陳少陽(yáng)

【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(diǎn)，逐漸受到了各國(guó)專(zhuān)家學(xué)者的注意。近年來(lái)，我國(guó)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(duì)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(jī)最佳運(yùn)行原理，并在此基礎(chǔ)上提出了調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率的幾種方式，最后對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)的實(shí)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(shì)

1 引言

為了更充分的利用風(fēng)力能源，我國(guó)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(dòng)了風(fēng)力發(fā)電的廣泛應(yīng)用，也促進(jìn)了我國(guó)風(fēng)力發(fā)電廠(chǎng)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(guò)于大的沖擊力。這就使得風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在發(fā)電過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)各種各樣的問(wèn)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(wèn)題和提高風(fēng)力發(fā)電電能質(zhì)量問(wèn)題便顯得越來(lái)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(wèn)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(guó)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(guó)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(shí)際可開(kāi)采量為10.4億kW。根據(jù)我國(guó)的實(shí)際情況，新能源戰(zhàn)略已經(jīng)開(kāi)始著重發(fā)展風(fēng)電。因此我國(guó)風(fēng)電發(fā)展前景相當(dāng)可觀，從現(xiàn)在到未來(lái)將保持高速發(fā)展的趨勢(shì)，同時(shí)，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(guó)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(chǎng)主要集中在5個(gè)國(guó)家：中國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、印度和西班牙。其中，中國(guó)累計(jì)裝機(jī)容量188392兆瓦，居世界第一，美國(guó)累計(jì)裝機(jī)容量89077MW，居世界第二。與2007年前我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量相比，近年來(lái)我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。因?yàn)椴粩嘣黾拥难b機(jī)容量，中國(guó)已成為了世界上最重要的風(fēng)力發(fā)電國(guó)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(shí)期和不同氣候條件下會(huì)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(xiàng)重要的工作，首先需要有效地控制好機(jī)組內(nèi)的切入和切出電網(wǎng)、對(duì)輸出功率進(jìn)行控制、并檢測(cè)風(fēng)輪是否出現(xiàn)運(yùn)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(yùn)行技術(shù)發(fā)展至現(xiàn)在的變槳距變速運(yùn)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(jī)組中關(guān)鍵的技術(shù)是機(jī)組功率的調(diào)節(jié)技術(shù)，包括主動(dòng)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(jī)組具備了變槳距變速運(yùn)行技術(shù)，對(duì)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(jī)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(guò)變距系統(tǒng)進(jìn)一步管控好機(jī)組的運(yùn)行速度和功率，從而確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全以及速度的加快，推動(dòng)電力行業(yè)的快速發(fā)展。

3 互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

（1）風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)。風(fēng)力資源易受地形地勢(shì)的影響，且與地域位置有關(guān)。我國(guó)的地域分布及季風(fēng)氣候決定我國(guó)冬季風(fēng)能豐富而太陽(yáng)能不足，夏季太陽(yáng)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(bǔ)的發(fā)電結(jié)構(gòu)解決風(fēng)能發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電的隨機(jī)性，實(shí)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(yáng)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(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)。風(fēng)水互補(bǔ)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(dòng)時(shí)，水電站可以迅速調(diào)節(jié)輸出補(bǔ)償風(fēng)能發(fā)電。另外，在我國(guó)部分地域風(fēng)能和水能在分布上具有時(shí)間互補(bǔ)性，例如我國(guó)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(gè)季節(jié)雨水量較大，水力發(fā)電可以補(bǔ)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(gè)季節(jié)風(fēng)能較強(qiáng)，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(bǔ)償。（3）風(fēng)氣互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)。風(fēng)氣互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是指風(fēng)力發(fā)電與燃?xì)獍l(fā)電相互補(bǔ)償。利用具有快速啟停和快速調(diào)節(jié)負(fù)荷特點(diǎn)的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)補(bǔ)償風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的波動(dòng)，使得整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的輸出能力在一段時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定。目前，風(fēng)氣互補(bǔ)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(hào)的反饋。利用功率信號(hào)的反饋進(jìn)一步管控好風(fēng)輪的功率信號(hào)，當(dāng)風(fēng)輪運(yùn)行時(shí)，它們的功率與實(shí)際條件的改變是一致的，然后再對(duì)功率的關(guān)系作出分析，之后繪制出最大功率的曲線(xiàn)圖，完成以上工作后接著做后面的工作。在實(shí)際操作時(shí)，還應(yīng)該對(duì)比最大功率與系統(tǒng)中的實(shí)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(yùn)行功率最大化。這種方式使成本無(wú)須花費(fèi)過(guò)多，但是風(fēng)機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)要獲得最大功率曲線(xiàn)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(dòng)時(shí)具有線(xiàn)速度，并且將其稱(chēng)為葉尖速。其中葉尖速比表示為葉尖速與這個(gè)時(shí)間之內(nèi)的風(fēng)速形成的比值。對(duì)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(jī)的運(yùn)行系統(tǒng)。因?yàn)轱L(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(wú)功功率補(bǔ)償技術(shù)與諧波消除技術(shù)

①無(wú)功功率補(bǔ)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(wú)功功率呈現(xiàn)出消耗的狀態(tài)，電壓經(jīng)過(guò)感性元件的時(shí)候，因?yàn)橹皇菬o(wú)功功率的消耗使得感性元件兩邊無(wú)電壓變化，但是當(dāng)電壓較高時(shí)，經(jīng)過(guò)感性元件的電流較大會(huì)給元件帶來(lái)間接破壞。這時(shí)候，就要結(jié)合實(shí)際情況采取無(wú)功功率補(bǔ)償技術(shù)，并且壓抑住諧波作用。雖然無(wú)功功率補(bǔ)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(jī)發(fā)電的時(shí)候，由于存在諧波就是整個(gè)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(wú)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(kāi)展過(guò)程中，因?yàn)橹C波會(huì)影響風(fēng)能的發(fā)電，首先，它會(huì)造成發(fā)電機(jī)的鐵損和銅損，在發(fā)電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生超同步諧振的現(xiàn)象;電力設(shè)備在運(yùn)行時(shí)，諧波會(huì)造成設(shè)備出現(xiàn)熱故障，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行等。而消除諧波可以從以下幾個(gè)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(wú)功功率，從而減少諧波對(duì)無(wú)功功率的影響;第三，運(yùn)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(chǔ)存技術(shù)

（1）新型電池儲(chǔ)能技術(shù)。電池儲(chǔ)能技術(shù)是最簡(jiǎn)單的電能儲(chǔ)存方法，主要應(yīng)用于單獨(dú)運(yùn)行的中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電能儲(chǔ)存，以便根據(jù)風(fēng)況以及負(fù)荷的變化進(jìn)行電能補(bǔ)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(chǔ)能技術(shù)需要以豐富的水資源為前提，在風(fēng)能過(guò)量時(shí)，利用風(fēng)能帶動(dòng)水泵將水位提高，將電能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能。在風(fēng)能不足時(shí)，將高水位的水進(jìn)行泄放，帶動(dòng)水力渦輪發(fā)電機(jī)發(fā)電，從而將勢(shì)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(chǔ)能技術(shù)。在風(fēng)能過(guò)量時(shí)，利用風(fēng)能帶動(dòng)壓縮機(jī)，將空氣壓縮儲(chǔ)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(shí)，利用壓縮空氣帶動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電。

5 解決風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)問(wèn)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(xiàn)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(wú)功補(bǔ)償設(shè)備都可以監(jiān)控?zé)o功功率的波動(dòng)以及變化，他們具有非常強(qiáng)的抑制諧波的功能。他們可以通過(guò)靜電無(wú)功補(bǔ)償依靠電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)電網(wǎng)中的無(wú)功、有功相角進(jìn)行調(diào)節(jié)的方法，達(dá)到補(bǔ)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(duì)電能質(zhì)量的影響。

5.1 動(dòng)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(dòng)也會(huì)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(bǔ)償裝置在對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，還有能夠提供瞬時(shí)有功功率的補(bǔ)償。動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器是帶有儲(chǔ)能單元的補(bǔ)償裝置，他的出現(xiàn)取代了傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置。能單元，能夠在 ms 級(jí)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(dòng)對(duì)客戶(hù)的影響。動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器能夠在非常短的時(shí)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(dòng)態(tài)電壓，是解決電壓波動(dòng)、諧波等動(dòng)態(tài)電壓質(zhì)量問(wèn)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(shí)，想要提高電能質(zhì)量控制效果，可以使用靜止無(wú)功補(bǔ)償器抑制諧波。靜止無(wú)功補(bǔ)償器可以對(duì)諧波危害問(wèn)題進(jìn)行有效的抑制，這種補(bǔ)償器主要是由電抗器，諧波過(guò)濾裝置和多臺(tái)可投切電容器等共同構(gòu)成。靜止無(wú)功補(bǔ)償器的最大特征就是具有非常強(qiáng)的反應(yīng)能力，可以對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，還能夠?qū)崟r(shí)的調(diào)整由于風(fēng)速不穩(wěn)定導(dǎo)致的電壓變化，從而實(shí)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(duì)電能質(zhì)量控制器進(jìn)行統(tǒng)一，可以實(shí)現(xiàn)既對(duì)電壓加以補(bǔ)償，又對(duì)電流加以補(bǔ)償?shù)那闆r。統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器是典型的綜合類(lèi)補(bǔ)償裝置。該裝置可以將串聯(lián)并聯(lián)補(bǔ)償裝置進(jìn)行有效的融合，幫助用戶(hù)解決綜合補(bǔ)償問(wèn)題。這種補(bǔ)償裝置含有儲(chǔ)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(bǔ)償，還可以解決瞬時(shí)供電中斷和電壓波動(dòng)等動(dòng)態(tài)電壓質(zhì)量問(wèn)題，不斷的提高供電可靠性。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國(guó)的儲(chǔ)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(wèn)題日益突出，也越來(lái)越受到大家的關(guān)注，而風(fēng)能作為我國(guó)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(guó)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(guó)最為常見(jiàn)的發(fā)電技術(shù)之一。目前，我國(guó)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(lèi)，給我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人類(lèi)生活提供了所需的電力。但是，由于我國(guó)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(guó)風(fēng)力發(fā)電效率較低，極大地影響了我國(guó)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(guó)的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，必須要加強(qiáng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周紅梅，王欣.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的魯棒控制研究[J].農(nóng)村牧區(qū)機(jī)械化，2018（05）：13-14.

[2] 馬苗苗，邵黎陽(yáng)，潘軍軍，于少遠(yuǎn).風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的監(jiān)督預(yù)測(cè)協(xié)調(diào)控制[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，49（10）：2602-2609.

[3] 陳星亮，馬廣東，程瑋，姜策文，劉鑫，于晶.風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)中現(xiàn)代化信息化控制技術(shù)的應(yīng)用策略[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2018（30）：39-40.

[4] 于晶，馬廣東，劉鑫，程瑋，姜策文，陳星亮.我國(guó)風(fēng)力發(fā)電發(fā)展存在的問(wèn)題及健康發(fā)展策略[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2018（30）：143-144.

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