针对新时期新能源风力发电相关技术讨论分析

赵泓明

摘 要：目前针对世界上能源问题一直存在，各种化石能源越来越稀少，迫切需要各种新型能源的开发利用，世界上各种新能源主要包括有风能、太阳能、潮汐能、地热能和生物质能，而风能发电和太阳能发电相对技术娴熟，应用发展比较多。风能是丰富清洁的可再生能源，因其自身的优点使其得到了许多国家高度重视并且利用风能发电。因为每个国家的发展状况不同，因此在对风能利用上也存在着差异。但是由于风能的更深层技术越来越复杂繁琐，存在各种瓶颈问题限制于各国利用风能发电都存在一些问题。如何努力克服这些问题取得风力发电的最大效益才将是意义深远的课题，本文即对相关风力发电问题做一定概述。

关键词：风力发电技术 发展现状 存在问题

中图分类号：TK81 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2018）01（a）-0067-02

风能与太阳能是目前开发利用相对最多的能源，风能的新能源存在很大部分的不确定性因素，大容量风电并网会给电网带来巨大冲击，威胁电网的安全稳定运行，储能设备可以快速跟踪负荷功率变化，及时调节自身的工作状态和功率大小，使火电机组在恒定的功率点稳定运行，调峰调频的效果明显。未来的储能设备必然向高储能密度、大容量、使用周期长的方向发展，可有效缓解新能源并网给电网造成的冲击，使系统安全稳定运行。

1 风能的优点

风能与常规能源相比，虽然目前还不能成为一种完全独立的、主要的能源。风能取之不尽，用之不竭，可以无限期的为人类所服务。风能的利用简单方便。我们知道，绝大多数能源得以利用时，都要经过一个从勘测、采掘到运输、加工、处理等一系列的复杂的过程才能达到使用的目的。除此之外，在利用时所需的设备装置构造都比较的复杂、精密、昂贵。而风能利用非常简单，它来之即用同时还不污染环境。由于风能的这些优点，所以许多国家都利用了风能发电。风能具有一定的动能，运行经验表明，只要风速达到3m/s的微风速度便可以开始发电。风力发电流程众所周知的是通过风轮机将风能转化为机械能，拖动发电机发电，发电过程中通过电力电子、调频器、调速器等相关控制部分组成，然近年来政府不断出台政策鼓励新能源发电，发展速度也较快，但还需要克服很多关键技术来降低新能源发电成本以及并网运行问题。

2 风力发电特点

风力发电顾明思义就是利用风的动能推动风电机叶轮，把叶轮的机械能转化为电能的过程，当风力越大，大风的作用使叶轮旋转加速器更快，进而机械越大，使发电功率越大。风能的大小和方向是时刻改变的，主要受地形、天气、季节等条件的影响，在我国西北地区分布较丰富。依据相关学者与众多运行实践的研究，风能的能量大小是可以通过公式计算而来，如风能是指单位时间内通过垂直于风速截面积的功率，其表达式为：其中，为空气密度，单位为kg/m3，其与气压和温度等因素有关；A为风速截面积，单位为m2；V为风的速度，单位为m/s。由式（1）可知，显而易见，风能与风速的关系特别明显，与三次方成正比例，即风力发电机组在微风作用环境下，它也可以把机械能转化为电能。风能转换为电能的表达式为：。其中，Cp为风电机的功率系数或者风轮效率，其与尖速比T有关，尖速比T为叶轮末端的线速度与风速的比值，可以将其表示为：，其中，为叶轮的角速度，单位为rad/s；R为叶轮的半径，单位为m。

因为风能非周期性、偶然性，导致风能存在功率不确定的特点，如果不对风力发电的功率预以控制，当某一时刻风力发电不足，就会可能导致整个电网的有功不足，进而使频率进一步降低，影响电能的质量，使电力系统的稳定性进一步降低。因此需要在电网中接入储能设备，可以有效消除风电带来的不利影响。

3 风力储能设备

储能设备是指能够将能量大规模地高效地储存起来、在需要时迅速释放出来的装置或设施。具有代表性的机械储能方式是抽水储能，运行经验显示，在晚上负荷需求量比较少的时候，电价相对便宜，抽水储能电站可以通过对外买电量，来保证水能抽水电动机的运转，使水能进一步储存起来，使水位抽到比较高位置，以势能的形式储存起来，在白天负荷需要比较多的时候，可以将水进一步用来发电。目前抽水蓄能技术比较成熟，效率达到70%以上，在国内外都有广泛的应用，但其建设也受到地理条件等的约束。目前在我国主要的储能方式可以划分为两种，第一种即是刚刚所述的抽水蓄能电站，第二种就是所说的电化学储能，它主要包括锂离子电池、铅酸电池、钠硫电池等，这种储能方式可以简单的理解为把电储存在多组串联的蓄电池内，当需要电能的时候，利用蓄电池组进行对负载放电，即达到了储能作用，在大多数电站或者发电厂内，都有多组蓄电池，并且安装有自动负荷切换装置。

4 风电与储能设备并网可行性分析

风电存在不确定性因素，在某一段时间内其发出的功率可能大于电网的负荷功率，而在另一时段内发出的功率可能小于负荷功率，在这两个时段内风电的总发出功率可能足以满足负荷需求，但如何寻求一种方法，使在风电发出功率小于负荷功率时系统仍能安全经济运行。随着科学技术的发展，储能技术日趋成熟，且容量规模逐渐扩大。在接入风电的电力系统中并入储能设备，可以有效地克服风电不确定性因素带来的影响，提高电网供电安全性和可靠性。储能设备可以起到调峰调频作用，使机组平稳出力的作用。因此，利用风能资源进行发电，一方面可以减少常规发电机组的出力，节约能源和发电成本，维护环境；另一方面由于其具有较大的随机性和波动性，又将给电力系统的安全可靠运行带来风险。

5 风电场与抽水蓄能电站联合发电

风力发电具有随机性、波动性等特点。风力发电的出力往往不平稳，起伏较大。风力发电不具备有功调节和无功调节的能力，最显著的短板就是，当风小时不能发电，当风太大时为了保护机组也不能发电，这样的特性大大影响了风电的可靠性。为了解决风电的连续性和稳定性问题，最好的解决办法就是利用抽水蓄能电站弥补风力发电的不足。

抽水蓄能电站由于其自身特征，相比其他的发电形式更适合同风电场互补运行。主要表现在：其一，具有很强的调峰能力。抽水蓄能机组在负荷高峰期，能够快速起动，带上负荷，弥补大型火电站启动慢导致的发电缺口。在用电高峰期，有的地方负荷变化率可达到50MW/min，尖峰变化率甚至可以达到l00MW/min。在此情况下，相比大型火电机组的负荷反应速率，抽水蓄能机组可以实现更为迅速的负荷响应。在机组启动速度方面，利用天然气发电的机组也能够实现相关功能。但是，抽水蓄能机组相比他们作为快速响应的备用机组，更能节省燃料费用，同时运行维护费用也相对较低。其二，具有很好的调频本领。系统频率会随着当地负荷的变化而上下起伏，为了保证电能的质量，这时就需要有相关设施进行调频处理。抽水蓄能机组拥有水力机组的特点，调节灵活，可以根据相关的调节信号，快速增加或减少出力，及时实现负荷平衡。这种调频能力相比其他形式的发电更为优秀。

6 结语

因风电场的出力具有不确定性，在含风电场的电力系统中，将风电场的出力按照负荷来处理的方法虽然一定程度上解决了风电场的处理方法，然而对风电场出力随机性顾及不足。因此，相关学者采用不同的科学数理方法来对风电场进行讨论分析，本文对新能源风力发电有一定参考意义。

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