張俊偉 王 昊

（江蘇海上龍?jiān)达L(fēng)力發(fā)電有限公司，江蘇 南通 226000）

近年我國大力推廣常態(tài)綠色與節(jié)能發(fā)展，在各行業(yè)積極應(yīng)用可再生能源，其中風(fēng)能及風(fēng)力發(fā)電成為我國重點(diǎn)關(guān)注項(xiàng)目。我國地理縱深優(yōu)勢(shì)明顯，風(fēng)能影響范圍廣、持續(xù)時(shí)間長且經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)越。風(fēng)力發(fā)電符合我國節(jié)能減排的政策要求，滿足可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施要求。應(yīng)合理采用電力技術(shù)，提升風(fēng)力發(fā)電水平，拓展生產(chǎn)規(guī)模，提升運(yùn)營效果。

1 風(fēng)力發(fā)電原理及優(yōu)勢(shì)解讀

1.1 風(fēng)力發(fā)電原理

風(fēng)力發(fā)電的原理較為簡單，主要是通過風(fēng)力驅(qū)動(dòng)風(fēng)車葉片運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)行過程中在增速機(jī)輔助下能夠進(jìn)一步增加葉片轉(zhuǎn)速。風(fēng)力發(fā)電設(shè)備由風(fēng)車葉片、發(fā)電機(jī)兩大部分構(gòu)成。風(fēng)力作用下螺旋形風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)過程提供推動(dòng)力，將動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要由偏航、液壓、剎車、控制系統(tǒng)及齒輪箱等部分構(gòu)成。在發(fā)電過程中，齒輪箱和齒輪之間有效配合，協(xié)同作用能夠提升發(fā)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，使實(shí)際發(fā)電功率處于較高水平，有效保證了輸出電力的穩(wěn)定性。偏航系統(tǒng)最大的作用是結(jié)合風(fēng)向的變化情況靈敏調(diào)控風(fēng)輪的掃掠面，確保掃掠面始終和風(fēng)向維持垂直狀態(tài)，提升資源利用率。風(fēng)機(jī)、葉片能夠圍繞根部中心運(yùn)作，借此方式增強(qiáng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對(duì)不同風(fēng)況的適應(yīng)能力。發(fā)電系統(tǒng)停機(jī)時(shí)，阻尼增加，方便發(fā)電機(jī)停運(yùn)。停機(jī)期間，液壓和剎車系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)運(yùn)作[1]。對(duì)于風(fēng)力發(fā)電而言，控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行的關(guān)鍵，控制系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)調(diào)控各系統(tǒng)模塊運(yùn)行情況，使發(fā)電機(jī)在相對(duì)穩(wěn)定的電壓和頻率下運(yùn)作，促進(jìn)發(fā)電系統(tǒng)自動(dòng)化并網(wǎng)及脫網(wǎng)，監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)作過程，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常狀況，快速發(fā)出預(yù)警信號(hào)，提升風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的故障處置效率，減少損失。

1.2 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)實(shí)際應(yīng)用中有很多優(yōu)點(diǎn)，也是該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用范疇不斷拓展的主要原因，技術(shù)應(yīng)用時(shí)要注意實(shí)現(xiàn)科學(xué)化，其優(yōu)勢(shì)包括經(jīng)濟(jì)性優(yōu)良、建設(shè)周期短、環(huán)境影響小等。

（1）經(jīng)濟(jì)性優(yōu)良。風(fēng)力發(fā)電在應(yīng)用過程中社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益表現(xiàn)良好，風(fēng)力發(fā)電能力每提高一倍，資金支出減少約15%，風(fēng)電增長率不低于30%。我國風(fēng)能資源可利用情況優(yōu)良，短期內(nèi)風(fēng)力發(fā)電的相關(guān)技術(shù)將會(huì)有進(jìn)一步地提高[2]。

（2）建設(shè)周期短。風(fēng)電設(shè)備均為預(yù)制裝配置式結(jié)構(gòu)件，吊裝節(jié)奏更快，能夠有效滿足用電、儲(chǔ)電需求急切的地區(qū)。合理運(yùn)用風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，能促進(jìn)偏遠(yuǎn)地區(qū)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立供電，能夠有效緩解配電分散情況，滿足區(qū)域內(nèi)能源發(fā)展方面的需求。

（3）環(huán)境影響小。風(fēng)能應(yīng)用時(shí)不會(huì)對(duì)環(huán)境帶來負(fù)面影響。近年，我國風(fēng)能工程建設(shè)能力持續(xù)增強(qiáng)，生產(chǎn)運(yùn)營成本進(jìn)一步壓縮。風(fēng)能設(shè)施能夠有效承擔(dān)發(fā)電和電峰調(diào)節(jié)功能，且不會(huì)對(duì)陸地生態(tài)環(huán)境造成影響。

2 相關(guān)技術(shù)分析

2.1 風(fēng)功率預(yù)測

（1）按照預(yù)測周期可分為超短期、短期及中長期預(yù)測。超短期預(yù)測多用于風(fēng)電實(shí)時(shí)調(diào)度；短期預(yù)測法適用于調(diào)整機(jī)組組合與備用資源；中長期預(yù)測法在測評(píng)風(fēng)電系統(tǒng)維護(hù)效率與風(fēng)能資源調(diào)配合理性方面表現(xiàn)良好。

（2）依照預(yù)測模型可分為物理法、統(tǒng)計(jì)法及組合模型法。物理法是利用設(shè)施裝置模擬風(fēng)電場周邊區(qū)域的氣候狀況，獲得風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓及空氣密度等參數(shù)，在此基礎(chǔ)上建設(shè)風(fēng)電功率模型；統(tǒng)計(jì)法運(yùn)用數(shù)學(xué)函數(shù)，結(jié)合相關(guān)性分析獲得預(yù)測結(jié)果，計(jì)算得出既有數(shù)據(jù)和預(yù)測數(shù)據(jù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，統(tǒng)計(jì)法主要運(yùn)用的數(shù)學(xué)工具為時(shí)間序列及機(jī)械學(xué)習(xí)算法；組合模型法是通過整合其他功率預(yù)測法，構(gòu)建與實(shí)際情況較為符合的預(yù)測模型，綜合各類預(yù)測方法優(yōu)勢(shì)，獲得精準(zhǔn)度較高的功率預(yù)測結(jié)果[3]。

2.2 風(fēng)電機(jī)組功率調(diào)控

理論上，當(dāng)風(fēng)能密度足夠大時(shí)，發(fā)電機(jī)自身的功率對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電能力起到?jīng)Q定性作用，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中應(yīng)合理運(yùn)用功率調(diào)控技術(shù)。發(fā)電機(jī)組的功能是實(shí)現(xiàn)風(fēng)能、機(jī)械能、電能之間的轉(zhuǎn)換。發(fā)電機(jī)組所在環(huán)境風(fēng)力較小，應(yīng)盡可能增強(qiáng)發(fā)電機(jī)組捕獲風(fēng)的能力，提升發(fā)電功率；發(fā)電機(jī)組周邊風(fēng)力過大，應(yīng)綜合分析機(jī)組結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和發(fā)電容量，減少或規(guī)避機(jī)組過載情況，確保機(jī)組安全、可靠運(yùn)行，維持發(fā)電功率的穩(wěn)定。常用風(fēng)電機(jī)組功率調(diào)控技術(shù)包括定槳距失速調(diào)控、變槳距調(diào)控以及風(fēng)輪控制[4]。

（1）定槳距失速調(diào)控。技術(shù)應(yīng)用時(shí)在具有一定剛度的結(jié)構(gòu)上固定螺距風(fēng)機(jī)葉片和輪毅，采用焊接方式連接。定槳距失速調(diào)控技術(shù)能夠精簡放點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，維持風(fēng)電機(jī)組運(yùn)作過程的平穩(wěn)性。隨風(fēng)速改變，渦輪機(jī)輸出功率作出相應(yīng)調(diào)整。風(fēng)機(jī)葉片的焊接固定，導(dǎo)致無法依照風(fēng)速實(shí)際變化情況完成動(dòng)態(tài)調(diào)整，較難提升風(fēng)能資源利用率。

（2）變槳距調(diào)控。其應(yīng)用原理是通過調(diào)整、控制槳距角度，完成對(duì)發(fā)電機(jī)組輸出功率的調(diào)節(jié)。實(shí)踐中，若檢測到發(fā)電系統(tǒng)輸出功率明顯低于額定功率，槳距角全程保持在零度時(shí)，可以斷定環(huán)境風(fēng)力大小對(duì)輸出功率高低起決定性作用；若機(jī)組所處環(huán)境風(fēng)力偏大，機(jī)組輸出功率顯著高于額定功率時(shí)，系統(tǒng)將結(jié)合實(shí)測輸出功率自動(dòng)調(diào)控槳距角，使輸出功率在額定功率之下，防止發(fā)電系統(tǒng)過載損壞。變槳距調(diào)控屬于一種主動(dòng)型控制技術(shù)，能夠?qū)︼L(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)管控，在防控槳距失速情況方面應(yīng)用性較好。變槳距調(diào)控技術(shù)能夠確保風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)以后，在正槳距角相對(duì)較大的工況下也能形成較大的啟動(dòng)力矩，在停機(jī)時(shí)將槳距角維持在90°，有益于降低風(fēng)輪空轉(zhuǎn)速度。

（3）風(fēng)輪控制。科學(xué)運(yùn)用風(fēng)輪控制技術(shù)有益于維持、鞏固以及提升系統(tǒng)運(yùn)行效果[5]。技術(shù)應(yīng)用時(shí)，利用功率信號(hào)反饋控制風(fēng)輪功率信號(hào)的發(fā)生、發(fā)出過程，風(fēng)輪實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，功率和客觀條件變化保持統(tǒng)一，客觀分析運(yùn)行功率與客觀因素之間的相關(guān)性，結(jié)合分析成果繪制最大功率曲線圖，對(duì)比最大功率和系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際輸出功率，計(jì)算差值，在此基礎(chǔ)上準(zhǔn)確調(diào)節(jié)風(fēng)輪槳距，最大限度提升風(fēng)輪運(yùn)行功率。風(fēng)輪控制技術(shù)應(yīng)用時(shí)投入成本較多，且風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不容易獲得最大功率曲線。風(fēng)輪控制過程中，有效控制葉尖速比十分重要，在環(huán)境風(fēng)力等因素作用下，風(fēng)輪內(nèi)葉尖端轉(zhuǎn)動(dòng)線速度，即葉尖速，控制葉尖速與對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)風(fēng)速的比值時(shí)，應(yīng)主動(dòng)、全面的優(yōu)化風(fēng)機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)。風(fēng)輪控制原理如圖1所示。

圖1 風(fēng)輪控制原理

2.3 無功電壓自動(dòng)化控制

按技術(shù)的應(yīng)用類型可分為自動(dòng)化控制和附屬監(jiān)控系統(tǒng)兩種。自動(dòng)化控制系統(tǒng)可以作為單獨(dú)的功能單元獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)，還可以集成在監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)，其主要功能是監(jiān)測風(fēng)電場中的無功電壓波動(dòng)情況，經(jīng)通信系統(tǒng)傳輸無功電壓的調(diào)控命令?？梢酝ㄟ^人工手動(dòng)的形式設(shè)置子系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，風(fēng)電場中的部分控制裝置能夠?qū)崿F(xiàn)人工的關(guān)閉與開啟，系統(tǒng)基于自動(dòng)化控制實(shí)現(xiàn)風(fēng)電設(shè)備的安全運(yùn)行。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，子系統(tǒng)能夠表現(xiàn)出良好的無功調(diào)節(jié)能力，可以有效維持電壓平穩(wěn)狀態(tài)。若發(fā)電機(jī)組不能有效調(diào)節(jié)無功功率，可以采用動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行無功補(bǔ)償。

3 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨向

3.1 大容量風(fēng)電系統(tǒng)

國內(nèi)在大容量發(fā)電系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用方面還有較大的發(fā)展空間，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量持續(xù)增大，發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度相繼提高，各類新材料、新工藝的出現(xiàn)，將逐步解決風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)大容量、高可靠性和高性能等方面要求。大容量直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)將成為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的重要發(fā)展趨勢(shì)之一[6]。

3.2 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

系統(tǒng)采用風(fēng)能與太陽能之間的互補(bǔ)性，在蓄電池組內(nèi)存儲(chǔ)太陽能以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能，電能峰值調(diào)節(jié)情況下，逆變器以輸電線路作為載體將蓄電池組存儲(chǔ)的電能供給至負(fù)載處。晝夜互補(bǔ)情況下，日間太陽能發(fā)電，夜間風(fēng)能發(fā)電；季節(jié)互補(bǔ)情況下，根據(jù)季節(jié)和季風(fēng)環(huán)境下的日照、風(fēng)向、風(fēng)力等情況完成互補(bǔ)調(diào)節(jié)。我國成功研發(fā)了模擬風(fēng)力、光伏以及互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)等相關(guān)軟件，基于模擬仿真狀態(tài)處理實(shí)際問題，適用于道路照明、通信、電站等多種領(lǐng)域。

3.3 風(fēng)電發(fā)電機(jī)組的智能化控制

發(fā)電機(jī)組的控制工作難點(diǎn)主要包括風(fēng)向、風(fēng)速的隨機(jī)性與不確定性，氣體的流動(dòng)性及可壓縮性等特征。智能控制系統(tǒng)將充分調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電中定槳距失速、空氣動(dòng)力技術(shù)等內(nèi)容，當(dāng)電場風(fēng)速在額定轉(zhuǎn)速以上時(shí)，槳葉經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控會(huì)自動(dòng)進(jìn)入到失速調(diào)控狀態(tài)，確保功率處在允許區(qū)間內(nèi)[7]。變槳距控制運(yùn)用空氣動(dòng)力學(xué)基本機(jī)理，參照實(shí)際風(fēng)速的大小精準(zhǔn)調(diào)節(jié)槳葉節(jié)距等指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩的有效控制，使風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行可靠性得到保障。變速風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)應(yīng)用過程中，應(yīng)確保葉尖比值結(jié)果處于最佳狀態(tài)，提升風(fēng)能資源的利用效率。

3.4 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)

采用增設(shè)變頻器的方式，能夠有效改善控制系統(tǒng)的功能應(yīng)用，規(guī)避失步、無功振蕩等不良情況。異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行一定時(shí)間將執(zhí)行無功補(bǔ)償過程，鑒于沖擊電流對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生一定干擾，所以相關(guān)部門要密切監(jiān)測發(fā)電機(jī)組的運(yùn)作狀態(tài)，在線監(jiān)測是未來風(fēng)力發(fā)電技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

4 結(jié)語

在未來社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展過程中，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)將有更廣闊的應(yīng)用空間，通過提升風(fēng)能資源的利用效率，能有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)能源應(yīng)用時(shí)出現(xiàn)的能源缺口，有效保護(hù)生態(tài)環(huán)境。研究和發(fā)展過程中，應(yīng)重視風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，持續(xù)提升發(fā)電技術(shù)水平，提升發(fā)電系統(tǒng)的綜合效益，為我國電力行業(yè)持續(xù)發(fā)展保駕護(hù)航。