新能源風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展思路探析

陳少陽

【摘 ?要】目前，由于風(fēng)力發(fā)電具有成本較低、發(fā)展前景廣泛、應(yīng)用方便、可再生性好等優(yōu)點，逐漸受到了各國專家學(xué)者的注意。近年來，我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展較快，在各方面取得了重要科研成果，并成功投入應(yīng)用。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用對于環(huán)境污染的改善，化石燃料的節(jié)約都具有深遠(yuǎn)意義。因此，該文主要闡釋了風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的工作原理以及風(fēng)力機最佳運行原理，并在此基礎(chǔ)上提出了調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機功率的幾種方式，最后對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)的實際應(yīng)用進(jìn)行分析。

【關(guān)鍵詞】新能源;風(fēng)力發(fā)電;發(fā)展趨勢

1 引言

為了更充分的利用風(fēng)力能源，我國在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)方面發(fā)展的非常迅速。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的進(jìn)步推動了風(fēng)力發(fā)電的廣泛應(yīng)用，也促進(jìn)了我國風(fēng)力發(fā)電廠的建設(shè)。但是風(fēng)力發(fā)電的供電網(wǎng)絡(luò)中心跟其他發(fā)電方式相比穩(wěn)定性較弱，抵抗外界干擾的能力也比較差，不能受到過于大的沖擊力。這就使得風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在發(fā)電過程中經(jīng)常出現(xiàn)各種各樣的問題，因此如何解決風(fēng)力發(fā)電容易出現(xiàn)故障的技術(shù)性問題和提高風(fēng)力發(fā)電電能質(zhì)量問題便顯得越來越重要。本文便是從解決風(fēng)力發(fā)電穩(wěn)定性較弱，抵抗能力較差的問題出發(fā)，不斷的提高風(fēng)力發(fā)電的質(zhì)量，為風(fēng)力發(fā)電在我國的更廣泛的應(yīng)用做保障。

2 風(fēng)力發(fā)電及其控制技術(shù)的進(jìn)展情況

2.1 風(fēng)力發(fā)展的現(xiàn)狀

中國擁有豐富的風(fēng)能資源，全年風(fēng)能資源總量32.26億kW（地面以上10m風(fēng)速大于5m/s），實際可開采量為10.4億kW。根據(jù)我國的實際情況，新能源戰(zhàn)略已經(jīng)開始著重發(fā)展風(fēng)電。因此我國風(fēng)電發(fā)展前景相當(dāng)可觀，從現(xiàn)在到未來將保持高速發(fā)展的趨勢，同時，隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的逐步成熟，風(fēng)電行業(yè)的盈利能力也將穩(wěn)步提高。根據(jù)中國工商業(yè)研究院發(fā)布的數(shù)據(jù)，截至2017年底，全球風(fēng)電市場主要集中在5個國家：中國、美國、德國、印度和西班牙。其中，中國累計裝機容量188392兆瓦，居世界第一，美國累計裝機容量89077MW，居世界第二。與2007年前我國風(fēng)電裝機容量相比，近年來我國風(fēng)電裝機容量實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。因為不斷增加的裝機容量，中國已成為了世界上最重要的風(fēng)力發(fā)電國之一。

2.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制

由于自然風(fēng)在不同時期和不同氣候條件下會出現(xiàn)不同風(fēng)速和風(fēng)向，所以有效地控制發(fā)電系統(tǒng)是一項重要的工作，首先需要有效地控制好機組內(nèi)的切入和切出電網(wǎng)、對輸出功率進(jìn)行控制、并檢測風(fēng)輪是否出現(xiàn)運行故障、做好保護(hù)措施。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制技術(shù)由之前的定槳距恒速運行技術(shù)發(fā)展至現(xiàn)在的變槳距變速運行技術(shù)，有了較大的突破和超越，達(dá)到了城市中基本的供電指標(biāo)。在風(fēng)力發(fā)電機組中關(guān)鍵的技術(shù)是機組功率的調(diào)節(jié)技術(shù)，包括主動失速、定槳距失速和變槳距調(diào)節(jié)等。當(dāng)下，風(fēng)力發(fā)電機組具備了變槳距變速運行技術(shù)，對風(fēng)速和風(fēng)向的變化進(jìn)行控制，另外，風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)不只是在機組內(nèi)達(dá)到脫網(wǎng)、并網(wǎng)和調(diào)向控制的作用，還可以通過變距系統(tǒng)進(jìn)一步管控好機組的運行速度和功率，從而確保風(fēng)力發(fā)電機組的安全以及速度的加快，推動電力行業(yè)的快速發(fā)展。

3 互補發(fā)電系統(tǒng)

（1）風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)。風(fēng)力資源易受地形地勢的影響，且與地域位置有關(guān)。我國的地域分布及季風(fēng)氣候決定我國冬季風(fēng)能豐富而太陽能不足，夏季太陽能豐富而風(fēng)能不足。因此，可以將二者進(jìn)行很好結(jié)合，利用風(fēng)光互補的發(fā)電結(jié)構(gòu)解決風(fēng)能發(fā)電和太陽能發(fā)電的隨機性，實現(xiàn)電能輸出的穩(wěn)定。該系統(tǒng)尤其適用于風(fēng)能和太陽能都較為豐富的地方，如：海島、沙漠、草原、山區(qū)等。該系統(tǒng)還適用于小區(qū)和環(huán)境工程，如：路燈、觀景燈、廣告牌等。（2）風(fēng)水互補發(fā)電系統(tǒng)。風(fēng)水互補發(fā)電系統(tǒng)就是將風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)與水能發(fā)電相結(jié)合的發(fā)電系統(tǒng)，當(dāng)風(fēng)能發(fā)電出現(xiàn)波動時，水電站可以迅速調(diào)節(jié)輸出補償風(fēng)能發(fā)電。另外，在我國部分地域風(fēng)能和水能在分布上具有時間互補性，例如我國的新疆、內(nèi)蒙古、青海等地區(qū)，夏秋季風(fēng)速弱，風(fēng)力發(fā)電輸出能力弱，但是這2個季節(jié)雨水量較大，水力發(fā)電可以補償部分負(fù)荷。春冬季節(jié)，雨水量較低，水力發(fā)電輸出能力較弱，但這2個季節(jié)風(fēng)能較強，風(fēng)力發(fā)電輸出較大，能夠?qū)λΠl(fā)電進(jìn)行穩(wěn)定性補償。（3）風(fēng)氣互補發(fā)電系統(tǒng)。風(fēng)氣互補發(fā)電系統(tǒng)是指風(fēng)力發(fā)電與燃?xì)獍l(fā)電相互補償。利用具有快速啟停和快速調(diào)節(jié)負(fù)荷特點的燃?xì)獍l(fā)電機補償風(fēng)力發(fā)電機輸出的波動，使得整個發(fā)電系統(tǒng)的輸出能力在一段時間內(nèi)保持穩(wěn)定。目前，風(fēng)氣互補發(fā)電系統(tǒng)在新疆地區(qū)已經(jīng)得到了應(yīng)用。

4 風(fēng)力發(fā)電及其控制技術(shù)的研究

4.1 風(fēng)輪的控制技術(shù)

①利用功率信號的反饋。利用功率信號的反饋進(jìn)一步管控好風(fēng)輪的功率信號，當(dāng)風(fēng)輪運行時，它們的功率與實際條件的改變是一致的，然后再對功率的關(guān)系作出分析，之后繪制出最大功率的曲線圖，完成以上工作后接著做后面的工作。在實際操作時，還應(yīng)該對比最大功率與系統(tǒng)中的實際輸出功率，獲取它們的差值大小，之后再進(jìn)行風(fēng)輪槳矩的調(diào)整工作，這樣才有助于風(fēng)輪的運行功率最大化。這種方式使成本無須花費過多，但是風(fēng)機在正常運行時要獲得最大功率曲線較為困難。②管控好葉尖速比。受到風(fēng)力作用的影響，風(fēng)輪中風(fēng)葉尖端轉(zhuǎn)動時具有線速度，并且將其稱為葉尖速。其中葉尖速比表示為葉尖速與這個時間之內(nèi)的風(fēng)速形成的比值。對葉尖速比進(jìn)行控制的主要方法是控制葉尖速比值，從而進(jìn)一步改善風(fēng)機的運行系統(tǒng)。因為風(fēng)速不相一致，所以很難有效地確定出最合適的葉尖速比，應(yīng)該適當(dāng)?shù)馗淖兒驼{(diào)節(jié)葉尖速，并調(diào)節(jié)好風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩，這樣才能更好地調(diào)整風(fēng)輪外邊緣的速度，使葉尖速比得到優(yōu)化處理。

4.2 風(fēng)力發(fā)電中無功功率補償技術(shù)與諧波消除技術(shù)

①無功功率補償?shù)募夹g(shù)。在感性元件的影響下，發(fā)電系統(tǒng)中一些無功功率呈現(xiàn)出消耗的狀態(tài)，電壓經(jīng)過感性元件的時候，因為只是無功功率的消耗使得感性元件兩邊無電壓變化，但是當(dāng)電壓較高時，經(jīng)過感性元件的電流較大會給元件帶來間接破壞。這時候，就要結(jié)合實際情況采取無功功率補償技術(shù)，并且壓抑住諧波作用。雖然無功功率補償?shù)膽?yīng)用很廣，但還是存在一些不足。②諧波消除的技術(shù)。風(fēng)機發(fā)電的時候，由于存在諧波就是整個電能的質(zhì)量不高，也給電的電壓及頻率造成不良影響，使無功功率與有功功率間缺乏平衡，所以一定要把存在的諧波消除掉。具體開展過程中，因為諧波會影響風(fēng)能的發(fā)電，首先，它會造成發(fā)電機的鐵損和銅損，在發(fā)電機內(nèi)產(chǎn)生超同步諧振的現(xiàn)象;電力設(shè)備在運行時，諧波會造成設(shè)備出現(xiàn)熱故障，影響系統(tǒng)的正常運行等。而消除諧波可以從以下幾個方面入手：第一，使用電力變流器和一些電力設(shè)備讓相應(yīng)的相位與諧波進(jìn)行抵消;第二，適當(dāng)調(diào)整電容器組，進(jìn)而改變無功功率，從而減少諧波對無功功率的影響;第三，運用三角形的連接方式，這樣能減少諧波的進(jìn)入量。

4.3 風(fēng)力發(fā)電儲存技術(shù)

（1）新型電池儲能技術(shù)。電池儲能技術(shù)是最簡單的電能儲存方法，主要應(yīng)用于單獨運行的中小型風(fēng)力發(fā)電機的電能儲存，以便根據(jù)風(fēng)況以及負(fù)荷的變化進(jìn)行電能補償?，F(xiàn)在采用的電池主要有鉛酸電池、釩電池、鎳鎘電池、鈉硫電池、鋰電池等。（2）水利蓄能技術(shù)。水利儲能技術(shù)需要以豐富的水資源為前提，在風(fēng)能過量時，利用風(fēng)能帶動水泵將水位提高，將電能轉(zhuǎn)化為勢能。在風(fēng)能不足時，將高水位的水進(jìn)行泄放，帶動水力渦輪發(fā)電機發(fā)電，從而將勢能轉(zhuǎn)化為電能。（3）壓縮空氣蓄能技術(shù)。壓縮空氣蓄能技術(shù)是主要應(yīng)用于干旱地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電儲能技術(shù)。在風(fēng)能過量時，利用風(fēng)能帶動壓縮機，將空氣壓縮儲存到金屬器具內(nèi)或者礦洞內(nèi)，在風(fēng)力不足或者負(fù)荷較大時，利用壓縮空氣帶動渦輪機發(fā)電。

5 解決風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)問題和提高電能質(zhì)量控制的措施

由于系統(tǒng)內(nèi)電力電子設(shè)備被廣泛的應(yīng)用非線性復(fù)合的不斷增加以及高壓直流通電得到普及，使得系統(tǒng)諧波日益嚴(yán)重。要控制電能質(zhì)量，可以從抑制諧波的產(chǎn)生方面出發(fā)。而電抗器、可投電容器以及無功補償設(shè)備都可以監(jiān)控?zé)o功功率的波動以及變化，他們具有非常強的抑制諧波的功能。他們可以通過靜電無功補償依靠電機的旋轉(zhuǎn)運動對電網(wǎng)中的無功、有功相角進(jìn)行調(diào)節(jié)的方法，達(dá)到補償?shù)哪康?，從而使電壓輸出平穩(wěn)，阻止諧波的產(chǎn)生，還可以降低風(fēng)力不穩(wěn)定對電能質(zhì)量的影響。

5.1 動態(tài)電壓恢復(fù)器的應(yīng)用

在中低壓配電網(wǎng)中，有功功率進(jìn)行快速波動也會造成電壓閃電的情況的發(fā)生。為了解決這種情況，就需要要求補償裝置在對無功功率進(jìn)行補償?shù)耐瑫r，還有能夠提供瞬時有功功率的補償。動態(tài)電壓恢復(fù)器是帶有儲能單元的補償裝置，他的出現(xiàn)取代了傳統(tǒng)的無功補償裝置。能單元，能夠在 ms 級內(nèi)以正常電壓和故障電壓的差值，向系統(tǒng)注入電壓，可以有效解決系統(tǒng)電壓波動對客戶的影響。動態(tài)電壓恢復(fù)器能夠在非常短的時間內(nèi)向系統(tǒng)傳輸電壓，可以有效的改善電能質(zhì)量和動態(tài)電壓，是解決電壓波動、諧波等動態(tài)電壓質(zhì)量問題的最佳方法。

5.2 做好諧波抑制措施

在進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用時，想要提高電能質(zhì)量控制效果，可以使用靜止無功補償器抑制諧波。靜止無功補償器可以對諧波危害問題進(jìn)行有效的抑制，這種補償器主要是由電抗器，諧波過濾裝置和多臺可投切電容器等共同構(gòu)成。靜止無功補償器的最大特征就是具有非常強的反應(yīng)能力，可以對無功功率進(jìn)行實時監(jiān)測，還能夠?qū)崟r的調(diào)整由于風(fēng)速不穩(wěn)定導(dǎo)致的電壓變化，從而實現(xiàn)將諧波完全的濾除，從而不斷的提高風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用，提升整體電網(wǎng)的電能供應(yīng)質(zhì)量。

5.3 統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器

對電能質(zhì)量控制器進(jìn)行統(tǒng)一，可以實現(xiàn)既對電壓加以補償，又對電流加以補償?shù)那闆r。統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器是典型的綜合類補償裝置。該裝置可以將串聯(lián)并聯(lián)補償裝置進(jìn)行有效的融合，幫助用戶解決綜合補償問題。這種補償裝置含有儲能單元的串聯(lián)、并聯(lián)組合，不僅可以應(yīng)用于配電系統(tǒng)的諧波補償，還可以解決瞬時供電中斷和電壓波動等動態(tài)電壓質(zhì)量問題，不斷的提高供電可靠性。

6 結(jié)束語

綜上所述，隨著國家社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國的儲存能源也在不斷減少，環(huán)境也遭受到了一定程度的破壞，能源和環(huán)境問題日益突出，也越來越受到大家的關(guān)注，而風(fēng)能作為我國的清潔能源之一，將其應(yīng)用于發(fā)電技術(shù)中，遵循了我國綠色可持續(xù)發(fā)展理念，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也成了我國最為常見的發(fā)電技術(shù)之一。目前，我國的風(fēng)力發(fā)電主要有陸地風(fēng)力發(fā)電和海上風(fēng)力發(fā)電 2 類，給我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和人類生活提供了所需的電力。但是，由于我國的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)還存在著較大缺陷，導(dǎo)致我國風(fēng)力發(fā)電效率較低，極大地影響了我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。所以，為了提高我國的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，必須要加強對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)的研究。

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（作者單位：中廣核陜西潼關(guān)風(fēng)力發(fā)電有限公司）