新時期新能源風(fēng)力發(fā)電相關(guān)技術(shù)探討

李佳偉

（華能新能源 遼寧分公司，遼寧 阜新 123204）

1 新能源風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀和重要性

多年來我國發(fā)電結(jié)構(gòu)一直以火電、煤電為主，對化石能源產(chǎn)生了長期的依賴，而對化石能源的大力開發(fā)，給多地帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。我國總體上能源資源豐富且具有多樣性。其中，風(fēng)能以其資源豐富、分布廣泛、發(fā)電清潔等優(yōu)勢，得到國家政策的大力支持，因而我國的風(fēng)電技術(shù)取得了長足進(jìn)步，風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量顯著提高，為我國綠色電力事業(yè)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。此外，“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的設(shè)立將進(jìn)一步刺激我國能源結(jié)構(gòu)的深度調(diào)整和轉(zhuǎn)型，促進(jìn)風(fēng)能等新能源的開發(fā)利用。然而，風(fēng)機(jī)直接并網(wǎng)難以避免地會對電網(wǎng)產(chǎn)生頻率波動。在風(fēng)電發(fā)展的歷史進(jìn)程中，風(fēng)機(jī)并網(wǎng)、含高比例可再生能源電網(wǎng)運(yùn)行等巨大挑戰(zhàn)將是我們面臨的巨大挑戰(zhàn)。

我國工業(yè)的快速發(fā)展帶來了能源消耗的提升，工農(nóng)業(yè)發(fā)展和百姓日常生活也使得我國能源使用緊張。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用有效的緩解了電力超載使用的壓力。隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的日益增長以及運(yùn)行時間的延長，增加了許多風(fēng)險，尤其是機(jī)械軸承部分，這里容易出現(xiàn)異常情況，將對風(fēng)力發(fā)電設(shè)備整體的安全運(yùn)行構(gòu)成威脅。世界上已經(jīng)有許多國家都擁有先進(jìn)的風(fēng)電發(fā)電技術(shù)，其中包括中國、荷蘭、德國、丹麥等國，這些國家的風(fēng)電設(shè)備累計裝機(jī)容量居世界前列。由此可見，我國風(fēng)能資源十分豐富，直接推動了風(fēng)能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，成為我國發(fā)展最為迅速的新興產(chǎn)業(yè)。隨著我國環(huán)保事業(yè)的發(fā)展，越來越多的人開始關(guān)注清潔能源，而風(fēng)力發(fā)電設(shè)備就是較為引人注目的成果之一。對于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)來說，在節(jié)能環(huán)保方面存在諸多問題，不利于我國節(jié)能環(huán)保事業(yè)的發(fā)展。因此將綠色理念滲透到技術(shù)設(shè)計工作中，以促進(jìn)發(fā)電事業(yè)向著綠色環(huán)保、節(jié)能降耗的方向發(fā)展。

2 風(fēng)力發(fā)電相關(guān)技術(shù)概述

截至2018 年底，世界上許多國家都擁有了先進(jìn)的風(fēng)電發(fā)電技術(shù)，其中包括中國、荷蘭、德國、丹麥等國，這些國家的風(fēng)電設(shè)備累計裝機(jī)容量居世界前列。由此可見，我國風(fēng)能資源十分豐富，直接推動了風(fēng)能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，成為我國發(fā)展最為迅速的新興產(chǎn)業(yè)。在經(jīng)過相關(guān)調(diào)查研究的表明，我國累計風(fēng)能儲量約32.26億千瓦，可利用風(fēng)能資源達(dá)到10.7 億千瓦，這足以說明中國風(fēng)能發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｄ壳?，我國已?0 家企業(yè)有能力進(jìn)行風(fēng)機(jī)零件生產(chǎn)，一部分可以進(jìn)入風(fēng)能生產(chǎn)和零部件制造領(lǐng)域。通過技術(shù)引進(jìn)、自主開發(fā)等多種發(fā)展模式，產(chǎn)業(yè)鏈逐漸形成，中國風(fēng)能裝備制造行業(yè)整體出現(xiàn)良好運(yùn)行特點(diǎn)，形成了集變速箱、葉片機(jī)、偏航系統(tǒng)、鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件和主機(jī)為一體的完整產(chǎn)業(yè)鏈制造業(yè)。

風(fēng)電的發(fā)展，首要任務(wù)是從技術(shù)上解決風(fēng)電發(fā)展難題。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)包括研究風(fēng)機(jī)技術(shù)、風(fēng)電功率預(yù)測技術(shù)、風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)和儲能技術(shù)等。隨著風(fēng)電的發(fā)展以及考慮實際電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，風(fēng)機(jī)單機(jī)容量需求越來越大，同時要滿足風(fēng)機(jī)能夠安全并網(wǎng)，具有較強(qiáng)的魯棒性和可靠性。因此，如何研制高可靠性的大容量風(fēng)電機(jī)組是業(yè)界需要考慮的問題。其中，雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)和永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)是當(dāng)前主流的發(fā)電機(jī)，同時也是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)在性能方面總體上不如永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，但由于其發(fā)展較早，技術(shù)相對成熟，同時雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有尺寸小、造價低等特點(diǎn)，因而仍然在電網(wǎng)中使用較為頻繁。永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)雖然造價貴，但其具有更高的發(fā)電效率和更強(qiáng)的電網(wǎng)兼容性，理論上說，對電網(wǎng)以及用戶更加有利。從發(fā)展的眼光來看，隨著永磁材料的發(fā)展和電機(jī)小型化發(fā)展，在未來，永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)將更加具有競爭優(yōu)勢，獲得更廣泛的應(yīng)用。

由于風(fēng)力的波動性會導(dǎo)致電網(wǎng)的不安全運(yùn)行，因此業(yè)界希望能夠?qū)崟r跟蹤風(fēng)電出力，即實現(xiàn)風(fēng)電功率的準(zhǔn)確、可靠、快速預(yù)測。發(fā)展風(fēng)電功率預(yù)測技術(shù)，加強(qiáng)風(fēng)電功率預(yù)測可信度，可實現(xiàn)對風(fēng)電出力的實時態(tài)勢感知，從而提高風(fēng)電的消納能力。由于電力系統(tǒng)本身是一個復(fù)雜且自產(chǎn)大量數(shù)據(jù)的人工系統(tǒng)，因此在可以預(yù)見的未來，人工智能與大數(shù)據(jù)技術(shù)將更多地應(yīng)用到風(fēng)電功率預(yù)測中，進(jìn)一步有力地推動風(fēng)電的發(fā)展。

風(fēng)電場并網(wǎng)通常分為交流并網(wǎng)和直流并網(wǎng)兩種途徑。目前關(guān)于風(fēng)電并網(wǎng)可行技術(shù)及研究熱點(diǎn)包括：交流并網(wǎng)技術(shù)、傳統(tǒng)直流并網(wǎng)技術(shù)和柔性直流并網(wǎng)技術(shù)，其中傳統(tǒng)的交流并網(wǎng)方式相對更加成熟，目前仍然占據(jù)主要地位，未來電力電子技術(shù)的發(fā)展將推動直流并網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用。隨著風(fēng)電等波動性電源并網(wǎng)比例不斷提升，傳統(tǒng)的“源-網(wǎng)-荷”運(yùn)行方式已經(jīng)無法滿足電力系統(tǒng)“發(fā)輸配用”同時性的要求，“源-網(wǎng)-荷-儲”的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)己被廣泛認(rèn)可。儲能以其能量的時空遷移特性和電能流動的雙向性，被公認(rèn)是解決風(fēng)電等可再生能源不穩(wěn)定性和提高其消納的有效途徑。關(guān)于儲能研究大體可以分為兩類：一是研究高效的儲能方式。不同儲能方式的不同的特點(diǎn)，可以適應(yīng)不同的應(yīng)用場合。研究高效的儲能方式能夠提高儲能效率，降低成本；二是研究儲能系統(tǒng)優(yōu)化配置。儲能系統(tǒng)優(yōu)化配置包括空間分布的優(yōu)化以及儲能容量的優(yōu)化。已有的文獻(xiàn)從蓄電池儲能容量優(yōu)化模型、蓄電池容量確定方法、混合儲能控制策略、儲能系統(tǒng)容量配置等方面進(jìn)行研究。通過優(yōu)化儲能配置，能在保證達(dá)到風(fēng)電消納目標(biāo)的前提下，提高經(jīng)濟(jì)效益。

3 新能源風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)要點(diǎn)

新能源風(fēng)力發(fā)電技術(shù)包含在線震動檢測技術(shù)、發(fā)電設(shè)備潤滑技術(shù)以及發(fā)電功率控制技術(shù)等。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在線振動檢測技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的實時保障，為了實時監(jiān)控風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，必須實時對機(jī)組的關(guān)鍵部位震動頻率和峰值進(jìn)行檢測。針對風(fēng)力發(fā)電的特殊應(yīng)用領(lǐng)域，往往會采用特殊的手段進(jìn)行檢測，此時風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在線振動監(jiān)測與分析系統(tǒng)就十分具有必要性。對于開發(fā)設(shè)計風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動系統(tǒng)，不僅可以實時進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電狀態(tài)的監(jiān)測。[1]而且還可以進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)分析與故障排查。這一數(shù)據(jù)采集由安裝在不同位置的測量儀器組成，在一些關(guān)鍵位置分布有數(shù)據(jù)采集裝置，與計算機(jī)相互連接，可實現(xiàn)云服務(wù)。將大數(shù)據(jù)設(shè)備投入使用，進(jìn)行有機(jī)分析，可以進(jìn)行分析功能的提升與完善。再利用計算機(jī)實現(xiàn)數(shù)據(jù)服務(wù)器系統(tǒng)的管理與視察，安插一些監(jiān)控軟件可以實現(xiàn)問題的安全檢測。該系統(tǒng)主要運(yùn)作原理是在風(fēng)力發(fā)電的關(guān)鍵位置安裝檢測工具，主要關(guān)鍵位置是由主軸軸承、齒輪箱、發(fā)電機(jī)等組成?？梢酝ㄟ^在線監(jiān)測關(guān)鍵部件的振動振幅大小分析出這些部分是否良好運(yùn)行。對于這些部件的運(yùn)行狀態(tài)的勘察十分有效，維修人員完全可以根據(jù)運(yùn)行趨勢，采用一些技術(shù)手段進(jìn)行對比，然后進(jìn)行結(jié)果分析，對于一些結(jié)果超標(biāo)的地方，可以進(jìn)行檢測與維修。這種預(yù)測手段可以達(dá)到故障精準(zhǔn)診斷的效果，延長了機(jī)組的連續(xù)運(yùn)行周期，并且方便了檢測的手段，不僅提高了效率而且還帶來了技術(shù)的創(chuàng)新。采用這一技術(shù)可避免和減少重大事故的發(fā)生，使得風(fēng)力發(fā)電更加安全。

風(fēng)力發(fā)電設(shè)備潤滑技術(shù)對于風(fēng)力發(fā)電來說至關(guān)重要，可以很好的促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的正常運(yùn)行。一般來說，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備不同軸承所使用的油脂也不相同，在注油工作中，加脂工具要嚴(yán)格進(jìn)行區(qū)分，嚴(yán)禁混用；油脂加注量要嚴(yán)格按照相關(guān)檢修標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，“少量多次”，嚴(yán)禁私自更改加注量。在加注前，仔細(xì)檢查注油孔、排油孔是否正常，如果發(fā)現(xiàn)排油孔堵塞，則需對相關(guān)軸承部件進(jìn)行拆卸，處理完畢后再開始油脂加注工作。要對潤滑油的質(zhì)量進(jìn)行管控，確保其正常運(yùn)行，同時盡量延長潤滑油的使用壽命。

目前我國對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率控制技術(shù)主要是定槳距失速控制技術(shù)。該技術(shù)的應(yīng)用是在足夠剛度的基礎(chǔ)上連接變槳風(fēng)扇葉片和輪轂，然后進(jìn)行焊接，采用恒定變槳支架控制簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并保持風(fēng)電運(yùn)行的穩(wěn)定性。通過該技術(shù)的實時運(yùn)用，使得渦輪機(jī)的輸出功率可以隨著環(huán)境中風(fēng)速的變化而相應(yīng)地變化。此外，變槳距控制技術(shù)是另一種控制功率的方式。通過設(shè)置俯仰角來設(shè)置風(fēng)能輸出，在實踐中如果風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功率低于額定功率，則俯仰角始終保持為零，輸出功率主要由外部風(fēng)力決定；如果風(fēng)力機(jī)的功率超過裝置的額定功率，系統(tǒng)將根據(jù)實際輸出功率自動調(diào)整傾角，以控制裝置的輸出功率，使其不超過額定功率，避免因系統(tǒng)過載而損壞。變槳距控制技術(shù)是一種主動型控制技術(shù)，它能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，在防止槳距失速方面具有重要的作用。

4 新時期新能源風(fēng)力發(fā)電當(dāng)前的技術(shù)挑戰(zhàn)

我國在國家層面已提出“碳中和”的綠色發(fā)展目標(biāo)，電力行業(yè)也大力推動高比例可再生能源電網(wǎng)的理論和應(yīng)用研究，為風(fēng)電的發(fā)展鋪路。需要繼續(xù)有條不紊地制定和完善新能源發(fā)展政策，為科研工作者營造良好的研究環(huán)境，給風(fēng)電企業(yè)良好的營商環(huán)境。在風(fēng)電接入電網(wǎng)的過程，切勿急功近利，不能為了達(dá)到某個比例目標(biāo)而盲目新增裝機(jī)或上網(wǎng)，避免大規(guī)模棄風(fēng)棄光。長久以來，我國的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在技術(shù)創(chuàng)新方面還比較薄弱，風(fēng)電場風(fēng)機(jī)設(shè)備的建造在很大程度上仍需要引進(jìn)國外的技術(shù)，導(dǎo)致我國的風(fēng)電發(fā)展受制于人。[2]因此，要發(fā)展好風(fēng)電，必須發(fā)展好風(fēng)電技術(shù)，打破國外技術(shù)壟斷，實現(xiàn)從引進(jìn)到引領(lǐng)。

國際電力市場風(fēng)電交易規(guī)則包括競價機(jī)制、懲罰機(jī)制、綠色交易憑證。我國的電力市場仍然是以計劃手段為主，風(fēng)電場的發(fā)輸配電計劃均由政府制定，較難反映電價與市場供求的關(guān)系，導(dǎo)致風(fēng)電企業(yè)不易對市場的供求信息進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。另一方面，在現(xiàn)行的電力市場機(jī)制下，風(fēng)電市場并未完全發(fā)展好，而國內(nèi)的風(fēng)電設(shè)備市場趨于飽和，形成供需不平衡狀態(tài)，阻礙了風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，在電力市場方面，國家可以通過優(yōu)惠的政策支持，完善電價獎懲機(jī)制，建立一個公平、合理、有序的風(fēng)電市場，從而以消費(fèi)推動風(fēng)電的平穩(wěn)發(fā)展。

5 新能源風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)和發(fā)展前景

與其他能源相比，風(fēng)能是一種可再生資源，風(fēng)能的利用可以有效地節(jié)約常規(guī)資源的使用。同時，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)一步發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用效率也在逐步提高,甚至有超越常規(guī)發(fā)電之勢，其經(jīng)濟(jì)價值也超過了應(yīng)用過程中可能出現(xiàn)的常規(guī)發(fā)電能源。與火力發(fā)電廠和核電建設(shè)相比，風(fēng)電機(jī)組建設(shè)時間短，投資成本低，應(yīng)用時可靈活適應(yīng)不同模式。此外，風(fēng)能是一項新興技術(shù)，由于必須選擇風(fēng)力渦輪機(jī)，因此可以在開闊地形上建造，對地理環(huán)境有很大的要求。雖然許多地方有足夠的風(fēng)能，但總面積不夠廣，同時風(fēng)力渦輪機(jī)在工作過程中會產(chǎn)生噪音滋擾，因此在選址時只能在遠(yuǎn)離城市的郊區(qū)建造。

自動化技術(shù)在各行各業(yè)的傳播，為人類帶來了職能時代的發(fā)展，自動化應(yīng)用技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的創(chuàng)新，使得智能重構(gòu)信息處理技術(shù)也凸顯出較為廣闊的發(fā)展空間。綠色風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，其優(yōu)點(diǎn)不斷彰顯，在發(fā)展過程中的大量的邏輯單位可以相互聯(lián)系，其指令級、比特級、流水線級以至任務(wù)級的并行計算，不斷突破運(yùn)算的速度，不斷將運(yùn)算手段拓展，只需遠(yuǎn)程操控，不必親臨現(xiàn)場，還可在規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行測量。智能化技術(shù)的發(fā)展對于電力行業(yè)這種危險性高、技術(shù)門檻高的行業(yè)而言，是對自然資源的高效利用，也是對人力資源的高效釋放，在不斷促進(jìn)產(chǎn)業(yè)提升創(chuàng)新升級的同時，立足于風(fēng)力發(fā)電本身，創(chuàng)新自動化技術(shù)對電力系統(tǒng)的跨越式升級作用。[3]

6 結(jié)語

在國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的支持下，經(jīng)過多年來風(fēng)電技術(shù)專家和電網(wǎng)工作人員的共同努力，我國風(fēng)電發(fā)展已經(jīng)取得了舉世矚目的成績。隨著綠色理念在各行各業(yè)的發(fā)展，能源行業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展也勢在必行，新能源風(fēng)力發(fā)電技術(shù)作為我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的重要組成部分，是我國能源升級的突破方向，我國要加大對新能源風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究的投入，提升自然資源的利用率和轉(zhuǎn)化率，促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電行業(yè)快速發(fā)展，為人類與自然可持續(xù)協(xié)調(diào)的發(fā)展刻畫出綠色協(xié)調(diào)可持續(xù)的發(fā)展前景，推動我國電力事業(yè)創(chuàng)新發(fā)展。