黃福雨

摘 要：風(fēng)力發(fā)電是當(dāng)前可再生能源領(lǐng)域中最成熟、最有商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一。隨著風(fēng)力發(fā)電相關(guān)技術(shù)的不斷成熟、設(shè)備的不斷升級， 我國風(fēng)力發(fā)電行業(yè)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。截至2020年年底，我國風(fēng)電裝機(jī)2.81億千瓦，新增并網(wǎng)裝機(jī)7167萬千瓦，其中陸上風(fēng)電新增裝機(jī)6861萬千瓦、海上風(fēng)電新增裝機(jī)306萬千瓦。經(jīng)過十幾年的快速發(fā)展，我國風(fēng)力發(fā)電行業(yè)取得了前所未有的成績，對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電性能的要求也越來越高， 所以針對發(fā)電能力相對較低的機(jī)組，急需找到優(yōu)化其發(fā)電能力的方法，本文通過對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電能力的分析，探討了影響風(fēng)機(jī)發(fā)電能力的原因，研究提升風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電能力的方法。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電;機(jī)組發(fā)電;性能分析

前言

資源及能源的龐大消耗是擺在人類發(fā)展面前的巨大問題，在我國，快速發(fā)展一度導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，經(jīng)過長時間的治理才最終得到了令人滿意的結(jié)果，而目前面對能源的短缺，新時代如何更好地利用清潔能源，是發(fā)展的重要課題。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在我國多年的攻關(guān)下取得了較大的發(fā)展，開始成為清潔能源的重要組成部分，本文將闡述目前我國應(yīng)用的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)以及風(fēng)力發(fā)電的控制技術(shù)，并分析其中的優(yōu)勢，對未來的發(fā)展進(jìn)行展望，為我國的風(fēng)力發(fā)電事業(yè)提供理論支持。

1 關(guān)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)的概述

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的技術(shù)原理指的是通過利用大自然的風(fēng)能實施發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組則是通過技術(shù)的途徑將大自然的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的一種機(jī)械設(shè)施。輪毅與槳葉是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的核心組件。槳葉所具備的空氣動力能夠帶動風(fēng)輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)從而將大自然的風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，進(jìn)而利用齒輪箱增速驅(qū)動發(fā)電機(jī)把這種機(jī)械能最終轉(zhuǎn)化為電能資源。在當(dāng)前的發(fā)展階段，雙饋變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組得到了十分廣泛的應(yīng)用，該機(jī)組的風(fēng)輪槳距角能夠?qū)崿F(xiàn)自由調(diào)節(jié)，內(nèi)部的發(fā)電機(jī)也具有變速功能，能夠有效輸出恒頻恒壓電能資源，在效率的保證方面受到認(rèn)可。在低于額定風(fēng)速的情況下，發(fā)電機(jī)充分利用改變轉(zhuǎn)速以及槳距角的作用令機(jī)組系統(tǒng)能夠在良好的尖速比的狀態(tài)下運(yùn)行，從而輸出最理想的功率，在處于高風(fēng)速的情況下，利用改變槳距角的方式令機(jī)組的功率輸出控制在額定功率的范圍內(nèi)。具有高效、性價比高、逆變器功率較小的優(yōu)勢特征。此外，調(diào)速的幅度達(dá)到30%的額定轉(zhuǎn)速范圍，變流的容量僅僅維持系統(tǒng)容量的30%，MPPT控制，與變速恒頻驅(qū)動無功功率、有功等實現(xiàn)了獨立的控制。另一方面，因為風(fēng)能具有不穩(wěn)定以及捕獲最大風(fēng)能的條件，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速的變化是連續(xù)性的，并且頻繁地在同步轉(zhuǎn)速上、下之間存在波動的情況，為有效促進(jìn)風(fēng)力機(jī)組能夠追蹤以及捕獲到最大的能量，從而保障電網(wǎng)對輸入電力所提出的條件。因此在這種情況下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)務(wù)必需要變速恒頻地進(jìn)行運(yùn)行。

2 風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

控制技術(shù)對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的重要性主要體現(xiàn)在以下幾方面：（1）風(fēng)力發(fā)電機(jī)所獲得的風(fēng)能是隨機(jī)的、無法控制的。風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)力的大小會隨著客觀自然條件的變化而改變，本身并不具有控制性，要想得到控制，就需要通過技術(shù)手段來實現(xiàn)。（2）風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪慣性很大，風(fēng)輪葉片直徑在特定的范圍內(nèi)可以有效利用風(fēng)能。（3）風(fēng)力發(fā)電所需要的并網(wǎng)、脫網(wǎng)都會用到控制技術(shù)?，F(xiàn)階段，很多技術(shù)都可以應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，風(fēng)力發(fā)電的控制技術(shù)也越來越先進(jìn)，控制方向越來越多元化。定槳距型風(fēng)力機(jī)只通過連接槳葉、輪轂并不能發(fā)生改變，在風(fēng)速高于額定風(fēng)速的情況下，通過失速原理可以限制發(fā)電機(jī)的功率。所謂失速原理，指的是氣流達(dá)到一定程度的攻角后就會產(chǎn)生渦流。當(dāng)外界因素讓輸出功率發(fā)生改變時，槳葉的被動失速調(diào)節(jié)就不會由任何控制，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)就會更加簡化。然而，風(fēng)輪的葉片重量很大，一些部件受力大，所以發(fā)電機(jī)組的工作效率較低，一些重要部件也很容易損壞。

3 機(jī)組發(fā)電性能提升

3.1 額定功率提升優(yōu)化

對風(fēng)機(jī)所在風(fēng)場的氣候條件及風(fēng)機(jī)的載荷進(jìn)行評估，來決定是否可以對風(fēng)機(jī)進(jìn)行額定功率提升。功率提升可以明顯提高發(fā)電量，依據(jù)類型不同，比例亦有所不同。但是，風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行額定功率提升，必須建立在機(jī)組壽命周期內(nèi)安全、可靠性的基礎(chǔ)上進(jìn)行，符合IEC WT 01和GB/T 18451.1 標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求。

3.2 硬件優(yōu)化

葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵組成部分。每個葉片都配置一套獨立的變槳系統(tǒng)，機(jī)組運(yùn)行期間，通過風(fēng)機(jī)變槳驅(qū)動裝置，調(diào)整葉片角度，實現(xiàn)葉片變槳，安全保護(hù)和功率控制。利用空氣動力學(xué)原理，對風(fēng)機(jī)葉片的氣動優(yōu)化設(shè)計，可以有效降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的載荷，提升風(fēng)機(jī)發(fā)電能力。風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中，風(fēng)并非斷橫切風(fēng)流“推”動風(fēng)機(jī)葉片，而是吹過葉片表面形成葉片正反面的壓差，從而產(chǎn)生升力令風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，這與飛機(jī)的機(jī)翼有相似之處，我們是否可以在飛機(jī)機(jī)翼設(shè)計上獲得靈感來改善風(fēng)機(jī)葉片的氣動性能呢？

飛機(jī)機(jī)翼上安裝有渦流發(fā)生器，它是一種低展弦比小翼段，當(dāng)襟翼偏轉(zhuǎn)使襟翼表面上的氣流過分離時，渦流發(fā)生器利用旋渦從外部氣流中將風(fēng)能帶進(jìn)附面層，加快附頂層內(nèi)氣流流動，防止氣流過早分離，并且當(dāng)氣流以一定的迎角流過小翼段時，在一側(cè)加速，另一側(cè)減速，在小翼段兩側(cè)造成壓力差，因而在小翼段的端部生成了很強(qiáng)的翼尖旋渦，所以可以借鑒飛機(jī)機(jī)翼的空氣學(xué)原理，在風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行簡單的升級改造，安裝類似渦流發(fā)生器的低展弦比小翼段?；谌~片的設(shè)計和分離區(qū)域的外形，通過延遲氣流從葉片分離，可以提升葉片升力，增加發(fā)電量。

當(dāng)然，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和承載能力，安裝葉尖或葉根延長段， 適當(dāng)?shù)难娱L葉片長度也可以很明顯地提高風(fēng)機(jī)的發(fā)電能力。但是，葉片的延遲需要經(jīng)過嚴(yán)格的載荷計算，并經(jīng)過長時間的安全驗證才能實施，并且由于屬于后期改造，費用也會相對較高。所以對風(fēng)機(jī)發(fā)電能力進(jìn)行硬件的優(yōu)化除了考慮方案的可行性外，還要考慮風(fēng)機(jī)運(yùn)行的綜合成本。

3.3 捕風(fēng)能力優(yōu)化

測風(fēng)裝置通過自適應(yīng)控制，持續(xù)并自動校準(zhǔn)偏航上風(fēng)向，為每臺風(fēng)機(jī)自動更新傳遞函數(shù)。利用風(fēng)向的自然變化根據(jù)發(fā)電量來感知最佳偏航位置，適當(dāng)調(diào)整偏航對風(fēng)偏差設(shè)定值，提高對風(fēng)準(zhǔn)確度。根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，多數(shù)風(fēng)機(jī)的切出風(fēng)速都設(shè)定在了20～25m/s，如果根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行工況與結(jié)構(gòu)特征， 將風(fēng)機(jī)的切出風(fēng)速適當(dāng)提高，則可以捕獲更多的風(fēng)能，明顯提升機(jī)組發(fā)電量，但是，需要對風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行嚴(yán)格的疲勞和極限載荷計算，結(jié)合葉片變槳角度的變化來控制機(jī)組載荷能力的均衡，保證機(jī)組的安全運(yùn)行。

結(jié)束語：21世紀(jì)，風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)還是具有非常樂觀的發(fā)展前景的，盡管仍然存在許多問題需要解決。風(fēng)力發(fā)電企業(yè)除了不斷研發(fā)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)之外，還要引進(jìn)先進(jìn)的機(jī)械設(shè)備，在零部件的研發(fā)方面，我國與發(fā)達(dá)國家還有很大差距，所以，應(yīng)該從技術(shù)、設(shè)備兩方面著手，不斷汲取先進(jìn)的經(jīng)驗，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)自我創(chuàng)新，以推動風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的長足進(jìn)步。

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