郑哲
宁夏京银智慧新能源有限公司，银川，750001
摘要：本文从风力发电的技术原理分析入手，论述了从风力发电机组的控制技术提高风电产率，从电储能系统的运行方式完成对风能的储存以达到调峰运行的目的，进一步完善海上风力发电的空白，对促进我国风电事业的发展有所帮助。
关键词：风力发电技术原理 控制技术，电储能系统 海上风力发电
0 引言
随着人类社会的不断进步与发展，能源过度消耗和环境污染等问题也变得越来越严重。作为常规能源的天然气、石油、煤炭属于不可再生能源，储备有限，使用过程中还会有严重的大气污染。因此，可再生能源的开发利用越来越受到世界各国的重视。随着国家新能源发展战略的实施，我国风电产业已经迈入跨越式发展阶段。风电有着可再生、能量大、无污染等特点，同时我国风能储备量大，分布广泛，有着非常大的开发潜力，所以发展风电能源已经成为一种必然趋势。本文首先介绍了风力发电的国内外发展现状风力发电的原理和特点、风力发电系统和发电机类型、通过分析风力发电的技术要点，进一步风力发电所面临的挑战及具备一定可行性的解决方案，最后展望了风力发电行业的发展前景。
1风力发电技术发展
1.1风力发电的原理
风力发电的过程就是把风能转化为机械能再转换为电能的过程，风能转化为机械能的过程由风轮实现，机械能转化为电能的过程由风力发电机及其控制系统实现。风力进入发电系统后便作为发电系统的输入信号，通过风力控制器输出桨距角信号，调整机械转矩和输出功率。该机械功率接着被传输到发电机中，转化为电能后最终传输到电网中，进而完成了从风能到电能转化的全过程。风力发电的主要特点有：可再生清洁能源、建设周期短、装机规模灵活、可靠性高、造价低、运行维护简单、实际占地面积小、发电发电方式多样化、单机容量小。
1.2 风力发电系统
风力发电系统主要由风力发电机组构成，它通常包括风轮机、传动结构、发电机、自动控制装置以及支撑铁塔等。常见的风力发电系统有：①恒速及感应发电系统，目前使用最为广泛。该风力发电系统优点包括结构简单、造价低、便于控制和后期维护，缺点是它不能有效控制无功补偿、供电效率低；②变速恒频双馈式发电系统，在电力生产中应用广泛。该风力发电系统优势在于稳定性好、易于控制、不需要无功补偿、风力利用效率高和生产安全成本低，劣势是发电系统本身成本高、后期维护较为复杂；③变速同步发电系统。该风力发电系统稳定性好、无需无功补偿并且适应性好，然而它还处于应用摸索阶段，系统中部分设备造价偏高，因此目前的应用不是很广泛。
2 我国风力发电技术现状
1、我国丰富的风能资源。我国的幅员辽阔，海岸线总长超过了1.8万公里，这使得我国具有了很丰富的风能资源。根据气象部门的资料，仅在陆地上我国的风能资源就高达 253GW，而海洋带来的风能资源是陆地的三倍以上。
2、国内的风力发电发展速度很快。截至2019年底，我国新能源发电累计装机容量达到4.15亿kW，同比增长16%，占全国总装机容量的21%；年新能源发电新增装机容量5 613万kW，占全国电源新增总装机容量的52%。其中，风电新增装机规模持续提升，截至2019年底，我国风电累计装机容量2.10亿kW，同比增长10.4%；年新增装机容量2 578 万 kW，同比增长21%，其中海上风电累计新增装机容量超过200万kW我国新增的风能发电项目和发电量一直处在世界的第一位，发展速度非常快。在2010年到2012年，我国总共20座风能发电场建成，为我国带来了2000MW的电力。到2020年，我国的风能发电量将会达到18万MW，风能发电仍然是具有较大潜力的。
虽然目前我国风电装机容量逐年递增的趋势非常显著，但是电力系统调峰问题却一直没有得到有效的解决。此外，风电行业前期投入较高，风力发电机组价格高昂，所以风力发电机组在我国目前的应用中还是以国有或企业拥有大型风电场形式居多，也有少数分散式或孤岛微电网存在。
另外，虽然风能是最具活力的可再生能源之一，具有蕴藏量大、分布区域广、使用清洁等许多优点，同时又具有它的局限性，如能量密度低、稳定性较差、极热无风等，导致了风力发电具有波动性、间歇性、反调峰特性。通俗地说，在电网需要电力，即负荷高峰期，在我国气候条件下，一般为夏季，而夏季属于小风季节，可能不能满足电网需求; 而在电网需要减小发电出力时，一般年内为冬春两季，可能机组处于最佳风速区间，可以达到80%甚至满发状态。这种现象在风力发电产业发展初期，由于其规模较小，全额收购是有保障的，所以问题并不尖锐。而如今风电行业高速发展，大兆瓦级机组的应用和大规模风电场的建成并网，使得风力发电的电力系统调峰矛盾尖锐化，也就形成了风电行业中每个企业都十分关注的指标：弃风量。
3风力发电机组控制技术发展
针对我国风力发电现存问题，一方面提高我国风力发电技术的控制，从而增加风力发电的质量，另一方面积极研究储能技术，看如何实现风力发电的储存，用以实现风能调峰。当前已有很多学者在风力发电控制技术和控制系统等方面展开了大量的研究分析，这些研究能够很大程度上促进风力发电机组的优化运行。随着计算机技术以及自动化技术在风电领域的应用，并网运行风力发电控制技术迅猛发展。在控制形式方面，由单一定桨距失速控制向变桨距方向发展，智能化水平越来越高，共计可以分为三大类：
（一）智能化风电生产预测管理技术
风电作为一种分布式能源，其在生产管理方面需要下足功夫，主要围绕如何提高风能转化效率展开研究，提出合理管理技术策略，进而增加风电企业盈利能力。具体来讲，为了有效促进风电产业有效发展，目前某些地区已经全面启用了智能化风电生产预测管理系统，通过该技术对风电生产过程预测与智能化管理。
首先是运用到了系统化的智能化风电生产预测技术，对天气情况进行预测，采用时间序列法手段对风力发电输出功率进行合理预测与规划，不断增大风能发电可靠性。在技术应用中主要配合了用电负荷预测管理技术，一方面合理规范发电量，满足削峰填谷、能源节约条件。
另一方面对风能进行中长期预测管理，结合人工智能神经网络或非线性模型对风能实施短期预测，有效提高风能预测准确性。在该过程中，还可基于多种预测管理方法综合展开风能预测过程，明确风电生产发展趋势。其次是运用到了智能化管理技术，主要加强基于电力电子器件中的整流器研发与实践应用。考虑到风能本身具有极大不稳定性，在直接发电过程中会产生交流电能进而导致风电能生产质量低下。为此某些地区选择采用PWM 整流器，配合直流同步发电系统进行并网处理，即利用直流同步发电系统配合交直交整流逆变系统实施并网技术操作处理，有效提升风电发电电能质量。再者还运用到了低电压穿越技术，该技术的主要特点是能够保证风电发电机在电压跌落时还能保持不脱网继续运行超过 600ms 以上。如果电压跌落指标超过 20%，风能发电机才会转入脱网运行状态，即低电压穿越技术可为电网提供无功技术支持，有效提高电网供电技术安全可靠性。
（二）大型陆上风机控制管理技术
大型陆上风机控制管理技术系统所采用的是气动设计理念，它管控策略丰富且到位，可充分将风机与风电生产过程结合起来，最大限度发挥高地风电生产技术优势，实现风电生产安全稳定管理。采用大型陆上风机主要通过其大功率与安全控制管理策略控制生产变量与生产效率，这其中就包括了变桨控制、整机控制、变速恒频控制以及整机安全、状态、运行与监测控制等等。这些管控措施追求精细化管理内涵，可指挥风机实现高效安全生产运行过程。
例如直驱式风机就采用了直接驱动技术，它不需进齿轮箱传动，主要通过风轮驱动发电机发电，在风电转换效率与降噪效率方面表现良好，可最大限度降低风机齿轮箱运行故障，提高风机生产效率，降低生产成本。运用大型陆上风机管理风电生产在我国已经获得认可，但其生产管理技术依然还处于攻关试验发展阶段，就目前的国内风电市场运作状况来看，像上海电气已经联合国外企业(Aero-dyn)开发设计了全新2.0MW大型陆上风机，它是目前全球容量最大的陆上风机，这一风机的联合开发与生产管理应用也强化了我国自主研发风机、自主开展风电生产的决心。
（三）风力机发电系统管理技术
风力机发电系统是目前国内比较常见的风电生产管理系统，目前新型的风机发电系统在管理技术应用方面有所丰富，加入了主动失速调节管理技术，它主要是在变桨距调节基础之上与传统定桨距失速调节有机结合起来。
如果电机生产风速度较低时，主要通过它的变桨距调节对风力机功率进行调节，不断提高风力机的气动生产效率。如果风力机功率达到额定功率后，则主要利用到桨距失速调节保证桨距角一直朝风力偏小的方向转动，在转动一定角度时观察攻角增大变化，由此加深叶轮叶片的失速能力，有效控制风力机风能收集水 平，实现风力机稳定发电。利用风力机发电系统可收集大量风能，收集能力大约在内陆收集风能的1．5倍以上。不过该技术仅仅适合在大陆管理风电生产过程，在海上风电生产方面需要消耗大量建设成本，且我国目前的海上风力发电系统在生产技术控制尚未成熟。
4电储能系统的运行方式和调峰系统
4.1电储能系统的运行方式和调峰作用
目前常用的电力系统调峰电源有抽水蓄能、发电机组、混合储能电站系统三种，其中最适用风电的是混合储能电站系统。混合储能电站是指两种或几种的储能设施组合形成的单一储能系统。融合不同储能技术可以提高整个储能系统的性能，更加灵活地满足客户和市场的个性化需求，同时为降低成本提供新的途径。在混合储能电站系统中，各种储能设施共享大部分的电网连接硬件设备，从而降低维护成本和前期资金投入。混合储能电站可以在发电侧由发电企业、电储能企业投资建设; 也可以作为独立主体由电力用户、售电企业投资建设并参与辅助服务市场的电力交易；或在用户侧建设分布式电储能设施，向就近电力用户出售。混合储能电站以其调峰效果明显、响应时间快等特点成为目前整个电力系统，尤其是新能源发电行业当前的研究趋势。目前市场上有过应用的混合储能电站以多种电化学储能方式的组合(如: 铅酸电池与锂电池组合、液流电池与锂电池组合)以及电化学储能与电磁储能的组合(如:电池与超级电容器组合)为主。
目前应用的电储能系统主要包括铅酸电池、液流电池、锂离子电池等各种电化学储能设施，以及超级电容、超导电磁储能等电磁储能设施。一个完整的电池储能系统包括: 铅酸电池组、电池管理系统、双向储能变流器。电池管理系统作为这个系统的核心控制单元采集电池信息并计算电池SOC(State of Charge)，即荷电状态，用以反映电池的剩余容量。电池管理系统在估算电池SOC后，根据采集信息和电池组总电流，通过控制策略，实现报警和保护功能；双向储能变流器由DC/AC双向变流器和控制单元构成，控制单元通过交换机获取上一环节采集的电池组状态信息，同时接收监控调度保护信息，实现储能系统安全稳定运行。
电池以其技术成熟、能量密度大的特点成为储能系统首选的同时，又受到其功率密度低、循环寿命受限、动态响应慢等特征的局限，于是超级电容在这种情况下走入公众视线。超级电容的特点与电池基本相反，储能虽然受限，但是功率密度大、响应速度快、循环寿命长，能够在短时间内提供或吸收较大功率。所以，将超级电容与电池融合为同一系统，二者各取所长，就成为了一种新型但可尝试的途径。将超级电容与电池同时作为混合储能系统，在电力系统发生运行状态的变化，需要储能系统投入运行时，超级电容发挥响应速度快的优势最先启动，通过快速的充放电并迅速并网补充负荷高峰期的电网电力缺口； 在超级电容储能持续工作下，电池逐渐达到动作条件，也同时承担“削峰”作用，并在较长时间里进行充放电控制，平衡系统，保证供电可靠性。在这种混合储能的应用中，通过超级电容的最优先级响应，可提高储能系统的动态响应特性，并减少电池充放电次数，延长电池寿命。
4.2电池储能系统的应用前景
目前很多风电企业已在着手进行储能型风机或是风电场储能设备的研究，有些企业已经制作出样机，或在分布式小型风电场尝试接入储能系统作为研究方向。储能系统接入风力发电机组或风电场的前景远不止于“削峰填谷”一种作用，但其在技术上存在优势的同时，其经济效益上也存在未知性，如前期的投入成本与后期所节约的“弃风量”等能否达到 “收支平衡”，或者能否使风电场运营者、所有者在目前平价上网的大趋势下盈利尚无法定论。另外，储能电池在寿命终期的回收与处理问题也迟迟没有得到解决。储能系统在风电领域的应用趋势目前在行业内还是颇受关注的，近年风电、光伏对储能设施的招标逐渐缓慢增多，这表现了行业对储能设施的尝试正在不断加深，但对其真正能够创造的效益，包括调峰收益、全年收益及投资回收期等，还需要更长时间的观察与探讨。
5 结论
5.1 不足与改进
我国具有大量的风能资源，使得风能在我国有十分广阔的发展前景，但我国对风电控制技术尚未完善，对于风机功率预测和风机功率调节来说，前者可以综合短期高效和长期可控结合的方式，对于后者定桨距失速控制技术和变速控制技术如何有机结合起来目前研究人员较少。此外，海上风力发电也是该领域的一项空白。未来，海上风电将朝着减少海上作业、提高海上施工效率、确保施工安全的方向发展。海上风电无疑将成为未来中国风电行业的新趋势和增长点。
5.2 展望
我国风力发电产业发展前景大好，在未来生产发展趋势方面还主要应当围绕市场来探究。目前国内针对新能源的发展支持力度空前巨大，特别是在风电产业发展进程中更给予了相当大的政策倾斜与财政补贴，这也为国内风电产业活跃发展创造了有利条件，发展范围与发展能力扩大提升有目共睹。预测我国2022年风电装机容量将超过1.8亿kW，届时我国也会开启对风电生产系统的有效重组过程，更多建立中小型风场，配合低风速风资源开发管理
技术内容将陆上风电产业发展重心逐渐移步海上，构建海上风电产业发展新格局。总体来讲，就是基于我国未来风电产业的发展进程建立沿海各省风电产业规划机制，确保我国在2022年的海上风电装机总容量达到至少3300万kW。作为一种可再生能源，风电资源是取之不尽用之不竭的，大力推动风电生产产业发展对我国能源资源体系建设是有利的，它在促进良好经济效益与环境效益发展的基础之上也为地方综合产业发展提供了新思路、新渠道。我国未来还需认清发展形势，基于最有效发展方案提出风电产业发展新方案，将风能逐渐发展成为我国能源体系建设主要力量。
参考文献（References）：
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