關于新能源發(fā)電風力發(fā)電技術的探討

張 偉

（江蘇龍源風力發(fā)電有限公司，江蘇 南通 226400）

隨著民用煤、石油等各類常規(guī)的化學能源的大量枯竭，社會迫切需要新的可再生能源，這或許也是目前世界上各國高度重視可再生能源開發(fā)和綜合利用的重要原因。風力發(fā)電過程是將風能經過轉化后成為一種機械驅動能，再和其他機械驅動能轉化后成為其他電能的結合過程。風能發(fā)電系統(tǒng)作為工業(yè)風能系統(tǒng)重要的組成部分，直接影響到整個工業(yè)風能系統(tǒng)的使用性能和運行效率。[1]變頻風力發(fā)電關鍵技術不僅是目前風力發(fā)電的先進關鍵技術，也必將是未來我國風力發(fā)電關鍵技術的發(fā)展趨勢。

1 風力發(fā)電技術的基本發(fā)電原理

風力發(fā)電主要用途是將傳統(tǒng)風能發(fā)電轉化成為風力機械化產能進行發(fā)電，再將風能轉化后的風力機械化產能發(fā)電轉化成為電動機產能。在實際工作使用過程中，風電機會直接驅動整個風力機組的葉片高速旋轉。在反向旋轉轉動過程中，助推器可以用于自動加速風力電動機鏟的反向旋轉轉動速度，從而有效地幫助推動風力發(fā)電機進行發(fā)電。風力發(fā)電中心所使用的發(fā)電設備可以劃分為三個子部分：大型風力發(fā)電渦輪機、發(fā)電機和風力塔架。將風能驅動轉化成機械驅動能最重要驅動方式就是驅動風輪，它主要由兩個或多個齒輪傳動軸承所組成。如果風機葉片內部受到平臺風的壓力影響，葉片上會迅速產生惰性氣體，促進平臺風輪的快速旋轉，為了有效保證平臺風機運行塔架是一個可以覆蓋整個平臺風機的整體框架，風機在實際安裝使用運行過程中必須及時進行塔架安裝。在適當調整固定風塔運行高度時，必須充分考慮實際工作環(huán)境中風塔地面上的障礙物對機塔風速的直接影響，以及控制風機驅動葉片的葉輪實際旋轉直徑，以便確保風力發(fā)電機的主要機械功能，也就是指使風輪在受到風的運動影響產生恒定旋轉速度后，由渦輪增速器驅動傳遞能量給風力發(fā)電機使其均勻運行，最后通過發(fā)電機將機械能量轉化為機械電能。

2 風力發(fā)電的現(xiàn)狀以及技術應用優(yōu)勢

2.1 風力發(fā)電的現(xiàn)狀

21 世紀是可再生能源的世紀，風能已成為各國家的一種重要發(fā)電形式。風能資源豐富，價格相對低廉，它可以大規(guī)模獲得而且不會污染環(huán)境，中國在發(fā)展風力發(fā)電方面取得了很大進展。中國的風力發(fā)電區(qū)主要位于北部、西北部和東北部的戈壁沙漠和其他地區(qū)。這些地方缺乏煤炭資源和常規(guī)能源，春季和冬季風速相對較高，夏季雨水較少。風能和水電正成為本世紀更重要的自然資源，中國地理環(huán)境復雜，一些地區(qū)風能資源豐富，更適合風能的開發(fā)，如江西的鄱陽湖地區(qū)和湖北的銅山地區(qū)。近年來，中國加快了風電場的建設和發(fā)展，風力渦輪機等新能源生產行業(yè)具有廣闊的發(fā)展前景，未來將保持高速發(fā)展的長期趨勢。

2.2 風力發(fā)電技術應用優(yōu)勢

風能發(fā)電技術的廣泛應用還具有許多新的優(yōu)點，風能發(fā)電技術的發(fā)展應用越來越廣泛，發(fā)展優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：一是風能發(fā)電技術的綜合經濟應用優(yōu)勢。在目前風能發(fā)電技術的實際發(fā)展應用中，風電資源成本下降相對較快，有的甚至接近于燃煤風力電站的實際發(fā)電使用成本，逐漸成為經濟優(yōu)勢。如果我國風力發(fā)電量每年翻一番，成本將在15 小時內大幅降低，風力發(fā)電量快速增長將一直保持在30 小時以上，再隨之加上豐富的大型風能發(fā)電資源，未來利用風能發(fā)電技術及其應用的綜合經濟效益優(yōu)勢將更加重要。二是風電項目前期建設持續(xù)時間短，效益好。風力發(fā)電建設項目相對較快，可以解決電力的緊急需求。風能發(fā)電技術的廣泛應用已經可以在偏遠地區(qū)和農村貧困地區(qū)建立獨立供電，西部農村地區(qū)廣大且分散，在清潔能源的發(fā)展需求以及節(jié)約減排方面充分發(fā)揮著積極的推動作用，有助于滿足這些農村地區(qū)全體人民對清潔能源經濟發(fā)展的需求。三是應用新型風能發(fā)電技術可以提高綜合應用效益。目前從實際應用風能發(fā)電技術的總體綜合經濟效益分析來看，風能技術屬于清潔再生能源，不會對人類生態(tài)環(huán)境健康產生任何負面影響。風電開發(fā)機組的生產建設技術水平不斷穩(wěn)步提高，生產成本進一步明顯降低。[2]

3 風力發(fā)電技術

3.1 風力發(fā)電系統(tǒng)的類型

有三種常見的風力渦輪機，包括恒速感應系統(tǒng)、兩次饋電的變速恒頻系統(tǒng)和變速同步發(fā)電系統(tǒng)。發(fā)電過程易于控制，后期維護投資低，然而這種類型的系統(tǒng)不能有效地控制無功補償，這使得供電效率非常低。這種系統(tǒng)的優(yōu)點是發(fā)電穩(wěn)定性高、控制簡單、無功補償、成本低、風能轉換性能高，然而，這種類型的系統(tǒng)更加復雜，使得維護更加困難。變速同步發(fā)電仍處于試驗階段，成本很高。目前應用不多，但該系統(tǒng)具有功率盲補償、穩(wěn)定性高的優(yōu)點，具有很高的潛力。

3.2 對電力系統(tǒng)的影響

3.2.1 對電能質量的影響

由氣流運動引起的短期風速速度波動以及風力電網(wǎng)渦輪機的長期運行運動特性等等，都會直接影響風力電網(wǎng)的長期電能供應質量。首先，它通常會直接影響動力頻率，而在風力發(fā)電系統(tǒng)中的這種主動力頻率波動通常會被轉變成一種電磁波。由于電機的慣性，控制系統(tǒng)難以跟上電磁功率的電流變化，從而改變發(fā)電機的轉速和系統(tǒng)的頻率。此外，風能也會對電壓產生影響：聯(lián)網(wǎng)風力渦輪機的功率流狀況會導致電壓波動，且輸出電流的頻率范圍在電壓有效（25Hz）范圍內，因此會導致電壓閃變，最終產生和諧電壓和諧波電能。

3.2.2 對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響

在電網(wǎng)薄弱的情況下，風能的波動會導致瞬時電壓損失、頻繁中斷或風力渦輪機的故障運行。故障排除后，發(fā)電機磁化率和滑動比的增加將消耗大量的無功功率，導致電壓恢復困難。

3.2.3 對調頻和調峰能力的影響

氣流的長期和持續(xù)季節(jié)性徑向運動可能導致的持續(xù)風速升高持續(xù)時間通常為數(shù)小時，這種長期的風速波動將增加現(xiàn)有電網(wǎng)的調頻和調峰壓力。負荷持續(xù)曲線的峰值持續(xù)時間通?？梢詫诿绹L力發(fā)電的負荷峰值持續(xù)時間。風電場并網(wǎng)發(fā)電有效擴大了等效風力負荷的電流峰值差，顯著提高了風力電網(wǎng)的高壓調頻和交流調峰運行能力。[3]

3.3 風電與儲能設備并網(wǎng)可行性分析

風力發(fā)電是不確定的，在一個時間段內，風力發(fā)電系統(tǒng)產生的電網(wǎng)功率就有可能遠遠大于整個電網(wǎng)的給定負載力，而在另一個時間段內，風力發(fā)電系統(tǒng)產生的電網(wǎng)功率則有可能遠遠小于電網(wǎng)負載力。在這兩個關鍵時期，風力發(fā)電的總量和發(fā)電量擴大已經完全足夠，隨著現(xiàn)代科學信息技術的不斷發(fā)展，儲能技術日益成熟，容量發(fā)電規(guī)模逐漸擴大。將多種儲能發(fā)電裝置技術集成應用到傳統(tǒng)風電儲能電網(wǎng)中，可以有效地克服傳統(tǒng)風能的不安全因素，提高電網(wǎng)供電的節(jié)能安全性和供電可靠性，儲能裝置可以發(fā)揮調頻的作用，使機組功率穩(wěn)定。

3.4 發(fā)展趨勢

1.加強技術研發(fā)，確保最大限度地利用風能。今后要進一步加快風能技術的研究開發(fā)，不斷提高風力發(fā)電效率。在選擇發(fā)電方式時，要因地制宜地采取相應的發(fā)電方式，根據(jù)所選擇地區(qū)的實際情況，比如風力較強的地方，風能密度普遍較高，風能強度相對較大，因此可以調整功率的發(fā)電方式，這樣可以在風力較弱時調整功率，確保風機的安全。此外，不同地區(qū)選用的風機也有所不同，一般來說，在風密度相對較高的情況下，可以選擇永久安裝的變槳立式風機。由于該新型風機機體結構相對簡單，投資相對較低，可在整個風力發(fā)電運營過程中有效率地控制風力發(fā)電。在一些自然風力相對較弱的特殊地方，可以自由選擇使用發(fā)動機加大功率，這也就意味著風機可以同時儲存大量風能，然后有效地再利用。目前，這項創(chuàng)新技術還需要不斷地進行研究和重新開發(fā)，根據(jù)不同的發(fā)電環(huán)境生產不同的風機，以最大限度地利用風能。[4]

2.增加發(fā)動機容量-解決資源浪費問題。由于對能源的需求不斷增加，且單位容量相對較低，許多地區(qū)將生產各種發(fā)電機以滿足這一需求。今后，我們應著眼于此，在滿足電力需求的前提下，減少成本投資和資源使用。

4 結語

由于各種風電場工程中風力發(fā)電場的傳統(tǒng)性能公式是不完全確定的，按傳統(tǒng)負荷公式處理各種風電場傳統(tǒng)性能的數(shù)學方法在一定程度上已經解決了各種風電場的負荷處理傳統(tǒng)方法，但沒有直接考慮各種風電場物理性能的隨機性，因此，相關領域科學家可以使用不同的量子科學和傳統(tǒng)數(shù)學方法一起來進行討論和統(tǒng)計分析各種風電場。