張偉

摘 要 目前全世界已經(jīng)開始建立有效的環(huán)境意識，各國之間已經(jīng)達(dá)成了一些協(xié)議，以解決所有工業(yè)發(fā)展所造成的污染問題。為了重視新能源的開發(fā)和利用，一些新的清潔能源走進(jìn)了我們的生活。其中，風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，可以緩解全球變暖和能源短缺的問題，仍然是一種很有前途的能源生產(chǎn)工具，因此對風(fēng)能技術(shù)的分析和研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞 風(fēng)力發(fā)電 新能源 電力系統(tǒng)

中圖分類號：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）12-0029-02

隨著民用煤、石油等各類常規(guī)的化學(xué)能源的大量枯竭，社會迫切需要新的可再生能源，這或許也是目前世界上各國高度重視可再生能源開發(fā)和綜合利用的重要原因。風(fēng)力發(fā)電過程是將風(fēng)能經(jīng)過轉(zhuǎn)化后成為一種機(jī)械驅(qū)動能，再和其他機(jī)械驅(qū)動能轉(zhuǎn)化后成為其他電能的結(jié)合過程。風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)作為工業(yè)風(fēng)能系統(tǒng)重要的組成部分，直接影響到整個工業(yè)風(fēng)能系統(tǒng)的使用性能和運(yùn)行效率。[1]變頻風(fēng)力發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)不僅是目前風(fēng)力發(fā)電的先進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)，也必將是未來我國風(fēng)力發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展趨勢。

1 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的基本發(fā)電原理

風(fēng)力發(fā)電主要用途是將傳統(tǒng)風(fēng)能發(fā)電轉(zhuǎn)化成為風(fēng)力機(jī)械化產(chǎn)能進(jìn)行發(fā)電，再將風(fēng)能轉(zhuǎn)化后的風(fēng)力機(jī)械化產(chǎn)能發(fā)電轉(zhuǎn)化成為電動機(jī)產(chǎn)能。在實(shí)際工作使用過程中，風(fēng)電機(jī)會直接驅(qū)動整個風(fēng)力機(jī)組的葉片高速旋轉(zhuǎn)。在反向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動過程中，助推器可以用于自動加速風(fēng)力電動機(jī)鏟的反向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動速度，從而有效地幫助推動風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電中心所使用的發(fā)電設(shè)備可以劃分為三個子部分：大型風(fēng)力發(fā)電渦輪機(jī)、發(fā)電機(jī)和風(fēng)力塔架。將風(fēng)能驅(qū)動轉(zhuǎn)化成機(jī)械驅(qū)動能最重要驅(qū)動方式就是驅(qū)動風(fēng)輪，它主要由兩個或多個齒輪傳動軸承所組成。如果風(fēng)機(jī)葉片內(nèi)部受到平臺風(fēng)的壓力影響，葉片上會迅速產(chǎn)生惰性氣體，促進(jìn)平臺風(fēng)輪的快速旋轉(zhuǎn)，為了有效保證平臺風(fēng)機(jī)運(yùn)行塔架是一個可以覆蓋整個平臺風(fēng)機(jī)的整體框架，風(fēng)機(jī)在實(shí)際安裝使用運(yùn)行過程中必須及時進(jìn)行塔架安裝。在適當(dāng)調(diào)整固定風(fēng)塔運(yùn)行高度時，必須充分考慮實(shí)際工作環(huán)境中風(fēng)塔地面上的障礙物對機(jī)塔風(fēng)速的直接影響，以及控制風(fēng)機(jī)驅(qū)動葉片的葉輪實(shí)際旋轉(zhuǎn)直徑，以便確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要機(jī)械功能，也就是指使風(fēng)輪在受到風(fēng)的運(yùn)動影響產(chǎn)生恒定旋轉(zhuǎn)速度后，由渦輪增速器驅(qū)動傳遞能量給風(fēng)力發(fā)電機(jī)使其均勻運(yùn)行，最后通過發(fā)電機(jī)將機(jī)械能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械電能。

2 風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀以及技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀

21世紀(jì)是可再生能源的世紀(jì)，風(fēng)能已成為各國家的一種重要發(fā)電形式。風(fēng)能資源豐富，價(jià)格相對低廉，它可以大規(guī)模獲得而且不會污染環(huán)境，中國在發(fā)展風(fēng)力發(fā)電方面取得了很大進(jìn)展。中國的風(fēng)力發(fā)電區(qū)主要位于北部、西北部和東北部的戈壁沙漠和其他地區(qū)。這些地方缺乏煤炭資源和常規(guī)能源，春季和冬季風(fēng)速相對較高，夏季雨水較少。風(fēng)能和水電正成為本世紀(jì)更重要的自然資源，中國地理環(huán)境復(fù)雜，一些地區(qū)風(fēng)能資源豐富，更適合風(fēng)能的開發(fā)，如江西的鄱陽湖地區(qū)和湖北的銅山地區(qū)。近年來，中國加快了風(fēng)電場的建設(shè)和發(fā)展，風(fēng)力渦輪機(jī)等新能源生產(chǎn)行業(yè)具有廣闊的發(fā)展前景，未來將保持高速發(fā)展的長期趨勢。

2.2 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢

風(fēng)能發(fā)電技術(shù)的廣泛應(yīng)用還具有許多新的優(yōu)點(diǎn)，風(fēng)能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用越來越廣泛，發(fā)展優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：一是風(fēng)能發(fā)電技術(shù)的綜合經(jīng)濟(jì)應(yīng)用優(yōu)勢。在目前風(fēng)能發(fā)電技術(shù)的實(shí)際發(fā)展應(yīng)用中，風(fēng)電資源成本下降相對較快，有的甚至接近于燃煤風(fēng)力電站的實(shí)際發(fā)電使用成本，逐漸成為經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。如果我國風(fēng)力發(fā)電量每年翻一番，成本將在15小時內(nèi)大幅降低，風(fēng)力發(fā)電量快速增長將一直保持在30小時以上，再隨之加上豐富的大型風(fēng)能發(fā)電資源，未來利用風(fēng)能發(fā)電技術(shù)及其應(yīng)用的綜合經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢將更加重要。二是風(fēng)電項(xiàng)目前期建設(shè)持續(xù)時間短，效益好。風(fēng)力發(fā)電建設(shè)項(xiàng)目相對較快，可以解決電力的緊急需求。風(fēng)能發(fā)電技術(shù)的廣泛應(yīng)用已經(jīng)可以在偏遠(yuǎn)地區(qū)和農(nóng)村貧困地區(qū)建立獨(dú)立供電，西部農(nóng)村地區(qū)廣大且分散，在清潔能源的發(fā)展需求以及節(jié)約減排方面充分發(fā)揮著積極的推動作用，有助于滿足這些農(nóng)村地區(qū)全體人民對清潔能源經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。三是應(yīng)用新型風(fēng)能發(fā)電技術(shù)可以提高綜合應(yīng)用效益。目前從實(shí)際應(yīng)用風(fēng)能發(fā)電技術(shù)的總體綜合經(jīng)濟(jì)效益分析來看，風(fēng)能技術(shù)屬于清潔再生能源，不會對人類生態(tài)環(huán)境健康產(chǎn)生任何負(fù)面影響。風(fēng)電開發(fā)機(jī)組的生產(chǎn)建設(shè)技術(shù)水平不斷穩(wěn)步提高，生產(chǎn)成本進(jìn)一步明顯降低。[2]

3 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)

3.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的類型

有三種常見的風(fēng)力渦輪機(jī)，包括恒速感應(yīng)系統(tǒng)、兩次饋電的變速恒頻系統(tǒng)和變速同步發(fā)電系統(tǒng)。發(fā)電過程易于控制，后期維護(hù)投資低，然而這種類型的系統(tǒng)不能有效地控制無功補(bǔ)償，這使得供電效率非常低。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)電穩(wěn)定性高、控制簡單、無功補(bǔ)償、成本低、風(fēng)能轉(zhuǎn)換性能高，然而，這種類型的系統(tǒng)更加復(fù)雜，使得維護(hù)更加困難。變速同步發(fā)電仍處于試驗(yàn)階段，成本很高。目前應(yīng)用不多，但該系統(tǒng)具有功率盲補(bǔ)償、穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)，具有很高的潛力。

3.2 對電力系統(tǒng)的影響

3.2.1 對電能質(zhì)量的影響

由氣流運(yùn)動引起的短期風(fēng)速速度波動以及風(fēng)力電網(wǎng)渦輪機(jī)的長期運(yùn)行運(yùn)動特性等等，都會直接影響風(fēng)力電網(wǎng)的長期電能供應(yīng)質(zhì)量。首先，它通常會直接影響動力頻率，而在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的這種主動力頻率波動通常會被轉(zhuǎn)變成一種電磁波。由于電機(jī)的慣性，控制系統(tǒng)難以跟上電磁功率的電流變化，從而改變發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)的頻率。此外，風(fēng)能也會對電壓產(chǎn)生影響：聯(lián)網(wǎng)風(fēng)力渦輪機(jī)的功率流狀況會導(dǎo)致電壓波動，且輸出電流的頻率范圍在電壓有效（25Hz）范圍內(nèi)，因此會導(dǎo)致電壓閃變，最終產(chǎn)生和諧電壓和諧波電能。

3.2.2 對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響

在電網(wǎng)薄弱的情況下，風(fēng)能的波動會導(dǎo)致瞬時電壓損失、頻繁中斷或風(fēng)力渦輪機(jī)的故障運(yùn)行。故障排除后，發(fā)電機(jī)磁化率和滑動比的增加將消耗大量的無功功率，導(dǎo)致電壓恢復(fù)困難。

3.2.3 對調(diào)頻和調(diào)峰能力的影響

氣流的長期和持續(xù)季節(jié)性徑向運(yùn)動可能導(dǎo)致的持續(xù)風(fēng)速升高持續(xù)時間通常為數(shù)小時，這種長期的風(fēng)速波動將增加現(xiàn)有電網(wǎng)的調(diào)頻和調(diào)峰壓力。負(fù)荷持續(xù)曲線的峰值持續(xù)時間通?？梢詫?yīng)于美國風(fēng)力發(fā)電的負(fù)荷峰值持續(xù)時間。風(fēng)電場并網(wǎng)發(fā)電有效擴(kuò)大了等效風(fēng)力負(fù)荷的電流峰值差，顯著提高了風(fēng)力電網(wǎng)的高壓調(diào)頻和交流調(diào)峰運(yùn)行能力。[3]

3.3 風(fēng)電與儲能設(shè)備并網(wǎng)可行性分析

風(fēng)力發(fā)電是不確定的，在一個時間段內(nèi)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電網(wǎng)功率就有可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于整個電網(wǎng)的給定負(fù)載力，而在另一個時間段內(nèi)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電網(wǎng)功率則有可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電網(wǎng)負(fù)載力。在這兩個關(guān)鍵時期，風(fēng)力發(fā)電的總量和發(fā)電量擴(kuò)大已經(jīng)完全足夠，隨著現(xiàn)代科學(xué)信息技術(shù)的不斷發(fā)展，儲能技術(shù)日益成熟，容量發(fā)電規(guī)模逐漸擴(kuò)大。將多種儲能發(fā)電裝置技術(shù)集成應(yīng)用到傳統(tǒng)風(fēng)電儲能電網(wǎng)中，可以有效地克服傳統(tǒng)風(fēng)能的不安全因素，提高電網(wǎng)供電的節(jié)能安全性和供電可靠性，儲能裝置可以發(fā)揮調(diào)頻的作用，使機(jī)組功率穩(wěn)定。

3.4 發(fā)展趨勢

1.加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)，確保最大限度地利用風(fēng)能。今后要進(jìn)一步加快風(fēng)能技術(shù)的研究開發(fā)，不斷提高風(fēng)力發(fā)電效率。在選擇發(fā)電方式時，要因地制宜地采取相應(yīng)的發(fā)電方式，根據(jù)所選擇地區(qū)的實(shí)際情況，比如風(fēng)力較強(qiáng)的地方，風(fēng)能密度普遍較高，風(fēng)能強(qiáng)度相對較大，因此可以調(diào)整功率的發(fā)電方式，這樣可以在風(fēng)力較弱時調(diào)整功率，確保風(fēng)機(jī)的安全。此外，不同地區(qū)選用的風(fēng)機(jī)也有所不同，一般來說，在風(fēng)密度相對較高的情況下，可以選擇永久安裝的變槳立式風(fēng)機(jī)。由于該新型風(fēng)機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)相對簡單，投資相對較低，可在整個風(fēng)力發(fā)電運(yùn)營過程中有效率地控制風(fēng)力發(fā)電。在一些自然風(fēng)力相對較弱的特殊地方，可以自由選擇使用發(fā)動機(jī)加大功率，這也就意味著風(fēng)機(jī)可以同時儲存大量風(fēng)能，然后有效地再利用。目前，這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)還需要不斷地進(jìn)行研究和重新開發(fā)，根據(jù)不同的發(fā)電環(huán)境生產(chǎn)不同的風(fēng)機(jī)，以最大限度地利用風(fēng)能。[4]

2.增加發(fā)動機(jī)容量-解決資源浪費(fèi)問題。由于對能源的需求不斷增加，且單位容量相對較低，許多地區(qū)將生產(chǎn)各種發(fā)電機(jī)以滿足這一需求。今后，我們應(yīng)著眼于此，在滿足電力需求的前提下，減少成本投資和資源使用。

4 結(jié)語

由于各種風(fēng)電場工程中風(fēng)力發(fā)電場的傳統(tǒng)性能公式是不完全確定的，按傳統(tǒng)負(fù)荷公式處理各種風(fēng)電場傳統(tǒng)性能的數(shù)學(xué)方法在一定程度上已經(jīng)解決了各種風(fēng)電場的負(fù)荷處理傳統(tǒng)方法，但沒有直接考慮各種風(fēng)電場物理性能的隨機(jī)性，因此，相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)家可以使用不同的量子科學(xué)和傳統(tǒng)數(shù)學(xué)方法一起來進(jìn)行討論和統(tǒng)計(jì)分析各種風(fēng)電場。

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