关于新能源风力发电相关技术之研究

刘 燕

（大唐新能源甘肃公司，甘肃 兰州 730000）

新能源具有可再生的特点，不仅能量密度相对较低，而且开发利用空间非常大。尤其是新能源中的风能，它的蕴藏量非常大，约为水能的10倍左右，并且分布广泛，基本不会枯竭。风力发电是风能的主要利用形式，国家在最近几年加大了风电技术的研究力度，取得了一定的成绩。借此，重点对新能源风力发电相关技术展开研究。

1 新能源风力发电的技术原理分析

风力发电是将风能转化机械能，再由机械能转化为电能的一种新型发电技术。风力发电的原理如下：通过自然风力带动风车扇叶旋转，利用增速机加快扇叶旋转速度，进而产生电能。风力发电机组是实现风力发电的关键设备，主要由风轮装置、发电机、塔架构成，各构成部位的运行原理如下。

1.1 风轮装置

风轮装置是将风能转化为机械能的装置，风能带动螺旋桨形状的桨叶转动，桨叶转动产生机械能。为实现对风能的充分利用，可在风轮后安装风向标尾舵，用于观测风向，根据风向的变动对应调整风轮方向，使风轮对准风向运转，确保风轮产生最大功率机械能。

1.2 塔架

塔架是支撑风轮、尾舵、发电机的构架，塔架高度需要根据地面障碍物对风速的影响，以及风轮扇叶直径大小进行确定，以保证塔架的高度位置能够满足风轮装置的运行要求。

1.3 发电机

发电机是将风轮装置输送的恒定机械能转化为电能的装置。小型发电系统由发电机和变流器构成，具备较高的发电效率。对于风力发电系统而言，不仅包含发电机头，而且还包括转体、尾翼、叶片等部位，只有在各部位协调运作下，才能保证风力发电效率。其中，机头将叶片受风力作用产生的机械能转化为电能；尾翼用于调节风向，保证发电机获取最大风力；转体是尾翼转动装置，用于尾翼调整转向，在转体中通常使用永磁体或励磁体转子；用定子绕阻对磁力线进行切割，可将机械能转化为电能。

2 新能源风力发电的关键技术

2.1 风功率预测技术

风功率预测是风力发电中一项较为重要的技术，由于预测周期和预测模型的不同，预测方法也有所区别，具体如表1所示。

表1 预测方法分类

（1） 按预测周期分类。由表1可知，按照预测周期的长短不同，可将风电功率预测分为以下几种方法：超短期、短期和中长期，其中，超短期可在风电的实时调度环节进行运用；短期预测可在机组组合以及备用安排方面进行应用；中长期预测可在检修及风资源评测中应用。

（2） 按预测模型分类。按照预测模型的不同，可将风电功率预测技术分为物理法、统计法以及组合模型三种。

①物理法。该方法主要是依据气象结果，对风电场周围的天气情况进行模拟，根据预测到的相关信息，具体包括风向、风速、气压、空气密度等，构建预测模型，结合机组的功率曲线，对风电功率进行预测。由于风速的变化无任何规律可循，所以预测结果常常会存在一定的误差。

②统计法。该方法是依托数学工具，找出现有与将要预测数据之间的函数关系，可将之视作为数据挖掘过程，从挖掘中发现规律，获得预测结果。应用统计法对风电功率进行预测时，需要以相应的算法作为支撑，常用的有两种，一种是时间序列算法，另一种是机械学习算法。

③组合模型。由于各种预测方法都存在优点和不足，为获得更加准确的预测结果，可将不同的方法结合到一起应用，据此构建组合模型，通过取长补短的方式，提高预测结果的准确性。

2.2 风电机组功率调节技术

对于整个风力发电系统而言，风力发电机的功率大小至关重要，由此使得功率调节成为不可或缺的关键技术之一。风力发电机组需要通过捕获风能，转换为机械能进行发电，由于受到机组上各个零部件的机械强度、容量等方面的限制，需要通过减少对风能的捕获使机组的功率始终保持在额定值附近，从而确保风力发电机的运行安全。在对风电机组的功率进行调节时，常用的控制技术有以下几种。

（1） 定桨距失速控制技术。这种控制方式的基本原理是将螺距风机叶片与轮毂进行刚性固定连接，其特点是结构简单、性能稳定，唯一的不足是叶片顶角无法按照风速的变化情况进行实时调整。定桨距失速控制技术是以叶片的空气动力学作为基础，由此可使涡轮机的输出功率随着外界风速的变化而发生改变。实际应用中发现，如果在标称风速下，通过该技术很难实现风能利用效率最大化的目标，若是在低于标称风速的条件下，则风能的利用效率会随之降低。

（2） 变桨距控制技术。所谓的变桨距实质就是对桨距角进行调节，通过改变角度的大小，达到调节风电机组输出功率的目的。风电机组在运行的过程中，当输出功率小于额定功率时，在变桨距控制技术下，桨距角会保持在零度位置处不变，此时无须进行调节；如果受到一些外界因素的影响，导致输出功率超过额定功率，调节系统便会按照输出功率的变化情况，对桨距角的大小进行调整，从而使风电机组的输出功率维持在额定功率，此时的控制系统会参与调节，进而形成闭环控制。变桨距控制是一种主动型控制技术，该技术在风电机组中的运用，能够有效克服桨距被动失速调节的缺点。变桨距控制技术还具备如下优点：当风轮开始旋转后，较大的正桨距角能够产生较大的启动力矩，而在停机时，桨距角会维持在90°，由此可使风轮的空转速度达到最小。

2.3 风电无功电压自动控制技术

该技术主要是由多个系统共同参与实现自动化控制的一种方法，具体包括风电无功电压自动控制子站及相关的监控系统等。其中子站可作为模块集成到综合监控系统中，也可采用外挂的方法使其独立运行，其负责对风电场内设备的无功电压运行状态进行监视，利用通信线路将调节设备的无功电压控制指令发给相应的监控系统。系统的控制方式有两种，一种是远方控制，另一种就地控制。在远控模式下，子站会自动对无功电压控制目标进行追踪，而在就地控制模式下，子站可按预先给定的并网点电压目标曲线进行控制。子站的运行及控制状态可以通过人工进行设置，同时，风电场内的各类控制设备可通过人工进行闭锁和解锁，设备的投退则可由系统自动控制。当电网处于稳定运行状态的条件下，子站能够对风电机组的无功调节能力进行充分利用，实现调节电压的目标，若是机组的无功调节能力不足，则会由动态无功补偿装置完成无功调节。此外，子站能够对风电机组与无功补偿状态进行协调，从而有效避免了无功的不合理流动。

3 结语

综上所述，风力发电是新能源中的风能在电力领域中的典型应用，为使风力发电的作用得以全面发挥，应当对与之相关的技术进行研究，在此基础上加以合理的运用，从而进一步提升风力发电效率。这对于推动我国风电事业的发展具有重要的现实意义。