新能源風(fēng)力發(fā)電及其功率控制探討

新能源風(fēng)力發(fā)電及其功率控制探討

Summary：風(fēng)力發(fā)電是新興發(fā)電方式的一種，發(fā)電過程綠色經(jīng)濟(jì)，符合我國綠色發(fā)展戰(zhàn)略。伴隨全球各項(xiàng)資源的緊缺形勢，新能源開發(fā)與利用得到廣泛關(guān)注。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在這一背景下應(yīng)運(yùn)而生。目前風(fēng)力發(fā)電的主流是變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)，變速恒頻直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)具有穩(wěn)定性優(yōu)勢。使用直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)系統(tǒng)同時(shí)也提高了整體系統(tǒng)的可靠性，滿足低壓穿越要求。風(fēng)力發(fā)電在我國的應(yīng)用規(guī)模也日益擴(kuò)張，占整體發(fā)電規(guī)模近百分之四十。因此進(jìn)一步研究風(fēng)力發(fā)電技術(shù)以及功率控制策略，對于我國當(dāng)前能源危機(jī)問題有顯著意義?；诖?，本文從新能源風(fēng)力發(fā)電簡述展開分析，探究了相關(guān)優(yōu)勢以及主要技術(shù)，提出概率控制策略以供參考。Keys：新能源；風(fēng)力發(fā)電；功率控制；討論引言：新能源風(fēng)力發(fā)電經(jīng)過長時(shí)間的發(fā)展，已逐步趨于完善。所以在發(fā)電領(lǐng)域應(yīng)高度重視風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用，利用可再生資源滿足生產(chǎn)生活對電能的需求。風(fēng)力發(fā)電因它具有清潔環(huán)保、運(yùn)維成本低等優(yōu)勢被廣泛運(yùn)用，新增裝機(jī)大幅上升，發(fā)電技術(shù)水平也不斷提升。伴隨著碳達(dá)峰碳中和總體目標(biāo)及其規(guī)劃新能源消納體系明確提出，風(fēng)力發(fā)電企業(yè)迎來里程碑式的發(fā)展契機(jī)，將充分發(fā)揮中堅(jiān)力量，扮演未來新能源系統(tǒng)中的重要角色。這對于國家來講，不論是減輕能源問題或是維護(hù)原生態(tài)環(huán)境都有著實(shí)際意義。一、新能源風(fēng)力發(fā)電簡述新能源風(fēng)力發(fā)電指通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能的技術(shù)。風(fēng)力發(fā)電過程是由機(jī)械動(dòng)能將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能的一個(gè)過程。這一過程由葉輪完成，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)以及自動(dòng)控制系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)由多個(gè)構(gòu)件構(gòu)組成，一般包含葉片、輪圈、發(fā)電機(jī)、主軸軸承、變槳設(shè)備、自動(dòng)控制系統(tǒng)以及塔架等（如圖1）。具體來講，葉輪設(shè)備是把風(fēng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械動(dòng)能的裝置。風(fēng)能推動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生機(jī)械能。為了能充足利用風(fēng)能，還可以在葉輪后邊安裝一個(gè)方向標(biāo)尾舵來分析風(fēng)頻。依據(jù)風(fēng)頻變化可以調(diào)節(jié)葉輪方向，使葉輪在風(fēng)向上運(yùn)作，充分保證葉輪最大功率機(jī)械動(dòng)能。塔架是支撐點(diǎn)葉輪、尾舵和發(fā)電機(jī)設(shè)備的架構(gòu)。塔的相對高度應(yīng)該根據(jù)路面阻礙物對風(fēng)力的影響以及葉片的孔徑來決定，以確保塔的高度能夠滿足葉輪設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)電機(jī)則是將恒定機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，發(fā)電效率較高。只有在各部位融洽運(yùn)作的狀況下，才能保證風(fēng)力發(fā)電保持較高效率。圖1二、新能源風(fēng)力發(fā)電優(yōu)勢風(fēng)力發(fā)電在近些年來已經(jīng)取得迅猛發(fā)展，全世界風(fēng)電裝機(jī)容量己達(dá)四千億MW。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)能被普及推廣推廣與它的作用是分不開的。風(fēng)力發(fā)電操作步驟簡便，并且建設(shè)占地面積小。風(fēng)能資源儲(chǔ)量豐富，如加強(qiáng)對風(fēng)能的開發(fā)與利用，未來有可能會(huì)替代火力發(fā)電，并能滿足大多數(shù)對用電需求大的大國。同時(shí)，風(fēng)能是可再生能源，風(fēng)力發(fā)電有足夠的能源支持?，F(xiàn)階段，地球上的可利用的不可再生能源如煤碳、原油等日益減少，若干年后便會(huì)匱乏，但風(fēng)能則可無盡利用。其次，風(fēng)力發(fā)電環(huán)保效益高。發(fā)電過程不產(chǎn)生二氧化碳等氣體，減少世界二氧化碳排放量，有益于全世界生態(tài)環(huán)境的維護(hù)。同時(shí)，我國大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。從宏觀經(jīng)濟(jì)政策方面減少煤炭能源用量，緩解了資源困境[1]。最后，風(fēng)力發(fā)電低投資收益快。成本低廉可靠性高，一村便可修建小型風(fēng)力發(fā)電裝置。倘若有大型風(fēng)力發(fā)電場需要建設(shè)，可國家實(shí)行、團(tuán)體或個(gè)體企業(yè)承擔(dān)修建責(zé)任合伙完成，幾年內(nèi)就可以收回投資成本。此外，風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目工程施工周期短，裝機(jī)規(guī)模靈活簡便，在風(fēng)能充沛的地區(qū)能用有限的時(shí)間創(chuàng)建風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，能用最短的時(shí)間將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成所需電能，組裝一臺(tái)就能建成投產(chǎn)一臺(tái)。風(fēng)力發(fā)電的特征總結(jié)來說便是電力能源充裕，使用方便，成本費(fèi)用低且零污染。為了進(jìn)一步優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電規(guī)模，減少投入設(shè)備的浪費(fèi)情況，領(lǐng)域?qū)I(yè)人員已經(jīng)加大了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的容量研究，單機(jī)容量已經(jīng)向著5MW以上發(fā)展。但是國際容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于我國，因此從研究表明未來的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將會(huì)向20MW以上發(fā)展。三、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究目前風(fēng)力發(fā)電具有兩種運(yùn)行方式，分別是獨(dú)立運(yùn)行的離網(wǎng)運(yùn)行電和接入電力系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行。離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電規(guī)模較小，與其他技術(shù)結(jié)合可為偏遠(yuǎn)地區(qū)供電。并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電發(fā)電容量較大，通常為幾兆瓦到幾百兆瓦，可以得到大電網(wǎng)的補(bǔ)償和支撐，可使風(fēng)資源的利用更加充分。因此風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)是一項(xiàng)主流技術(shù)。并網(wǎng)技術(shù)主要是以分布式系統(tǒng)連接技術(shù)和集中化連接技術(shù)為主導(dǎo)。分布式系統(tǒng)連接技術(shù)更適宜運(yùn)用在一些經(jīng)營規(guī)模比較小的風(fēng)力發(fā)電場中，在10kV或者35kV的電力網(wǎng)中運(yùn)用效果最佳。這種電網(wǎng)建設(shè)時(shí)存在一定的滲透性，選用分布式發(fā)電方式連接電網(wǎng)系統(tǒng)，每一個(gè)開關(guān)電源點(diǎn)容積比較小，可以確保電力網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。集中化連接技術(shù)在一些規(guī)模龐大及遠(yuǎn)距離傳送電力工程的風(fēng)電中較為適用。經(jīng)過變電器變換將電壓升高，憑借電力線路把它傳至終端設(shè)備[2]。選用集中連接技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)大中型風(fēng)力發(fā)電場或者多個(gè)風(fēng)力發(fā)電場電能集中化運(yùn)輸。在具體新能源風(fēng)力發(fā)電中，合理運(yùn)用無功補(bǔ)償及諧波電流清除技術(shù)具備重要價(jià)值，是保證發(fā)電系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中，受相對應(yīng)器件影響能夠及早發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)具體的無功功率耗費(fèi)狀況，運(yùn)轉(zhuǎn)電壓也根植于全部磁感應(yīng)過程。假如電壓非常高，磁感應(yīng)器的電流量會(huì)給元器件造成影響。因而，科學(xué)地選用無功補(bǔ)償技術(shù)可以有效的整治諧波電流。除串聯(lián)諧振試驗(yàn)技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用外，全部風(fēng)力發(fā)電環(huán)節(jié)中都會(huì)發(fā)生諧波電流問題。如果出現(xiàn)了諧波電流問題，將導(dǎo)致電能質(zhì)量分析差[3]。因而，選用消諧技術(shù)，選用輸出功率逆變電路以及相關(guān)機(jī)器設(shè)備來高效地清除諧波電流很有必要。最后及時(shí)糾正電容器組，可以有效提升無功功率，控制諧波電流產(chǎn)生的影響，確保風(fēng)力發(fā)電的總體技術(shù)進(jìn)一步提高。四、新能源風(fēng)力發(fā)電功率控制對策（一）發(fā)電機(jī)變槳距控制方法風(fēng)力發(fā)電發(fā)電機(jī)組在使用在結(jié)構(gòu)上依據(jù)風(fēng)輪葉片和輪圈可分為定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)和變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)。定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)將葉片固定在輪圈上，操作過程中漿葉一般不會(huì)變動(dòng)。變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)在日常運(yùn)作時(shí)，需要處理風(fēng)速變化，調(diào)節(jié)輸出功率和風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)備制動(dòng)系統(tǒng)。主要表現(xiàn)在變槳距風(fēng)力發(fā)電設(shè)備在葉片和輪圈中間選用非剛性聯(lián)接方法，那樣葉片就能在運(yùn)轉(zhuǎn)過程根據(jù)節(jié)徑的變化角度，以此控制輸出功率[4]。同時(shí)，在風(fēng)速太大超過風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)備切出風(fēng)速力時(shí)，會(huì)自動(dòng)停止運(yùn)行，漿葉在風(fēng)力發(fā)電機(jī)停止運(yùn)行時(shí)維護(hù)發(fā)電機(jī)使其不受損害。（二）風(fēng)速控制方法

調(diào)速方式在切入風(fēng)速與額定風(fēng)速發(fā)生變化的情況下，能追蹤最佳功率曲線獲取最大功率。（1000w風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率曲線技術(shù)參數(shù)如表1）風(fēng)速操縱的實(shí)際步驟首先需在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)時(shí)，復(fù)位整體系統(tǒng)，并把槳距角β初值設(shè)為0，判斷此時(shí)的風(fēng)速。接著，分辨風(fēng)速與切入風(fēng)速標(biāo)值，若風(fēng)速大于等于切入風(fēng)速，則風(fēng)電發(fā)電機(jī)開始運(yùn)作。在進(jìn)入風(fēng)速與額定值風(fēng)速間的風(fēng)速變化前提下，明確選用調(diào)速操縱的形式進(jìn)行，可以結(jié)合轉(zhuǎn)速比數(shù)據(jù)信號與驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)信號，經(jīng)減速箱對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速給定值進(jìn)行對比，從而形成一個(gè)適合于跟蹤功率曲線變動(dòng)的閉環(huán)反饋全自動(dòng)控制系統(tǒng)。完成對風(fēng)力系數(shù)統(tǒng)計(jì)，獲取最大功率。表1風(fēng)速m/s3456789101112輸出功率P（w）2065130240390580825110013001380風(fēng)速m/s13141516171819202122輸出功率P（w）138013501310125511851095990875735570（三）偏航控制方法利用風(fēng)速矢量方向變動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電發(fā)動(dòng)機(jī)艙方位，從而使風(fēng)力發(fā)電發(fā)動(dòng)機(jī)艙能夠迅速指向風(fēng)頻，獲得最大的風(fēng)能對風(fēng)設(shè)備，稱之為偏航控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的作用完成是由風(fēng)輪推動(dòng)風(fēng)力發(fā)電發(fā)動(dòng)機(jī)艙的偏向傳動(dòng)齒輪進(jìn)行工作，當(dāng)與風(fēng)頻完成指向后終止風(fēng)輪裝運(yùn)，完成對風(fēng)動(dòng)作。偏航控制系統(tǒng)的構(gòu)造涵蓋滾動(dòng)軸承、驅(qū)動(dòng)設(shè)備及其控制設(shè)備，而控制設(shè)備也是由風(fēng)向傳感器、偏航控制板及其解纜傳感器組成[5]?，F(xiàn)階段比較完善的控制系統(tǒng)分成主動(dòng)和被動(dòng)式兩類。從技術(shù)的可行性分析分，小型發(fā)電機(jī)組一般會(huì)使用被動(dòng)式，而大型發(fā)電機(jī)組則選用主動(dòng)型，這是因?yàn)轱L(fēng)向儀的專業(yè)技術(shù)精密度所決定的。偏航控制系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)關(guān)鍵部分。一般由偏航滾動(dòng)軸承、偏航制動(dòng)系統(tǒng)、偏航驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、偏航基數(shù)器、偏航液壓回路及其扭纜維護(hù)等組成，讓風(fēng)輪一直處于迎風(fēng)狀態(tài)，提高發(fā)電效率確保發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)安全穩(wěn)定。五、結(jié)語時(shí)代發(fā)展過程科學(xué)技術(shù)也會(huì)日益先進(jìn)，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)進(jìn)步范疇也會(huì)隨之?dāng)U張。因此，風(fēng)力發(fā)電行業(yè)須對發(fā)電技術(shù)進(jìn)一步升級，健全管理制度不斷改革創(chuàng)新。綜合而言，風(fēng)電力能源與傳統(tǒng)能源對比，具備開發(fā)費(fèi)用低、環(huán)境保護(hù)效益明顯、安全性高及其可再生等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了能源領(lǐng)域的高度關(guān)注，被作為主要的新能源去開發(fā)利用。風(fēng)力發(fā)電用風(fēng)速來推動(dòng)機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生滿足社會(huì)生產(chǎn)的電量，在發(fā)電量過程會(huì)受到機(jī)械系統(tǒng)限制，因此探究控制功率的策略勢在必行。Reference

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