可再生能源發(fā)電工程質(zhì)量監(jiān)督站 魏 康

基于環(huán)境保護和資源節(jié)約的社會總體發(fā)展要求，積極尋找可代替一次能源的新能源來促進相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展，注重提高環(huán)保型資源在各個行業(yè)領(lǐng)域的利用效率，是當前社會發(fā)展關(guān)注的重點問題。風能作為一種典型的清潔能源，能夠滿足發(fā)電的需求，以風力發(fā)電的方式，能夠在一定程度上緩解我國現(xiàn)階段存在的電力市場供應(yīng)緊張，以及能源消耗量大的問題。

1 新能源發(fā)電下風力發(fā)電相關(guān)技術(shù)

1.1 風功率預測技術(shù)

1.1.1 風功率的預測指標

風功率預測技術(shù)主要依賴于監(jiān)控系統(tǒng)來發(fā)揮作用。監(jiān)控系統(tǒng)主要由人機界面、接口以及數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，能夠以高精度的數(shù)值氣象系統(tǒng)和人工智能算法的應(yīng)用，來保障系統(tǒng)整體的高效運行?？紤]現(xiàn)實風力發(fā)電中風速隨機波動特性的影響，對于風功率的預測也應(yīng)考慮時間序列值隨時間波動的情況[1]，這樣就會導致在實際預測存在誤差。為實現(xiàn)對這一預測誤差的準確描述，在實際應(yīng)用風功率預測技術(shù)時，引入絕對誤差、平均誤差、平均絕對誤差等概念，實現(xiàn)對于風電預測方法應(yīng)用效果的科學評估。例如，平均相對誤差主要代表一段時間內(nèi)預測絕對誤差與實測值之間比值的平均水平，用公式表示為：

在該式中，EMRE代表風功率預測的平均相對誤差，Ei代表風功率預測的絕對誤差值，n 代表樣本容量。

而考慮風功率預測中容易存在正負誤差相抵消的情況，可以引入均方根誤差這一概念，表示預測誤差的分散程度，因而可以應(yīng)用均方根誤差這一指標與其他指標相互配合，共同實現(xiàn)對于風功率預測值的綜合評價[2]。均方根誤差用公式可以表示為：

在該式中，ERMSE代表風功率預測的均方根誤差，Pe代表風電場的裝機容量。

在實際應(yīng)用這些誤差指標進行風功率預測時，發(fā)現(xiàn)受到風速波動性和間歇性的影響，會導致風速驟降，進而使得部分誤差指標過大，難以實現(xiàn)對于風功率的有效預測?；谶@一情況，提出能夠應(yīng)用于直觀描述預測結(jié)果的風功率預測考核指標，即準確率與合格率[3]。在實際預測中，對于準確率的衡量，主要可以應(yīng)用以下公式來實現(xiàn)：

在該式中，Ar代表風功率的預測準確率，代表k 時段的實際功率平均值，代表k 時段的功率預測平均值。而對于合格率的衡量，則需要基于以下公式：

將得到的關(guān)于風功率的預測數(shù)值代入以上公式中，設(shè)定預測誤差的合格率標準為85%，對于實際達到這一標準的則可以確定為考核合格，可以基于預測分析得到的功率大小來實現(xiàn)對于風力發(fā)電風功率的有效調(diào)節(jié)。

1.1.2 風功率預測模型的構(gòu)建

為進一步提升風功率預測實際結(jié)果的準確性，可以將算法技術(shù)融入風功率預測當中，以構(gòu)建預測模型的方式，保障風功率預測的實際效果。

例如，可以在風功率的預測中融入深度學習算法，以構(gòu)建輸入層、網(wǎng)絡(luò)層以及輸出層的預測模型方式，對風功率預測性能效果進行評估。以基于Keras 的深度學習算法架構(gòu)為例，在對輸入數(shù)據(jù)進行預處理時，可以基于圖一中的基本流程，當輸入時間窗口設(shè)置為w 時，按照特定的結(jié)構(gòu)對數(shù)據(jù)進行排列組織，然后基于MATLAB 來實現(xiàn)對于數(shù)據(jù)的預處理和模型的誤差分析[4]。其中，csv 文件主要作為中介數(shù)據(jù)文件發(fā)揮作用，能夠依據(jù)成熟的數(shù)據(jù)處理流程來將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Python 代碼進行批量處理和訓練。

圖1 輸入數(shù)據(jù)的預處理流程

在完成數(shù)據(jù)的預處理之后，需要構(gòu)建完善的網(wǎng)絡(luò)建模流程。基于深度學習算法本身擁有的良好封裝特性，在充分了解模型內(nèi)部各網(wǎng)絡(luò)層的工作原理、輸入輸出格式以及設(shè)定參數(shù)之后，應(yīng)按照基礎(chǔ)算法導入、加載輸入數(shù)據(jù)、搭建深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、設(shè)定模型訓練參數(shù)、存儲模型參數(shù)、預測功率及輸出功率存儲的順序，實現(xiàn)對于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓練（如圖2所示）。

圖2 Kcras 訓練深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)流程

1.2 風電機組功率調(diào)節(jié)技術(shù)

在風力發(fā)電過程中，如果風能密度一定，風力發(fā)電機的大小會對風力發(fā)電系統(tǒng)的供電能力產(chǎn)生直接的影響?；谶@一情況，在實際風力發(fā)電中應(yīng)用功率調(diào)節(jié)技術(shù)，能夠有效推動發(fā)電過程風能與機械能之間的相互轉(zhuǎn)化。風電機組功率調(diào)節(jié)技術(shù)具體包括定槳距失速控制技術(shù)，以及變槳距控制技術(shù)兩種類型。其中，變槳距控制技術(shù)在風力發(fā)電中的作用更為明顯。

變槳距控制技術(shù)主要能夠通過調(diào)節(jié)槳距角度的方式，對風電機組的輸出功率進行調(diào)節(jié)。在實際應(yīng)用該技術(shù)時，需要應(yīng)用傳感器來采集風電機組運行產(chǎn)生的信號數(shù)據(jù)，利用變槳距功率控制器來實現(xiàn)對于各項信號數(shù)據(jù)的分析處理。在這一過程中，漿距角的變化范圍為0°～90°，如果漿距角為0°，槳葉與氣流之間的接觸面積最大，因而捕獲的風場能量也就最大，發(fā)電機的輸出功率也會越高，而漿距角為90°的情況，發(fā)電機的輸出功率最小。

基于這一原理，應(yīng)用變槳距控制技術(shù)，應(yīng)強調(diào)基于風場能量變化的情況，總結(jié)分析短期內(nèi)風場風速變化的特點。如圖3所示為各個風量的曲線變化情況，能夠以更形象的方式來描述風場能量的變化情況。

圖3 風量曲線圖

結(jié)合仿真實驗獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)，為提升變槳距調(diào)節(jié)技術(shù)的應(yīng)用效果，相關(guān)學者提出融入算法的方式來優(yōu)化變槳距功率控制器的參數(shù)。考慮應(yīng)用風力發(fā)電方法下的發(fā)電機組在運行中能夠呈現(xiàn)出非線性、時滯性以及對風速變化敏感的特點，應(yīng)用算法能夠有效增強變槳距控制技術(shù)的控制性能。

1.3 無功電壓自動控制技術(shù)

無功電壓自動控制技術(shù)主要負責對風電場內(nèi)的無功電壓情況進行監(jiān)測，基于通信系統(tǒng)來傳遞對于無功電壓的調(diào)節(jié)指令。如果風力機組難以有效完成無功功率的調(diào)節(jié)，可以通過動態(tài)無功補償設(shè)備來達到無功補償?shù)哪康?，并基于無功補償狀態(tài)的自動調(diào)節(jié)，來確保風電機組能夠處于穩(wěn)定的運行狀態(tài)。

具體而言，考慮風電無功電壓控制與傳統(tǒng)電廠之間有著較大的差異，以雙饋風電機組運行中的無功電壓控制情況為例，基于雙饋風機無功調(diào)節(jié)能力有限的情況，需要通過外加無功補償裝置的方式來達到無功補償?shù)哪康摹Ｔ谂渲蔑L電場的動態(tài)無功補償前，需要明確風電場現(xiàn)有的主要無功損耗情況。以風電場的主變壓器無功損耗為例，對于該數(shù)值的計算，需要應(yīng)用以下公式：

在該式中，ΔQr代表主變總無功損耗；ΔQ0代表主變的不變損耗；ΔQs代表主變的可變損耗；SN代表主變?nèi)萘浚籗 代表主變視在功率；Us%代表主變短路阻抗百分比；I0%代表主變空載電流百分比。

在計算相應(yīng)的電流損耗之后，需要在考慮風電機組自身影響因素的情況下，判斷發(fā)生故障的情況時，風電機組自身的無功調(diào)節(jié)能力是否能夠滿足機組運行所需的無功功率情況。

基于此，考慮不同風電無功補償裝置性能的差異，應(yīng)選擇實際裝機容量更大的靜止無功發(fā)生器來達到無功功率的連續(xù)可調(diào)、抑制電壓波動目的。靜止無功發(fā)生器具體包括飽和電抗器、晶匣管控制的電抗器、晶閘管開端的電容器等類型。以晶閘管控制的電抗器為例，將該無功補償器應(yīng)用到風電場的運行中，如圖4所示。

圖4 晶閘管

無功補償裝置主要由測量模塊、觸發(fā)模塊以及電壓調(diào)節(jié)器三部分組成。其中，測量模塊主要負責為控制系統(tǒng)提供輸入信號；觸發(fā)模塊主要負責將通過電壓調(diào)整器發(fā)出的基準信號傳輸?shù)介T極觸發(fā)生成單元中，以此來產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，從而達到控制晶匣管和投切設(shè)備的目的。在此基礎(chǔ)上，可以利用無功補償裝置將其調(diào)整成合適的點納值，進而達到預定無功功率的目的。

2 風力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢與方向

2.1 風電系統(tǒng)容量不斷擴大

在市場日益增長的電能需求背景下，當前能夠應(yīng)用的風力發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模也在不斷擴大。為保障風力發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用效果和運行安全，需要對風力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行進一步優(yōu)化設(shè)計。現(xiàn)階段，我國應(yīng)用的風力發(fā)電系統(tǒng)仍存在較為明顯的不足。其中，容量問題會直接影響到風力發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部各個軟件，以及結(jié)構(gòu)運行的兼容性和高性能效果。因而，在未來的發(fā)展中，應(yīng)著重強調(diào)推動風力發(fā)電系統(tǒng)，朝著大容量和高可靠性的方向發(fā)展。

2.2 變速運行技術(shù)的不斷優(yōu)化

變速運行技術(shù)的應(yīng)用能夠有效保障風力發(fā)電系統(tǒng)始終在最優(yōu)的設(shè)置下運行，從而提升系統(tǒng)整體的可靠性和運行效果。在現(xiàn)代科學技術(shù)不斷優(yōu)化發(fā)展的情況下，風力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用的變速運行技術(shù)也應(yīng)進一步優(yōu)化?；趯嶋H風速與額定風速之間的大小關(guān)系，進一步通過系統(tǒng)調(diào)節(jié)的方式，來讓系統(tǒng)輸出的功率能夠始終保持在恒定的狀態(tài)，以此來應(yīng)對系統(tǒng)運行中容易出現(xiàn)的各類安全問題，提升系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

綜上所述，現(xiàn)階段應(yīng)用于風力發(fā)電的相關(guān)技術(shù)，已經(jīng)能夠有效滿足市場對于電能供應(yīng)的需求。基于現(xiàn)階段各個行業(yè)領(lǐng)域不斷發(fā)展的趨勢，在風力發(fā)電的過程中，仍需要對現(xiàn)有的風力發(fā)電技術(shù)進行進一步創(chuàng)新優(yōu)化，探討以更大容量更高水平的技術(shù)，在保障電網(wǎng)運行安全的同時，也能夠有效促進我國環(huán)境條件的改善。