黄福雨

摘 要：风力发电是当前可再生能源领域中最成熟、最有商业化发展前景的发电方式之一。随着风力发电相关技术的不断成熟、设备的不断升级， 我国风力发电行业取得了突飞猛进的发展。截至2020年年底，我国风电装机2.81亿千瓦，新增并网装机7167万千瓦，其中陆上风电新增装机6861万千瓦、海上风电新增装机306万千瓦。经过十几年的快速发展，我国风力发电行业取得了前所未有的成绩，对于风力发电机组发电性能的要求也越来越高， 所以针对发电能力相对较低的机组，急需找到优化其发电能力的方法，本文通过对风力发电机组发电能力的分析，探讨了影响风机发电能力的原因，研究提升风力发电机发电能力的方法。

关键词：风力发电;机组发电;性能分析

前言

资源及能源的庞大消耗是摆在人类发展面前的巨大问题，在我国，快速发展一度导致了严重的环境污染问题，经过长时间的治理才最终得到了令人满意的结果，而目前面对能源的短缺，新时代如何更好地利用清洁能源，是发展的重要课题。风力发电技术在我国多年的攻关下取得了较大的发展，开始成为清洁能源的重要组成部分，本文将阐述目前我国应用的风力发电技术以及风力发电的控制技术，并分析其中的优势，对未来的发展进行展望，为我国的风力发电事业提供理论支持。

1 关于风力发电机组系统的概述

风力发电机组的技术原理指的是通过利用大自然的风能实施发电，风力发电机组则是通过技术的途径将大自然的风能转化为电能的一种机械设施。轮毅与桨叶是风力发电机组的核心组件。桨叶所具备的空气动力能够带动风轮进行旋转从而将大自然的风能转换成机械能，进而利用齿轮箱增速驱动发电机把这种机械能最终转化为电能资源。在当前的发展阶段，双馈变速恒频风力发电机组得到了十分广泛的应用，该机组的风轮桨距角能够实现自由调节，内部的发电机也具有变速功能，能够有效输出恒频恒压电能资源，在效率的保证方面受到认可。在低于额定风速的情况下，发电机充分利用改变转速以及桨距角的作用令机组系统能够在良好的尖速比的状态下运行，从而输出最理想的功率，在处于高风速的情况下，利用改变桨距角的方式令机组的功率输出控制在额定功率的范围内。具有高效、性价比高、逆变器功率较小的优势特征。此外，调速的幅度达到30%的额定转速范围，变流的容量仅仅维持系统容量的30%，MPPT控制，与变速恒频驱动无功功率、有功等实现了独立的控制。另一方面，因为风能具有不稳定以及捕获最大风能的条件，发电机的转速的变化是连续性的，并且频繁地在同步转速上、下之间存在波动的情况，为有效促进风力机组能够追踪以及捕获到最大的能量，从而保障电网对输入电力所提出的条件。因此在这种情况下，风力发电机务必需要变速恒频地进行运行。

2 风力发电控制技术的发展现状

控制技术对于风力发电机的重要性主要体现在以下几方面：（1）风力发电机所获得的风能是随机的、无法控制的。风速、风向、风力的大小会随着客观自然条件的变化而改变，本身并不具有控制性，要想得到控制，就需要通过技术手段来实现。（2）风力发电机的风轮惯性很大，风轮叶片直径在特定的范围内可以有效利用风能。（3）风力发电所需要的并网、脱网都会用到控制技术。现阶段，很多技术都可以应用到风力发电领域，风力发电的控制技术也越来越先进，控制方向越来越多元化。定桨距型风力机只通过连接桨叶、轮毂并不能发生改变，在风速高于额定风速的情况下，通过失速原理可以限制发电机的功率。所谓失速原理，指的是气流达到一定程度的攻角后就会产生涡流。当外界因素让输出功率发生改变时，桨叶的被动失速调节就不会由任何控制，风力发电机组系统就会更加简化。然而，风轮的叶片重量很大，一些部件受力大，所以发电机组的工作效率较低，一些重要部件也很容易损坏。

3 机组发电性能提升

3.1 额定功率提升优化

对风机所在风场的气候条件及风机的载荷进行评估，来决定是否可以对风机进行额定功率提升。功率提升可以明显提高发电量，依据类型不同，比例亦有所不同。但是，风电机组进行额定功率提升，必须建立在机组寿命周期内安全、可靠性的基础上进行，符合IEC WT 01和GB/T 18451.1 标准相关要求。

3.2 硬件优化

叶片是风力发电机组的关键组成部分。每个叶片都配置一套独立的变桨系统，机组运行期间，通过风机变桨驱动装置，调整叶片角度，实现叶片变桨，安全保护和功率控制。利用空气动力学原理，对风机叶片的气动优化设计，可以有效降低风力发电机组的载荷，提升风机发电能力。风机在运行过程中，风并非断横切风流“推”动风机叶片，而是吹过叶片表面形成叶片正反面的压差，从而产生升力令风轮旋转，这与飞机的机翼有相似之处，我们是否可以在飞机机翼设计上获得灵感来改善风机叶片的气动性能呢？

飞机机翼上安装有涡流发生器，它是一种低展弦比小翼段，当襟翼偏转使襟翼表面上的气流过分离时，涡流发生器利用旋涡从外部气流中将风能带进附面层，加快附顶层内气流流动，防止气流过早分离，并且当气流以一定的迎角流过小翼段时，在一侧加速，另一侧减速，在小翼段两侧造成压力差，因而在小翼段的端部生成了很强的翼尖旋涡，所以可以借鉴飞机机翼的空气学原理，在风机叶片进行简单的升级改造，安装类似涡流发生器的低展弦比小翼段。基于叶片的设计和分离区域的外形，通过延迟气流从叶片分离，可以提升叶片升力，增加发电量。

当然，根据风力发电机的结构和承载能力，安装叶尖或叶根延长段， 适当的延长叶片长度也可以很明显地提高风机的发电能力。但是，叶片的延迟需要经过严格的载荷计算，并经过长时间的安全验证才能实施，并且由于属于后期改造，费用也会相对较高。所以对风机发电能力进行硬件的优化除了考虑方案的可行性外，还要考虑风机运行的综合成本。

3.3 捕风能力优化

测风装置通过自适应控制，持续并自动校准偏航上风向，为每台风机自动更新传递函数。利用风向的自然变化根据发电量来感知最佳偏航位置，适当调整偏航对风偏差设定值，提高对风准确度。根据IEC标准，多数风机的切出风速都设定在了20～25m/s，如果根据风力发电机的运行工况与结构特征， 将风机的切出风速适当提高，则可以捕获更多的风能，明显提升机组发电量，但是，需要对风电机组进行严格的疲劳和极限载荷计算，结合叶片变桨角度的变化来控制机组载荷能力的均衡，保证机组的安全运行。

结束語：21世纪，风力发电产业还是具有非常乐观的发展前景的，尽管仍然存在许多问题需要解决。风力发电企业除了不断研发风力发电控制技术之外，还要引进先进的机械设备，在零部件的研发方面，我国与发达国家还有很大差距，所以，应该从技术、设备两方面着手，不断汲取先进的经验，在此基础上实现自我创新，以推动风力发电技术的长足进步。

参考文献：

[1] 刘世江，刘作广，傅杰敏.风力发电机组综合改造技术验证[J].应用能源技术，2020，（12）：48-52.

[2] 熊弦，彭郎军.风力发电机组功率曲线状态评估方法[J].电子元器件与信息技术，2020，4（04）：152-153+157.

[3] 李胜，张兰红，单毅.永磁同步风力发电系统控制技术综述[J].微电机.2019. 52（9）：101-107.

[4] 许存祥.信息化控制技术在风力发电中的应用探讨[J].建筑工程技术与设计，2019，（32）：2179.

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