考慮尾流效應(yīng)的風(fēng)電場減載出力優(yōu)化控制

考慮尾流效應(yīng)的風(fēng)電場減載出力優(yōu)化控制近年來，隨著風(fēng)電行業(yè)的不斷發(fā)展，風(fēng)電場逐漸成為一種重要的可再生能源，越來越受到人們的關(guān)注。然而，在風(fēng)力機組的運行過程中，要面臨不同風(fēng)速帶的不同風(fēng)速工作。而在一些大型風(fēng)電場中，風(fēng)機的密度很高，尾流效應(yīng)將使得下風(fēng)風(fēng)機受到影響，導(dǎo)致發(fā)電效率降低，甚至損壞發(fā)電設(shè)備。因此，減載出力優(yōu)化控制成為了風(fēng)電場優(yōu)化管理的重要手段之一。本文將探討如何考慮尾流效應(yīng)進行減載出力優(yōu)化控制，提高風(fēng)電場的效益和穩(wěn)定性。

一、尾流效應(yīng)及其影響

尾流是指高速運動的空氣流到與其平行的靜止物體后所形成的一種能量損失的空氣流動現(xiàn)象。在風(fēng)電場中，由于風(fēng)向與地面大體平行，風(fēng)力機組受到風(fēng)的影響后，會形成尾流。尾流由高速流在下方渦核兩側(cè)的渦街和低速流兩部分構(gòu)成，隨著距風(fēng)機的遠(yuǎn)近，尾流逐漸擴散。

尾流的形成會對下風(fēng)風(fēng)機產(chǎn)生影響，降低下風(fēng)風(fēng)機的產(chǎn)電和葉片的壽命。具體表現(xiàn)為：

（1）降低下風(fēng)風(fēng)機的產(chǎn)電量：下風(fēng)風(fēng)機由于處于前一臺風(fēng)機的尾流區(qū)域內(nèi)，收到了前一臺風(fēng)機吸走的部分風(fēng)能。由于空氣的不可壓縮性，這些被吸走的風(fēng)量等于后一臺風(fēng)機的風(fēng)量，即下風(fēng)風(fēng)機的生成能力減小，左右相當(dāng)于實現(xiàn)了減載。

（2）影響葉片的壽命：尾流導(dǎo)致了下風(fēng)風(fēng)機背面的非常規(guī)進風(fēng)方向，造成了垂直軸向的風(fēng)接觸。這種風(fēng)接觸使得下風(fēng)風(fēng)機部分的葉片受到振動和產(chǎn)生疲勞，從而降低了風(fēng)機的壽命。

綜上所述，尾流效應(yīng)對風(fēng)電場運行造成了不小的影響，因此，必須要采取一定的措施進行控制和優(yōu)化。

二、減載出力優(yōu)化控制

在風(fēng)電場中，減載出力優(yōu)化控制是一種重要的措施，可以有效地緩解尾流效應(yīng)對下風(fēng)風(fēng)機的影響，提高風(fēng)電場的效益。具體來說，減載出力優(yōu)化控制可以通過降低前一臺風(fēng)機的功率來減小其尾流區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速，從而減少下風(fēng)風(fēng)機的受影響范圍。一般來說，減載出力優(yōu)化控制的原則是盡可能地保證風(fēng)電場的總發(fā)電量不受影響。

在實踐中，減載出力優(yōu)化控制主要包括兩種方法：一種是基于功率的減載控制，另一種是基于葉尖速度的減載控制。

1.基于功率的減載控制

該控制方法主要是通過對前一臺風(fēng)機進行減載，以降低其功率輸出，從而減小尾流影響的范圍。具體來說，該控制方法根據(jù)風(fēng)電場實際情況，通過改變前一臺風(fēng)機的轉(zhuǎn)速、葉片角度等方式進行減載，以保證風(fēng)電場的總發(fā)電量不受影響。該方法具有實現(xiàn)簡單、控制精度高等優(yōu)點，但需要前提是在風(fēng)電場的實施中具有一定的重要條件，如前一臺風(fēng)機的轉(zhuǎn)速、氣動參數(shù)等。

2.基于葉尖速度的減載控制

該控制方法主要是通過監(jiān)測風(fēng)機葉片尖速度，實時計算前一臺風(fēng)機在下風(fēng)方向的功率輸出，從而對前一臺風(fēng)機進行減載。該方法具有對風(fēng)場動態(tài)響應(yīng)能力強、控制精度高等優(yōu)點，但需要采用一些先進的控制算法，并且需要更為詳細(xì)的風(fēng)電機械系統(tǒng)、風(fēng)能優(yōu)化管理等理論支持。

三、總結(jié)

在風(fēng)電場中，尾流效應(yīng)是一個廣泛存在的現(xiàn)象，對風(fēng)電場的發(fā)電效率和穩(wěn)定性造成重要影響。因此，必須采取一定的措施進行控制和優(yōu)化。減載出力優(yōu)化控制是解決尾流問題的一種重要方法，通過對前一臺風(fēng)機進行減載，可以有效地減小尾流影響的范圍，提高風(fēng)電場的效益和穩(wěn)定性。針對不同的風(fēng)電機組類型和工況，需要采用不同的控制策略。相信未來隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，風(fēng)電場的減載出力優(yōu)化控制將會越來越成熟，更好地滿足人們對風(fēng)電能源的需求。本文將從以下四個方面探討風(fēng)電的相關(guān)數(shù)據(jù)并進行分析：全球風(fēng)電裝機容量、風(fēng)電在全球能源中的占比、風(fēng)電場效益與成本、以及中國風(fēng)電的發(fā)展情況。

一、全球風(fēng)電裝機容量

截至2021年8月，全球累計風(fēng)電裝機容量已經(jīng)達到750.2萬兆瓦，其中歐洲、亞洲和北美洲為世界上三個裝機容量最高的地區(qū)，分別為212.6萬兆瓦、253.7萬兆瓦和123.5萬兆瓦，這三個地區(qū)合計占據(jù)全球風(fēng)電裝機容量的82.7%。

從國家/地區(qū)來看，中國在全球風(fēng)電裝機容量中占據(jù)了重要位置，其累計風(fēng)電裝機容量已經(jīng)超過了第二名的美國。目前，中國的累計風(fēng)電裝機容量為295.1萬兆瓦，占據(jù)全球裝機容量的39.3%。

二、風(fēng)電在全球能源中的占比

截至2020年，全球可再生能源發(fā)電總?cè)萘繛?806萬兆瓦，其中風(fēng)電占比最高，達到了24.9%，其次是水力發(fā)電和太陽能發(fā)電。

從國家/地區(qū)來看，丹麥?zhǔn)侨蜃钜蕾囷L(fēng)力發(fā)電的國家，其2019年的總電量有48%來自風(fēng)力發(fā)電。其他風(fēng)電發(fā)達國家，如德國、西班牙和葡萄牙等，也都在積極推動風(fēng)電的發(fā)展。

三、風(fēng)電場效益與成本

風(fēng)電場的效益和成本是衡量其可持續(xù)性的重要因素。目前，在技術(shù)發(fā)展和政策支持的推動下，風(fēng)電場的成本逐年降低。根據(jù)美國能源信息局（EIA）的數(shù)據(jù)，2010年時全球風(fēng)電的平均成本為每千瓦小時0.28美元，到了2020年則下降到了0.06美元，降幅高達79%。

風(fēng)電發(fā)電效率的提升和成本的降低，意味著風(fēng)電場的效益有望得到提高。根據(jù)美國國家可再生能源實驗室（NREL）的數(shù)據(jù)，風(fēng)電場的發(fā)電成本越來越接近傳統(tǒng)燃煤或燃?xì)獍l(fā)電廠的成本，具備更好的投資回報率。此外，風(fēng)電場的效益還受到風(fēng)資源、場址選擇、機型選用等因素的影響。在實際應(yīng)用中，需要進行更加詳細(xì)的經(jīng)濟評估。

四、中國風(fēng)電的發(fā)展情況

中國是全球最重要的風(fēng)電市場，也是最大的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)制造國。在風(fēng)電發(fā)展的初期，中國主要依賴進口技術(shù)。但隨著技術(shù)的不斷進步和國產(chǎn)化的加強，中國的風(fēng)電技術(shù)得到了快速發(fā)展。

從累計裝機容量來看，2010年時中國的累計風(fēng)電裝機容量僅為21.1萬兆瓦，到2020年已經(jīng)超過了295.1萬兆瓦，年均增長率超過了20%。在2019年，中國新增風(fēng)電裝機容量為26.4萬兆瓦，占全球新增裝機容量的45.7%。不僅如此，中國目前正在積極推動風(fēng)電的深度融合，包括新技術(shù)的應(yīng)用、對電網(wǎng)的適配、機組的智能化等各個方面，以應(yīng)對風(fēng)電場在大規(guī)模接入電網(wǎng)、儲能、系統(tǒng)管理等方面的挑戰(zhàn)。

總體而言，風(fēng)電是全球可再生能源的重要組成部分，其發(fā)展前景廣闊。風(fēng)電場的效益和成本也在逐年提高，相信在技術(shù)和政策的支持下，風(fēng)電的發(fā)展勢頭將持續(xù)強勁。本文將選取兩個國家的風(fēng)電發(fā)展案例，分析其發(fā)展?fàn)顩r、問題及對策，并總結(jié)出風(fēng)電發(fā)展的關(guān)鍵成功因素。

案例一：丹麥的風(fēng)電發(fā)展

丹麥?zhǔn)侨蜃钜蕾囷L(fēng)力發(fā)電的國家，其2019年總電量有48%來自風(fēng)力發(fā)電。事實上，丹麥早在20世紀(jì)80年代就開始大規(guī)模發(fā)展風(fēng)力發(fā)電，并在多年的嘗試和試錯后，形成了一整套可持續(xù)發(fā)展的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈。

發(fā)展?fàn)顩r

截至2020年底，丹麥共有28個風(fēng)電場，累計裝機容量達到了6.56GW，占全國電力裝機容量的30%。其中，5.5GW為海上風(fēng)電產(chǎn)能，占據(jù)全球海上風(fēng)電市場35%的份額。

問題及對策

盡管丹麥的風(fēng)電發(fā)展相當(dāng)成功，但仍存在以下問題：

1.電力價格較高。由于風(fēng)電場對基礎(chǔ)設(shè)施要求嚴(yán)格，對風(fēng)能資源的依賴性高，以及存儲鋰電池的代價高昂等原因，使得丹麥的電力價格相對較高。

對策：政府通過打造綠能生態(tài)系統(tǒng)并促進企業(yè)參與，推廣清潔能源，從而降低電價。

2.天氣不確定性。丹麥因地處極地氣候帶，天氣變化不確定，風(fēng)速也變化較大，導(dǎo)致風(fēng)能利用率變化不穩(wěn)定，影響風(fēng)電的效益和貢獻。

對策：丹麥政府鼓勵發(fā)展儲能技術(shù)，利用高水平彌補風(fēng)速變化的影響，推廣清潔能源技術(shù)，以及通過將天氣預(yù)報技術(shù)與風(fēng)能利用技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)高效利用。

案例二：中國的風(fēng)電發(fā)展

中國是全球最重要的風(fēng)電市場，也是最大的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)制造國。在風(fēng)電發(fā)展的初期，中國主要依賴進口技術(shù)。但隨著技術(shù)的不斷進步和國產(chǎn)化的加強，中國的風(fēng)電技術(shù)得到了快速發(fā)展。

發(fā)展?fàn)顩r

截至2020年底，中國的累計風(fēng)電裝機容量已經(jīng)超過了295.1萬兆瓦，年均增長率超過了20%。中國目前正在積極推動風(fēng)電的深度融合，包括新技術(shù)的應(yīng)用、對電網(wǎng)的適配、機組的智能化等各個方面，以應(yīng)對風(fēng)電場在大規(guī)模接入電網(wǎng)、儲能、系統(tǒng)管理等方面的挑戰(zhàn)。

問題及對策

然而，中國的風(fēng)電發(fā)展也存在以下問題：

1.地域不均衡。中國一些地區(qū)的風(fēng)能資源充足，但另一些地區(qū)的風(fēng)能資源缺乏，導(dǎo)致風(fēng)電發(fā)展的地域不均衡。

對策：政府加大對風(fēng)電行業(yè)的支持力度，引導(dǎo)風(fēng)電企業(yè)在風(fēng)能充沛的地區(qū)加速項目開發(fā)，并推行跨省/市的跨區(qū)配網(wǎng)合作，以實現(xiàn)更大范圍的風(fēng)電資源優(yōu)化和集中利用。

2.電力消納難度大。由于風(fēng)電場分布較廣，且風(fēng)速變化、輸出不穩(wěn)定，導(dǎo)致電力消納難度大，增加市場風(fēng)險。

對策：政府推動電網(wǎng)升級，并通過智能化管理、加強負(fù)荷響應(yīng)等技術(shù)手段，提高風(fēng)電場的消納能力，以保證風(fēng)電場的電力能夠高效地送入電網(wǎng)，滿足國家對清潔能源利用的要求。

關(guān)鍵成功因素

綜合以上兩個案例，我們可以發(fā)現(xiàn)，推動風(fēng)電發(fā)展并取得成功，關(guān)鍵的因素包括：

1.強有力的政策支持。政府必須出臺有利于風(fēng)電發(fā)展的政策，強化政策的實施和管理，鼓勵企業(yè)和民眾積極參與和支持風(fēng)電的發(fā)展。

2.可持續(xù)的產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)。要建立完整的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈，從風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的制造、運輸、安裝及維護到電力的輸變電設(shè)施建設(shè)等各個環(huán)節(jié)都需要建設(shè)完整的產(chǎn)業(yè)鏈。

3.技術(shù)創(chuàng)新和工程實踐。風(fēng)電技術(shù)的不斷創(chuàng)新和實踐，是推動風(fēng)電發(fā)展的關(guān)鍵