牛自強，尚益章

（國華投資蒙西公司川井風電場，內蒙古 巴彥淖爾 015000）

風力發(fā)電是一種將風的動能轉化為電能的能量轉換方式，通過這種發(fā)電方式得到的電能有著清潔環(huán)保的優(yōu)點，在新時期發(fā)展背景下，人們消耗的電力資源總量不斷增長，為了滿足人們在對電力資源需求的基礎上，降低電力供應對自然環(huán)境造成的污染，合理應用風力發(fā)電技術，成為了一項極為必要的工作。

1 風力發(fā)電的技術原理與應用價值

風能是一種清潔無公害的能源，在當前社會發(fā)展過程中，合理應用風力發(fā)電技術，不僅能夠實現(xiàn)風力資源的有效利用，還能滿足人們生活、生產對電能的需要。隨著人們對風力發(fā)電技術重視程度的不斷提升，當前我國風力發(fā)電量逐年攀升，從國家能源局發(fā)布的數(shù)據(jù)中可以了解，截止至2021年底我國風電總裝機容量達到4.4億kW?，F(xiàn)階段，為使風力發(fā)電技術的作用能夠得到充分的發(fā)揮，需要對這一技術進行深入研究。

1.1 工作原理

風力發(fā)電機的工作原理比較簡單，風輪在風力的作用下旋轉，把風的動能轉變?yōu)轱L輪軸的機械能。發(fā)電機在風輪軸的帶動下旋轉發(fā)電。近年來，隨著人們環(huán)保節(jié)能意識的不斷深入，為了進一步提升風能的利用率，風力發(fā)電系統(tǒng)越發(fā)復雜，當前的風力發(fā)電機系統(tǒng)中除了風輪系統(tǒng)、發(fā)電機外，還有齒輪箱、控制系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)和塔架等部分。具體來說，首先，在風力發(fā)電系統(tǒng)運轉過程中，齒輪箱中齒輪的相互作用可以有效提升發(fā)電機的轉速，在提升發(fā)電機工作效率的同時，保證了電力供應的穩(wěn)定性。其次，在風電系統(tǒng)運轉過程中，控制系統(tǒng)是保證系統(tǒng)整體穩(wěn)定工作的關鍵系統(tǒng)，不僅能夠對風電系統(tǒng)中的各個模塊進行有效的管控，對風電系統(tǒng)并網(wǎng)、脫網(wǎng)狀態(tài)進行控制，保證風力發(fā)電機能夠保持電壓頻率的穩(wěn)定性，還能對系統(tǒng)整體工作狀態(tài)加以監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運轉過程中出現(xiàn)問題，則及時發(fā)出警報信號，便于工作人員對故障進行排除。再次，偏航系統(tǒng)在實際應用過程中，能夠依據(jù)風電系統(tǒng)安裝位置風力變化情況，對風輪的掃掠面進行控制，通過保證掃掠面與風向始終保持垂直狀態(tài)的方式，進一步提升風力資源的利用效率。最后，在風力發(fā)電系統(tǒng)停止工作時，為切實降低風力發(fā)電系統(tǒng)停機的難度，可以通過合理應用伺服控制技術，調整槳距角改變風輪轉速，從而實現(xiàn)風電發(fā)動機的速度的管控，在保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定停止運轉的同時，不會給后續(xù)發(fā)電系統(tǒng)的重啟造成不利影響[1]。

1.2 應用價值

在電子設備不斷普及的當下，人們對電力資源的需求量不斷上漲，為了在切實滿足人們對電力資源需求的同時，降低由火力發(fā)電所產生的的化石能源消耗，減少碳排放量，風能、水能等清潔能源受到了人們的廣泛關注。風能作為一種清潔可再生能源，在我國的分布廣泛，在“雙碳”戰(zhàn)略背景下，應用風力發(fā)電技術，不僅能夠減少化石能源的消耗，降低電能供應工作的成本，保障我國的能源安全，還能對當前我國電力資源緊張的狀況加以緩解，降低能源供應過程中對自然環(huán)境造成的破壞。具體來說，在化石能源存儲量不斷減少的當下，傳統(tǒng)的火力發(fā)電工作成本不斷上漲，并且在部分風能密度較大的區(qū)域，當?shù)氐幕痣姵杀九c風電成本相近。為了在減少火電對化石能源消耗量的同時，降低火電產生的環(huán)境污染，加大風電的推廣力度，不僅可以降低風電體系的建設運行成本，還能更好地滿足當前人們對環(huán)境保護工作的需要[2]。

2 新時期新能源風力發(fā)電相關技術

在新時期的發(fā)展背景下，因我國陸上、海上風力資源都極為豐富，并且這一資源使用安全性、清潔性相對較高，這使得風電技術在實際使用的過程中有著較多優(yōu)勢，因此當前我國對風電技術的投入在不斷增長，這一情況的出現(xiàn)使得我國風電技術越發(fā)成熟，2022年3月，國家發(fā)展改革委、國家能源局印發(fā)《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》，文件提出：到2025年，非化石能源消費比重提高到20%左右，非化石能源發(fā)電量比重達到39%左右，電氣化水平持續(xù)提升，電能占終端用能比重達到30%左右。規(guī)劃要求：大力發(fā)展非化石能源，加快發(fā)展風電、太陽能發(fā)電。全面推進風電和太陽能發(fā)電大規(guī)模開發(fā)和高質量發(fā)展，優(yōu)先就地就近開發(fā)利用，加快負荷中心及周邊地區(qū)分散式風電和分布式光伏建設，推廣應用低風速風電技術。在風能和太陽能資源稟賦較好、建設條件優(yōu)越、具備持續(xù)整裝開發(fā)條件及符合區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護等要求的地區(qū)，有序推進風電和光伏發(fā)電集中式開發(fā)，加快推進以沙漠、戈壁和荒漠地區(qū)為重點的大型風電光伏基地項目建設，積極推進黃河上游、新疆和冀北等多能互補清潔能源基地建設。積極推動工業(yè)園區(qū)、經(jīng)濟開發(fā)區(qū)等屋頂光伏開發(fā)利用，推廣光伏發(fā)電與建筑一體化應用。開展風電、光伏發(fā)電制氫示范。鼓勵建設海上風電基地，推進海上風電向深水遠岸區(qū)域布局。積極發(fā)展太陽能熱發(fā)電。此后，各省市也相繼發(fā)布：“十四五”新能源規(guī)劃，其中包含千萬千瓦級大風電項目，2020年北京國際風能大會上提出的《風能北京宣言》指出，在“十四五”規(guī)劃期間，我國風電年均新增裝機量將會超過5千萬kW，2025年后，我國風電新增裝機容量應超過6千萬kW。預計到2025年能實現(xiàn)風電總裝機容量11億kW發(fā)展目標。

2.1 風功率預測

在當前的風電場工作過程中，受風力大小無法始終保持一致的影響，風電系統(tǒng)的發(fā)電功率并不穩(wěn)定，并且風電系統(tǒng)的發(fā)電功率與風力大小之間呈現(xiàn)正比例關系，現(xiàn)階段，為了保證風電系統(tǒng)電力供應的穩(wěn)定性，利用風功率預測技術，對風電系統(tǒng)的功率進行預測，然后依據(jù)預測結果對電網(wǎng)進行調度調整，在降低風電電力并入電網(wǎng)后，電網(wǎng)進行電力調度的同時，提升電網(wǎng)的穩(wěn)定性，為電網(wǎng)接受更多的風電資源創(chuàng)造有效的環(huán)境條件。考慮到在當前風功率預測時，風電場對預測有著不同的模型、周期要求，因此，在實際預測過程中，需要采用具有針對性的預測技術，以便切實提升預測的準確性。

2.1.1 預測周期

為滿足風功率預測工作對于預測時間長短的需要，預測周期可以分成超短期預測、短期預測和中長期預測這幾類，并且在實際應用過程中，超短期預測更多地被用于風電實時調度工作中；短期預測一般被應用于機組、備用資源的調度過程中；中長期預測更多地被應用于系統(tǒng)維護、風能評估等工作中。

2.1.2 預測模型

預測模型法主要可以分成物理法、統(tǒng)計法和組合模型法這幾種風功率預測方法，在實際使用過程中，首先，物理法更多地是以氣象學理論為基礎，通過對風電場區(qū)域的氣候情況加以模擬的方式，建立合理的預測模型，然后將模型與風電機組功率加以結合，實現(xiàn)風電功率的有效預測，需要注意的是，盡管在模擬過程中，風向、風速、空氣密度等因素都屬于模擬要素，均參與到了風電場區(qū)域氣象模擬工作，但受風速變化隨機性較強的影響，物理法預測的結果往往與現(xiàn)實之間存在一定的誤差。其次，統(tǒng)計法是一種利用數(shù)學工具，構建預測對象與統(tǒng)計結構間的數(shù)學關系，并以這一關系為基礎，對風電場區(qū)域的風功率變化規(guī)律進行統(tǒng)計分析，并對風功率進行預測。在實際使用過程中，在進行統(tǒng)計分析時的算法與預測結果的準確性之間存在著極為密切的聯(lián)系，現(xiàn)階段，統(tǒng)計法應用過程中較為常用的算法為時間序列算法與機械學習算法。最后，由于物理法與統(tǒng)計法在實際使用過程中均存在著一定的缺陷，現(xiàn)階段，為了進一步提升預測工作的準確性，可以應用組合模型預測法對上述2種預測方法的優(yōu)點進行吸收，并構建更為科學的預測模型，為后續(xù)預測質量的提升提供有效的支持，由于這一預測方法是對物理法與統(tǒng)計法使用優(yōu)點的綜合，因此組合模型預測法是一種具有較強綜合性的算法。在實際應用中針對各個地區(qū)不同的氣候和地形條件，結合風電場的實際需求，對氣象模型進行局地化、精細化調整，從源頭控制計算精度。

2.2 風電機組功率調整

在風能密度一定的情況下，風電機組的功率大小與風能的利用效率及電力供應量之間存在著直接的聯(lián)系，現(xiàn)階段，為了進一步提升電能供應的穩(wěn)定性，提升風能的利用效率，則需要合理應用風電機組功率調整功能，提升風能轉化的機械能再轉化成電能的效率。具體來說，在風電機組的實際使用過程中，受機組內各零部件的機械強度、容量等因素的限制，風電機組運行穩(wěn)定性與安全性不一定能夠滿足當前風電系統(tǒng)的工作需要。為切實解決上述問題，合理應用風電機組功率調整技術，在風電機組所處環(huán)境風能較小時，可以通過提升風電機組對于風能捕獲能力的方式，提升整個風電機組的發(fā)電功率；在風電機組所處環(huán)境風能較大時，在考慮到風電機組整體結構強度、發(fā)電功率等因素的基礎上，通過適度降低風電機組捕獲能力的方式，在避免機組產生過載問題的基礎上，提升風電機組工作的穩(wěn)定性。

當前較為常用的風電機組功率調整技術為變槳距控制技術。具體來說，變槳距控制技術是一種通過調整槳距的方式，實現(xiàn)風電機組功率調整的技術，在實際應用過程中，風電機組的功率會受外界風能密度大小的影響，若風電機組的輸出功率與額定輸出功率低或高，那么可以通過變槳距控制技術對槳距角的大小進行自動調整的方式，從而在保證風電機組既不會超出額定功率又不會比額定功率低太多。變槳距控制技術是一種主動型的控制技術，其發(fā)展的新方向是集中變槳和獨立變槳，其中獨立變槳技術是在統(tǒng)一變槳控制基礎上發(fā)展的一種變槳技術，在實際使用過程中，獨立變槳系統(tǒng)可以依據(jù)葉片的不同運行情況，對其葉片角度進行調整，通過這種方式，切實降低機組荷載，增強機組的運行穩(wěn)定性，因此，在當前的風電機組應用過程中，獨立變槳技術的應用效果和環(huán)境適應性更好。

2.3 無功電壓自動控制

無功電壓自動控制技術在實際應用過程中，是通過風電無功電壓自動控制子站與相應監(jiān)控系統(tǒng)共同工作的方式，實現(xiàn)風電機組的有效管控。同時，在當前風電系統(tǒng)接入電網(wǎng)系統(tǒng)后，為避免風電機組因為電網(wǎng)電壓短時間的升高或降低而出現(xiàn)停機的現(xiàn)象，高/低壓穿越技術受到了風電機組入網(wǎng)工作的關注?，F(xiàn)階段，為進一步提升電力供應的穩(wěn)定性，在當前的風電機組入網(wǎng)時，應用了高低壓穿越技術，使得短時間的電壓波動并不會影響風電機組的運轉狀態(tài)，降低了風電機組大規(guī)模脫網(wǎng)問題出現(xiàn)的可能性，從而為電能的穩(wěn)定供應提供了有效的支持[3]。

2.4 并網(wǎng)風力發(fā)電系統(tǒng)

在風電機組運轉過程中，并網(wǎng)雙饋系統(tǒng)中的傳動模型可以將系統(tǒng)收集到的風能轉化為電能，在風電機組不配備齒輪箱的情況下，可以借助直驅風電發(fā)電機使得風車葉片直接帶動發(fā)電機的旋轉，從而實現(xiàn)發(fā)電的功能，在直驅風電發(fā)電機的使用過程中，為進一步提升風電機組的輕便性，可以采用使用了永磁體技術的直驅式發(fā)電機組?，F(xiàn)階段，若風電機組在運轉過程中，風能的大小沒有達到預定的風速標準，那么可以利用變流器對發(fā)電機組加以管控，從而保證發(fā)電機組的輸出功率能夠滿足額定輸出功率的要求。在變流器工作時，第一，可以通過控制側變流的方式，提升風力發(fā)電機組輸出電流控制的穩(wěn)定性。在此過程中，風電機組可以通過側身變流器對電流轉換方式加以調整，使電動勢能大小、內部轉子運動速度發(fā)生改變，從而降低功率大小變化對電流穩(wěn)定性產生的影響。第二，可以通過控制網(wǎng)測電流的方式，實現(xiàn)風電機組系統(tǒng)內部變流器與電網(wǎng)系統(tǒng)之間的功率調整，從而降低風電輸出功率在傳入電網(wǎng)后，電網(wǎng)體系對風電功率進行進一步調整的必要性[4]。

3 新能源風力發(fā)電技術的發(fā)展方向

在新時期的發(fā)展背景下，隨著化石能源儲量的不斷減少與人們對環(huán)境保護工作重要性認識的不斷深入，清潔能源受到了人們的廣泛歡迎，進一步提升風能、太陽能、潮汐能等新能源的利用率，成為了推動當前社會經(jīng)濟穩(wěn)步發(fā)展的重要工作之一。風能作為一種人們利用時間相對較長的能源，在當前人們對電力資源需求量不斷增長的背景下，提升對風電技術的關注度，攻克過去風電技術研發(fā)過程中存在的問題，研發(fā)高新風電技術，以便實現(xiàn)推動風電技術的穩(wěn)步發(fā)展，滿足當前電力供應需要的必由之路。

3.1 大容量風電系統(tǒng)

近年來，為進一步提升風力資源的利用率，風扇葉面的表面積不斷擴大，風電系統(tǒng)的規(guī)模與復雜性不斷增加，但需要注意的是，在風電系統(tǒng)體積增大的過程中，風電機組內部結構不能通過單純增大的方式，提升風能轉化效率，面對上述情況，提升對大容量風險系統(tǒng)研發(fā)工作的關注度，攻克風電系統(tǒng)體積增大過程中暴露出來的系統(tǒng)運轉問題，提升風電機組與內部控制系統(tǒng)設計的合理性，成為了一項極為必要的工作。舉例來說，2022年4月8日，三峽平潭外海海上風電塔筒設備正式開工，這一項目是當前亞洲單機容量最大的風電項目，項目規(guī)劃總裝機容量為100 MW，布置的風電機組有11臺，其中包括1臺13 MW的風電機組，據(jù)數(shù)據(jù)調查顯示，該項目建成后，每年可以提供清潔電能44 388.9萬kW·h，同比節(jié)約了標準煤13.6萬t（火電煤耗按照295 g/kW·h計算），減少二氧化碳排放量為37.20萬t/a。同時，隨著各類新材料的不斷涌現(xiàn)及加工工藝技術的不斷創(chuàng)新，為進一步提升風電系統(tǒng)的容量與可靠性，必須努力攻克當前大容量風電系統(tǒng)開發(fā)應用過程中的技術難題[5]。

3.2 深海遠海風電場技術

對當前的風能資源分布情況進行調查分析后可以發(fā)現(xiàn)，相較于陸地風能，海上風能更為穩(wěn)定與豐富，現(xiàn)階段，為了更好地滿足人們對風電資源的需求，在海上建設更多、單機容量更大的風電機組，成為切實滿足當前人們對風電資源需求的重要舉措之一。近年來，隨著科學技術的不斷發(fā)展，當前近海區(qū)域已經(jīng)成功建設了一些海上升壓站，但相較于廣闊的海洋，建設海上風電機組的區(qū)域面積較小，這在一定程度上造成了海上風力資源的浪費。在新時期科學技術不斷發(fā)展的背景下，為切實解決上述問題，遠海、深海風電場技術的研究與應用，成為推動海上風電技術穩(wěn)定發(fā)展，滿足當前社會對電力資源供應需求的關鍵工作之一。

3.3 并網(wǎng)技術與最大風能捕獲技術

在風電技術發(fā)展過程中，并網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)的應用效果主要由風電并網(wǎng)技術與發(fā)電機組控制技術的發(fā)展情況所決定，并網(wǎng)技術與最大風能捕獲技術的深入研究，同樣是推動未來風電發(fā)展的重要研究內容。具體來說，在風電并網(wǎng)的過程中，風電的反調峰特性增大了當前風險并網(wǎng)調峰工作的難度，同時，風電在供應室的間歇性與隨機性也增大了電網(wǎng)調頻工作的負擔，盡管當前部分電網(wǎng)并網(wǎng)區(qū)域應用了低負荷時段棄風技術，但如何進一步提升風電機組電力資源供應的穩(wěn)定性，仍是當前并網(wǎng)技術發(fā)展過程中的重點、難點之一。同時，為進一步提升風力資源的利用率，最大風能捕獲技術同樣受到了人們的廣泛關注，現(xiàn)階段，較為常用的最大風能捕獲算法包括最佳葉尖速比法、功率反饋法和爬山法，盡管這些算法在實際應用過程中能夠提升風電機組的工作效率，但受風速多變、需要設定風力電機最佳葉尖速比等問題的影響，上述算法的使用難度相對較大，無法大規(guī)模推廣利用，因此，研究更為簡便有效的最大風能捕獲技術，成為了一項極為必要的工作。

3.4 低風速區(qū)的高塔架技術

面對當前一些風能資源較好的地區(qū)受并網(wǎng)的限制，需要“棄風”的情況，低風速區(qū)的高塔架技術已經(jīng)成為當前我國風電技術研發(fā)的又一重點方向，并且這一技術的應用范圍更為廣闊，能夠更好地滿足當前人們對電力資源的需要。

4 結束語

總而言之，我國風力資源較為豐富，風力發(fā)電技術的應用不僅可以有效提升我國風力資源的利用率，還能滿足人們對電力供應的需要。在新時期的發(fā)展過程中，為了使電力供應工作能夠更好地滿足“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展需要，合理應用風力發(fā)電技術，成為了推動我國電力行業(yè)及社會經(jīng)濟穩(wěn)定發(fā)展的重要工作。