新能源风力发电的发展思路探析
时间：2022-11-03 来源：博通范文网 本文已影响 人 
【摘 要】目前，由于风力发电具有成本较低、发展前景广泛、应用方便、可再生性好等优点，逐渐受到了各国专家学者的注意。近年来，我国风力发电技术发展较快，在各方面取得了重要科研成果，并成功投入应用。风力发电技术的应用对于环境污染的改善，化石燃料的节约都具有深远意义。因此，该文主要阐释了风力发电技术的工作原理以及风力机最佳运行原理，并在此基础上提出了调节风力发电机功率的几种方式，最后对风力发电系统控制技术的实际应用进行分析。
【关键词】新能源;风力发电;发展趋势
1 引言
为了更充分的利用风力能源，我国在风力发电技术方面发展的非常迅速。风力发电技术的进步推动了风力发电的广泛应用，也促进了我国风力发电厂的建设。但是风力发电的供电网络中心跟其他发电方式相比稳定性较弱，抵抗外界干扰的能力也比较差，不能受到过于大的冲击力。这就使得风力发电系统在发电过程中经常出现各种各样的问题，因此如何解决风力发电容易出现故障的技术性问题和提高风力发电电能质量问题便显得越来越重要。本文便是从解决风力发电稳定性较弱，抵抗能力较差的问题出发，不断的提高风力发电的质量，为风力发电在我国的更广泛的应用做保障。
2 风力发电及其控制技术的进展情况
2.1 风力发展的现状
中国拥有丰富的风能资源，全年风能资源总量32.26亿kW（地面以上10m风速大于5m/s），实际可开采量为10.4亿kW。根据我国的实际情况，新能源战略已经开始着重发展风电。因此我国风电发展前景相当可观，从现在到未来将保持高速发展的趋势，同时，随着风力发电技术的逐步成熟，风电行业的盈利能力也将稳步提高。根据中国工商业研究院发布的数据，截至2017年底，全球风电市场主要集中在5个国家：中国、美国、德国、印度和西班牙。其中，中国累计装机容量188392兆瓦，居世界第一，美国累计装机容量89077MW，居世界第二。与2007年前我国风电装机容量相比，近年来我国风电装机容量实现了质的飞跃。因为不断增加的装机容量，中国已成为了世界上最重要的风力发电国之一。
2.2 風力发电系统的控制
由于自然风在不同时期和不同气候条件下会出现不同风速和风向，所以有效地控制发电系统是一项重要的工作，首先需要有效地控制好机组内的切入和切出电网、对输出功率进行控制、并检测风轮是否出现运行故障、做好保护措施。风力发电系统的控制技术由之前的定桨距恒速运行技术发展至现在的变桨距变速运行技术，有了较大的突破和超越，达到了城市中基本的供电指标。在风力发电机组中关键的技术是机组功率的调节技术，包括主动失速、定桨距失速和变桨距调节等。当下，风力发电机组具备了变桨距变速运行技术，对风速和风向的变化进行控制，另外，风力发电控制系统不只是在机组内达到脱网、并网和调向控制的作用，还可以通过变距系统进一步管控好机组的运行速度和功率，从而确保风力发电机组的安全以及速度的加快，推动电力行业的快速发展。
3 互补发电系统
（1）风光互补发电系统。风力资源易受地形地势的影响，且与地域位置有关。我国的地域分布及季风气候决定我国冬季风能丰富而太阳能不足，夏季太阳能丰富而风能不足。因此，可以将二者进行很好结合，利用风光互补的发电结构解决风能发电和太阳能发电的随机性，实现电能输出的稳定。该系统尤其适用于风能和太阳能都较为丰富的地方，如：海岛、沙漠、草原、山区等。该系统还适用于小区和环境工程，如：路灯、观景灯、广告牌等。（2）风水互补发电系统。风水互补发电系统就是将风能发电系统与水能发电相结合的发电系统，当风能发电出现波动时，水电站可以迅速调节输出补偿风能发电。另外，在我国部分地域风能和水能在分布上具有时间互补性，例如我国的新疆、内蒙古、青海等地区，夏秋季风速弱，风力发电输出能力弱，但是这2个季节雨水量较大，水力发电可以补偿部分负荷。春冬季节，雨水量较低，水力发电输出能力较弱，但这2个季节风能较强，风力发电输出较大，能够对水力发电进行稳定性补偿。（3）风气互补发电系统。风气互补发电系统是指风力发电与燃气发电相互补偿。利用具有快速启停和快速调节负荷特点的燃气发电机补偿风力发电机输出的波动，使得整个发电系统的输出能力在一段时间内保持稳定。目前，风气互补发电系统在新疆地区已经得到了应用。
4 风力发电及其控制技术的研究
4.1 风轮的控制技术
①利用功率信号的反馈。利用功率信号的反馈进一步管控好风轮的功率信号，当风轮运行时，它们的功率与实际条件的改变是一致的，然后再对功率的关系作出分析，之后绘制出最大功率的曲线图，完成以上工作后接着做后面的工作。在实际操作时，还应该对比最大功率与系统中的实际输出功率，获取它们的差值大小，之后再进行风轮桨矩的调整工作，这样才有助于风轮的运行功率最大化。这种方式使成本无须花费过多，但是风机在正常运行时要获得最大功率曲线较为困难。②管控好叶尖速比。受到风力作用的影响，风轮中风叶尖端转动时具有线速度，并且将其称为叶尖速。其中叶尖速比表示为叶尖速与这个时间之内的风速形成的比值。对叶尖速比进行控制的主要方法是控制叶尖速比值，从而进一步改善风机的运行系统。因为风速不相一致，所以很难有效地确定出最合适的叶尖速比，应该适当地改变和调节叶尖速，并调节好风轮转矩，这样才能更好地调整风轮外边缘的速度，使叶尖速比得到优化处理。
4.2 风力发电中无功功率补偿技术与谐波消除技术
①无功功率补偿的技术。在感性元件的影响下，发电系统中一些无功功率呈现出消耗的状态，电压经过感性元件的时候，因为只是无功功率的消耗使得感性元件两边无电压变化，但是当电压较高时，经过感性元件的电流较大会给元件带来间接破坏。这时候，就要结合实际情况采取无功功率补偿技术，并且压抑住谐波作用。虽然无功功率补偿的应用很广，但还是存在一些不足。②谐波消除的技术。风机发电的时候，由于存在谐波就是整个电能的质量不高，也给电的电压及频率造成不良影响，使无功功率与有功功率间缺乏平衡，所以一定要把存在的谐波消除掉。具体开展过程中，因为谐波会影响风能的发电，首先，它会造成发电机的铁损和铜损，在发电机内产生超同步谐振的现象;电力设备在运行时，谐波会造成设备出现热故障，影响系统的正常运行等。而消除谐波可以从以下几个方面入手：第一，使用电力变流器和一些电力设备让相应的相位与谐波进行抵消;第二，适当调整电容器组，进而改变无功功率，从而减少谐波对无功功率的影响;第三，运用三角形的连接方式，这样能减少谐波的进入量。
4.3 风力发电储存技术
（1）新型电池储能技术。电池储能技术是最简单的电能储存方法，主要应用于单独运行的中小型风力发电机的电能储存，以便根据风况以及负荷的变化进行电能补偿。现在采用的电池主要有铅酸电池、钒电池、镍镉电池、钠硫电池、锂电池等。（2）水利蓄能技术。水利储能技术需要以丰富的水资源为前提，在风能过量时，利用风能带动水泵将水位提高，将电能转化为势能。在风能不足时，将高水位的水进行泄放，带动水力涡轮发电机发电，从而将势能转化为电能。（3）压缩空气蓄能技术。压缩空气蓄能技术是主要应用于干旱地区的风力发电储能技术。在风能过量时，利用风能带动压缩机，将空气压缩储存到金属器具内或者矿洞内，在风力不足或者负荷较大时，利用压缩空气带动涡轮机发电。
5 解决风力发电并网技术问题和提高电能质量控制的措施
由于系统内电力电子设备被广泛的应用非线性复合的不断增加以及高压直流通电得到普及，使得系统谐波日益严重。要控制电能质量，可以从抑制谐波的产生方面出发。而电抗器、可投电容器以及无功补偿设备都可以监控无功功率的波动以及变化，他们具有非常强的抑制谐波的功能。他们可以通过静电无功补偿依靠电机的旋转运动对电网中的无功、有功相角进行调节的方法，达到补偿的目的，从而使电压输出平稳，阻止谐波的产生，还可以降低风力不稳定对电能质量的影响。
5.1 动态电压恢复器的应用
在中低压配电网中，有功功率进行快速波动也会造成电压闪电的情况的发生。为了解决这种情况，就需要要求补偿装置在对无功功率进行补偿的同时，还有能够提供瞬时有功功率的补偿。动态电压恢复器是带有储能单元的补偿装置，他的出现取代了传统的无功补偿装置。能单元，能够在 ms 级内以正常电压和故障电压的差值，向系统注入电压，可以有效解决系统电压波动对客户的影响。动态电压恢复器能够在非常短的时间内向系统传输电压，可以有效的改善电能质量和动态电压，是解决电压波动、谐波等动态电压质量问题的最佳方法。
5.2 做好谐波抑制措施
在进行风力发电并网技术的应用时，想要提高电能质量控制效果，可以使用静止无功补偿器抑制谐波。静止无功补偿器可以对谐波危害问题进行有效的抑制，这种补偿器主要是由电抗器，谐波过滤装置和多台可投切电容器等共同构成。静止无功补偿器的最大特征就是具有非常强的反应能力，可以对无功功率进行实时监测，还能够实时的调整由于风速不稳定导致的电压变化，从而实现将谐波完全的滤除，从而不断的提高风力发电技术的应用，提升整体电网的电能供应质量。
5.3 统一电能质量控制器
对电能质量控制器进行统一，可以实现既对电压加以补偿，又对电流加以补偿的情况。统一电能质量控制器是典型的综合类补偿装置。该装置可以将串联并联补偿装置进行有效的融合，帮助用户解决综合补偿问题。这种补偿装置含有储能单元的串联、并联组合，不仅可以应用于配电系统的谐波补偿，还可以解决瞬时供电中断和电压波动等动态电压质量问题，不断的提高供电可靠性。
6 结束语
综上所述，随着国家社会经济的不断发展，我国的储存能源也在不断减少，环境也遭受到了一定程度的破坏，能源和环境问题日益突出，也越来越受到大家的关注，而风能作为我国的清洁能源之一，将其应用于发电技术中，遵循了我国绿色可持续发展理念，风力发电技术也成了我国最为常见的发电技术之一。目前，我国的风力发电主要有陆地风力发电和海上风力发电 2 类，给我国经济社会发展和人类生活提供了所需的电力。但是，由于我国的风力发电系统控制技术还存在着较大缺陷，导致我国风力发电效率较低，极大地影响了我国风力发电技术的进一步发展。所以，为了提高我国的风力发电技术，必须要加强对风力发电系统控制技术的研究。
参考文献：
[1] 周红梅，王欣.风力发电系统的鲁棒控制研究[J].农村牧区机械化，2018（05）：13-14.
[2] 马苗苗，邵黎阳，潘军军，于少远.风光互补发电系统的监督预测协调控制[J].中南大学学报（自然科学版），2018，49（10）：2602-2609.
[3] 陈星亮，马广东，程玮，姜策文，刘鑫，于晶.风力发电控制系统中现代化信息化控制技术的应用策略[J].科学技术创新，2018（30）：39-40.
[4] 于晶，马广东，刘鑫，程玮，姜策文，陈星亮.我国风力发电发展存在的问题及健康发展策略[J].科學技术创新，2018（30）：143-144.
（作者单位：中广核陕西潼关风力发电有限公司）
