但很多風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的設(shè)備使用年限都相對(duì)較短，磨損嚴(yán)重，投產(chǎn)不超過十五年就必須進(jìn)行報(bào)廢處理，且這些材料和設(shè)備的造價(jià)大多較高，需要大量的資金投入。在建造完成投入使用后，還要定期進(jìn)行設(shè)備維修和保養(yǎng)，對(duì)人力和財(cái)力的損耗相對(duì)較大。所以必須不斷加強(qiáng)相關(guān)設(shè)備的材料更新和技術(shù)改革，引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，節(jié)能降耗，降低成本投入，提升風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的工作效率。

三、風(fēng)力發(fā)電電功率控制的有效策略

（一）控制發(fā)電機(jī)

為有效控制風(fēng)力發(fā)電電功率，工作人員可以利用風(fēng)力資源和相關(guān)參數(shù)，準(zhǔn)確高效地調(diào)節(jié)工作機(jī)組的電量輸出功率。一旦風(fēng)力相對(duì)穩(wěn)定平緩，技術(shù)人員要注意調(diào)節(jié)發(fā)電設(shè)備的電力輸出。在風(fēng)速穩(wěn)定時(shí)，對(duì)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行變速處理，將發(fā)電功率調(diào)到最大值。當(dāng)風(fēng)速不可控時(shí)，調(diào)整發(fā)電機(jī)組的螺旋葉片和間距，控制好螺旋發(fā)電葉片的角度，確保發(fā)電功率的穩(wěn)定性，為國(guó)家電網(wǎng)輸送更多電量，保障人們的正常生產(chǎn)和生活。

（二）電池儲(chǔ)能

風(fēng)力發(fā)電站工作人員通過控制發(fā)電機(jī)組電量的儲(chǔ)存設(shè)備和電量流向，確保直流電電壓相對(duì)穩(wěn)定，并將差值降到最低范圍以內(nèi)。發(fā)電機(jī)組電池主要利用電流轉(zhuǎn)換器將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，在電池內(nèi)增加隔熱層和絕緣層，避免二極管和絕緣晶體粘連產(chǎn)生電阻，從根本上防止發(fā)電機(jī)組的交流電產(chǎn)生，防止發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)電量過載、電壓過高的風(fēng)險(xiǎn)。直流電主要通過發(fā)電機(jī)組開關(guān)的開啟和關(guān)閉，維持發(fā)電機(jī)組整體的穩(wěn)定，控制電功率，確保發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定，避免出現(xiàn)不必要的電量消耗，保障發(fā)電機(jī)組電量?jī)?chǔ)備充足。

（三）仿真研究

風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)工作人員通過發(fā)電機(jī)組的無級(jí)變速原理，布控發(fā)電過程中系統(tǒng)的相關(guān)環(huán)節(jié)，并打造立體方陣發(fā)電矩陣。為了確保模擬結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確，相關(guān)數(shù)據(jù)精確程度更高，工作人員可以分析和研究發(fā)電系統(tǒng)中電量的消耗和設(shè)備的損耗情況，并在模型中重點(diǎn)觀察風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行過程中的損耗。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變速裝置在發(fā)電過程中容易出現(xiàn)一定程度的消耗，設(shè)備內(nèi)壁的材料和電流接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生相斥反應(yīng)，這種現(xiàn)象在模擬實(shí)驗(yàn)中工作人員容易獲得，機(jī)器的磨損程度和消耗值也會(huì)根據(jù)摩擦數(shù)據(jù)計(jì)算獲取。

因?yàn)槟Ｐ拖鄬?duì)復(fù)雜，所以通過風(fēng)力發(fā)電變速裝置工作時(shí)的原子消耗在機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)，工作人員可以利用相關(guān)軟件進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，再將實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸入到仿真模型中進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)和模擬。在模型中根據(jù)損耗程度，掌握機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)，再計(jì)算結(jié)果和磨損數(shù)據(jù)，以此得出機(jī)器之間的摩擦系數(shù)。由于發(fā)電機(jī)組內(nèi)的模擬模型操作相對(duì)復(fù)雜，工作人員在風(fēng)能發(fā)電設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)中通過操作無級(jí)變速裝置，可以利用模型進(jìn)行模擬和還原，再將測(cè)算數(shù)據(jù)輸入到模型中，找出機(jī)器損耗的臨界值。在發(fā)電設(shè)備工作時(shí)，通過合理改變參數(shù)，可以根據(jù)機(jī)組和風(fēng)能接收裝置之間的聯(lián)系，降低損耗和發(fā)電電阻的電阻值，掌握發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的相關(guān)情況。在測(cè)算中，可以改變發(fā)電裝置中的電阻值，需要在仿真模型中進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)算。

在仿真模型中，風(fēng)力發(fā)電裝置中的電量存儲(chǔ)裝置可以根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的相關(guān)參數(shù)和數(shù)據(jù)自動(dòng)配對(duì)，確保裝置在啟動(dòng)后可以順利達(dá)到設(shè)定功率，當(dāng)機(jī)組工作超負(fù)荷時(shí)，可以確保機(jī)組內(nèi)部的電量?jī)?chǔ)備始終位于設(shè)備開啟時(shí)一半的電量存儲(chǔ)。發(fā)電廠工作機(jī)組的電源存儲(chǔ)容積相對(duì)有限，不能無限存儲(chǔ)電量和釋放電量，所以工作人員可以結(jié)合風(fēng)力發(fā)電機(jī)不同工作狀態(tài)下的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，將電量和接受的風(fēng)能調(diào)整至較大值，確保電網(wǎng)在直流電和交流電的作用下充分釋放電能，提升發(fā)電功率。為確保發(fā)電機(jī)組工作穩(wěn)定，可以結(jié)合實(shí)際風(fēng)速，調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)值，保障電力供應(yīng)。

四、結(jié)語

當(dāng)前，風(fēng)力發(fā)電早已成為人們的重點(diǎn)討論話題，被社會(huì)各界高度重視，相關(guān)學(xué)者也針對(duì)相關(guān)課題展開深入研究。隨著環(huán)境污染程度日漸嚴(yán)重，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)被廣泛運(yùn)用，尤其是偏遠(yuǎn)落后的地區(qū)，利用風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，可以充分發(fā)揮地區(qū)自然條件優(yōu)勢(shì)，拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]覃盛瓊，程朗，何占啟，等.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究與應(yīng)用前景綜述[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2021，38（08）：1-8.

[2]李慶民，于萬水，趙繼堯.支撐“雙碳”目標(biāo)的風(fēng)光發(fā)電裝備安全運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)[J].高電壓技術(shù)，2021，47（09）：3047-3060.

[3]昝丙合，何淼，朱建勇，等.小型風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)氣動(dòng)及發(fā)電性能試驗(yàn)研究[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2021，39（06）：596-601.

[4]于猛.風(fēng)電工程項(xiàng)目施工與管理要點(diǎn)分析[J].工程技術(shù)研究，2020，05（17）：184-185.

[5]呂文科，張?zhí)m紅，車三宏.虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化儀表，2021，42（08）：99-105+110.