新能源发电项目中的风力发电技术

赵彦涛

（中国电建集团河北工程有限公司，河北 石家庄050030）

0 引 言

近年来，我国推广绿色与节能发展，积极应用可再生能源，特别关注风能和风力发电。我国地理优势明显，风能受影响范围广、持续时间长且经济效益显著。风力发电是将风能转化为电能的一种方式，具有清洁环保的优点，符合我国节能减排政策和可持续发展战略要求。当前电力消耗不断增长，为满足需求并减少对环境的污染，合理应用风力发电技术变得重要。文章旨在分析研究新能源发电项目中的风力发电技术，进一步提升其实用性和适用性，同时呼吁相关企业合理采用电力技术提高风力发电水平，拓展生产规模，提升运营效益。

1 新能源发电项目中的风力发电原理及关键技术分析

1.1 新能源发电项目中的风力发电原理

我国充分利用地理优势和广阔的风能资源，在积极推广风力发电技术方面取得了显著成效。风力发电是一种环保清洁的能源转换方式，通过捕获风的动力来驱动风力发电机发电。这种发电方式具有可再生性和经济性，为满足不断增长的电力需求提供了可靠的解决方案。此外，风力发电技术的应用有助于减少对环境的污染，符合我国节能减排政策和可持续发展战略的要求。风力发电系统由风力发电机组、转子叶片、塔架以及变频器等组成[1]。当风经过转子叶片时，叶片受到风的冲击转动，驱动发电机组内的转子转动。转子与发电机内部的磁场相互作用产生感应电动势，并通过变频器将其转换为交流电。这些电能经过逆变器和变压器的处理，进入电网供应给用户使用。

风力发电技术的关键在于高效利用风能资源。为了提高风能的转换效率，研究人员不断优化叶片设计、提升转子转速和改进发电机技术。同时，风力发电场地的选择至关重要，需要根据地理条件、风速分布和环境影响等因素进行综合考虑，以确保最大限度地捕捉和利用风能资源。随着技术的不断进步和成本的降低，风力发电已成为可持续发展的重要组成部分。相关企业在新能源发电项目中应该合理应用电力技术，提升风力发电水平，以适应不同规模和运营需求。同时，加强对风力发电技术的研究和创新，进一步提高其实用性和适用性，对于推动我国能源结构优化和可持续发展具有重要意义。

1.2 新能源发电项目中的风力发电关键技术分析

1.2.1 风功率预测技术

风功率预测技术是指利用气象数据和风场测量数据，预测未来一定时间内风力发电机组的输出功率。风力发电的可靠性和经济性取决于风能资源的有效利用，而风功率预测技术的应用可以帮助运营者和管理者更好地规划和管理风力发电场。风功率预测技术通常基于数学模型和统计方法，结合历史风速数据、气象预报数据、风场实测数据等多种信息进行分析和预测。这些方法可以根据不同的时间尺度（如小时、日、季度）对风力发电机组的输出功率进行预测，从而帮助决策者合理安排发电计划，优化发电调度和电网运行。

在风功率预测技术中，常用的方法包括统计方法（如时间序列分析、回归分析）、机器学习方法（如人工神经网络、支持向量机、决策树）、物理模型方法等。这些方法根据不同的数据特征和预测要求，采用不同的算法和模型进行预测。对于复杂的风力发电场，可以采用多模型集成的方法，整合多个预测模型的结果，提高预测的准确性和可靠性。应用风功率预测技术可以帮助风电场管理者进行有效的运维和调度决策，减少因风速波动引起的电力波动，提高风力发电的可预测性和可靠性。预测结果可以用于优化电力市场交易、制定电力计划、规划维护以及检修工作等。此外，风功率预测技术可以提供准确的风能预测信息，为电网调度和能源系统规划提供参考，促进可再生能源的高比例接入和能源转型的可持续发展。随着数据采集技术和算法的不断发展，风功率预测技术将继续完善和创新，提高预测的准确性和可靠性，进一步促进风力发电行业的发展，推动清洁能源的应用和可持续发展的实现。

1.2.2 风电机组功率调整

风电机组功率调整是指根据电力系统需求和风能资源情况，对风力发电机组的输出功率进行调整和控制。由于风速的变化和电力系统的需求波动，风力发电机组需要根据实际情况进行功率调整，保持电网的稳定运行，并最大限度地利用可再生能源。在风力发电场中，功率调整可以通过控制风力发电机组的叶片角度、转子转速或发电机负荷来实现。当电力系统需求增加时，可以调整风力发电机组的工作参数，以提供更多的功率输出；反之，当电力系统需求减少或风速较弱时，可以降低风力发电机组的功率输出[2]。这样可以确保风力发电机组与电力系统之间的供需平衡，并确保电力系统的稳定性和可靠性。

功率调整需要考虑多个因素，如电力系统的负荷变化、风速预测、电力市场要求以及风力发电机组的响应能力等。为了实现精确的功率调整，通常使用风功率预测技术预测风力发电机组的输出功率，并根据预测结果和实际需求进行调整控制。此外，可以结合电力系统的调度策略和运行模式，通过智能化的控制系统对风力发电机组进行协调调度，以实现最佳的功率调整效果。风电机组功率调整的目标是最大限度地利用风能资源，同时满足电力系统的需求，保持电网的平衡和稳定运行。通过有效的功率调整，可以提高风力发电的可预测性和可靠性，减少因风速波动引起的电力波动，进一步推动清洁能源的应用和可持续发展。

随着风力发电技术和控制系统的不断进步，风电机组功率调整的精度和响应速度将得到进一步提升，有助于实现更高比例的可再生能源接入电力系统，推动能源转型和低碳经济的发展。

1.2.3 并网风力发电系统

并网风力发电系统是将风力发电机组产生的电能与电力系统进行连接和交互，以供应可再生能源电力给电网和用户使用的系统。其主要目标是将风能转化为电能，并将其可靠地输送到电力系统，以满足电力需求和实现可持续发展。并网风力发电系统通常包括风力发电机组、变压器、电缆、电力传输线路以及电力系统连接点等组件。风力发电机组通过转动的叶片将风能转化为机械能，并通过发电机将机械能转化为电能，随后通过变压器将发电机产生的低压电能升压为适合输送到电网的高压电能。电力传输线路和电缆将高压电能从风电场输送到电力系统连接点，从而将风力发电产生的电能与电力系统连接。

并网风力发电系统存在多个问题需要解决。例如，风速的变化导致发电功率波动，致使风力发电存在波动性和不确定性。为了平稳地将风力发电注入电网，需要采用风功率预测技术和功率控制策略，实现对风力发电机组输出功率的调整和控制。

2 新能源发电技术的实践应用

2.1 在新能源电动汽车中的应用

自2021 年1 月1 日起，新核准的陆上风电项目全面实现平价上网，为分布式风力发电设备的发展带来了重要机遇。在这种背景下，将小型风力发电机应用于新能源电动汽车是一次创新突破，具有重要的节能环保意义。以A 企业的新能源汽车改造为例，他们选择了垂直轴风力发电机作为车载发电机，以利用其占用空间小、可多角度受风、启动风速低和维护简便等优势。车载磁悬浮垂直轴风力发电机技术参数如表1 所示。一台功率为50 W 的磁悬浮垂直轴风力发电机被安装在新能源电动汽车前端进气格栅后，尽管车载发电机功率较小，但由于其轻巧和紧凑的设计，非常适合安装于汽车。同时，利用磁悬浮技术，发电机能够长时间工作，虽然功率较低，但发电效果可观。

表1 车载磁悬浮垂直轴风力发电机技术参数

这种分布式风力发电技术在新能源电动汽车领域具有重要的应用意义。通过将小型风力发电机集成到汽车中，可以利用行驶过程中的风能发电，为车辆提供额外的电力支持。这不仅可以提高电动汽车的续航里程和降低充电频率，还可以减少对传统电网的依赖，提升整体的能源利用效率。同时，风力发电是一种清洁的能源形式，也为实现节能环保目标做出了重要贡献。

风力发电技术与新能源电动汽车的成功结合带来了多重优势[3]。第一，延长了电动汽车的充电周期和行驶里程，提升了续航能力，满足用户对长时间驾驶和远程出行的需求。第二，这种结合积极响应国家政策，提高了能源利用效率，实现了节能环保的目标。第三，大力推动了分布式离网型风力发电行业的发展，促进了能源供给侧和需求侧的结构调整。这种结合为可持续发展和能源转型做出了重要贡献。

2.2 在船舶上的应用

根据船舶不同的航行状况和不同的运行特点，风力发电技术在船舶上的应用形式多种多样。

2.2.1 风力发电驱动船舶

风力发电驱动船舶的结构，如图1 所示。以风能作为能量来源，通过船舶上的水平轴风力机实现风力发电，用于推动船舶行驶或为船舶供电。与陆上风力发电相似，该系统由风力发电机、与发电机相连的变压器和连接到变压器输出端的电动机组成[4]。风力发电产生的电能供给电动机运转，从而提供动力推动船舶。这种方式具有显著的节能效果，无废气排放，特别适用于长期有风的内河和沿海地区的小型船舶。通过利用自然风能进行发电，不仅可以减少对传统能源的依赖，降低船舶运营成本，而且对环境保护具有积极作用。这种风力发电船舶应用技术的推广和发展为可持续能源利用和船舶行业的绿色转型提供了重要支持。

图1 风力发电驱动船舶的结构

2.2.2 船舶风光互补发电系统

利用太阳能光伏发电和风能发电系统进行互补发电和储能，通过逆变转化设备将储存的电能供给船舶，可满足其日常生产和生活用电需求。该系统由风力发电机、太阳能电池板、风力发电控制器、光伏发电控制器、蓄电池组、离网逆变器以及风光互补发电的安全监测控制装置等组件组成。图2 展示了上海某世博游轮的风光发电系统。风光互补发电系统可以分为独立式系统、并网式系统和混合式系统，具体取决于系统是为负载提供独立用电还是向电网供电，亦或是同时使用发电机[5]。该系统尤其适用于海上工程船在长时间作业、处于风能和光能丰富的偏远地区且缺乏岸电供应的情况，可为船舶提供可靠的电力来源，减少了对传统能源的依赖，同时降低了船舶运营成本，实现了节能减排和环境保护目标。

图2 风光互补发电系统结构

图2 为该漂浮式水上风力发电船的结构。船上设有竖直塔架，由多个楔型导风罩排列成多排并相互连接，使得发电船能够有效吸收随机和间歇的阵风能量，并将其转化为水的压力能。通过这种方式发电船能够实现高功率输出，达到几十兆瓦甚至一百兆瓦以上。该船舶没有复杂的齿轮箱、电控系统、变频器以及逆变器等设备，具备移动式电力供应平台的特点。

漂浮式水上风力发电船的结构设计使其具有灵活性和适应性，能够应对不同风速和风向条件下的发电需求。其简化的系统结构降低了维护和运营成本，提高了可靠性和可持续性。这种创新的发电船型为海上风能资源的开发提供了一种有效的解决方案，并为移动电力供应场景提供了新的可能。

3 结 论

为了满足可持续发展的要求，合理利用风力发电技术成为推动我国电力行业和社会经济稳定发展的关键任务。需要关注风力发电技术的创新应用，不断提升发电技术水平，增强发电系统的综合效益，为我国电力行业的持续发展提供有力支持并保障其稳定运行。在未来的研究和发展中，应该持续致力于改进和优化风力发电技术，以满足日益增长的电力需求，实现经济、环境和社会的可持续发展目标。