新时期新能源风力发电相关技术探讨

2022-01-12 08:51李佳伟
科海故事博览·上旬刊 2022年1期
关键词:装机容量风力发电新能源

李佳伟

摘 要 新能源风力发电是清洁能源发电的典型代表,是我国电力事业发展的重要组成部分。近年来,我国风电发展取得了举世瞩目的成绩,但同时也给电网运行带来一定的挑战。在“碳中和”的新时期和高比例可再生能源发展战略的大背景下,风电领域更加长远的发展规划日益成为电力行业乃至社会关注的焦点。本文通过探究新能源风力发电的现状和重要意义,挖掘风力发电的优缺点,试图刻画新能源风力发电技术的发展前景。

关键词 新能源 风力发电 装机容量

中图分类号:TM61 文献标识码:A 文章编号:1007-0745(2022)01-0115-03

1 新能源风力发电的现状和重要性

多年来我国发电结构一直以火电、煤电为主,对化石能源产生了长期的依赖,而对化石能源的大力开发,给多地带来了严重的环境污染问题。我国总体上能源资源丰富且具有多样性。其中,风能以其资源丰富、分布广泛、发电清洁等优势,得到国家政策的大力支持,因而我国的风电技术取得了长足进步,风机装机容量显著提高,为我国绿色电力事业的发展奠定基础。此外,“碳达峰、碳中和”目标的设立将进一步刺激我国能源结构的深度调整和转型,促进风能等新能源的开发利用。然而,风机直接并网难以避免地会对电网产生频率波动。在风电发展的历史进程中,风机并网、含高比例可再生能源电网运行等巨大挑战将是我们面临的巨大挑战。

我国工业的快速发展带来了能源消耗的提升,工农业发展和百姓日常生活也使得我国能源使用紧张。风力发电技术的应用有效的缓解了电力超载使用的压力。随着风电装机容量的日益增长以及运行时间的延长,增加了许多风险,尤其是机械轴承部分,这里容易出现异常情况,将对风力发电设备整体的安全运行构成威胁。世界上已经有许多国家都拥有先进的风电发电技术,其中包括中国、荷兰、德国、丹麦等国,这些国家的风电设备累计装机容量居世界前列。由此可见,我国风能资源十分丰富,直接推动了风能产业的快速发展,成为我国发展最为迅速的新兴产业。随着我国环保事业的发展,越来越多的人开始关注清洁能源,而风力发电设备就是较为引人注目的成果之一。对于风力发电技术来说,在节能环保方面存在诸多问题,不利于我国节能环保事业的发展。因此将绿色理念渗透到技术设计工作中,以促进发电事业向着绿色环保、节能降耗的方向发展。

2 风力发电相关技术概述

截至2018年底,世界上许多国家都拥有了先进的风电发电技术,其中包括中国、荷兰、德国、丹麦等国,这些国家的风电设备累计装机容量居世界前列。由此可见,我国风能资源十分丰富,直接推动了风能产业的快速发展,成为我国发展最为迅速的新兴产业。在经过相关调查研究的表明,我国累计风能储量约32.26亿千瓦,可利用风能资源达到10.7亿千瓦,这足以说明中国风能发展潜力巨大。目前,我国已有40家企业有能力进行风机零件生产,一部分可以进入风能生产和零部件制造领域。通过技术引进、自主开发等多种发展模式,产业链逐渐形成,中国风能装备制造行业整体出现良好运行特点,形成了集变速箱、叶片机、偏航系统、钢结构构件和主机为一体的完整产业链制造业。

风电的发展,首要任务是从技术上解决风电发展难题。风力发电技术包括研究风机技术、风电功率预测技术、风电并网技术和储能技术等。随着风电的发展以及考虑实际电网安全经济运行,风机单机容量需求越来越大,同时要满足风机能够安全并网,具有较强的鲁棒性和可靠性。因此,如何研制高可靠性的大容量风电机组是业界需要考虑的问题。其中,双馈异步风力发电机和永磁直驱同步风力发电机是当前主流的发电机,同时也是当前的研究热点。

双馈异步风力发电机在性能方面总体上不如永磁直驱同步风力发电机,但由于其发展较早,技术相对成熟,同时双馈异步风力发电机具有尺寸小、造价低等特点,因而仍然在电网中使用较为频繁。永磁直驱同步风力发电机虽然造价贵,但其具有更高的发电效率和更强的电网兼容性,理论上说,对电网以及用户更加有利。从发展的眼光来看,随着永磁材料的发展和电机小型化发展,在未来,永磁直驱同步风力发电机将更加具有竞争优势,获得更广泛的应用。

由于风力的波动性会导致电网的不安全运行,因此业界希望能够实时跟踪风电出力,即实现风电功率的准确、可靠、快速预测。发展风电功率预测技术,加强风电功率预测可信度,可实现对风电出力的实时态势感知,从而提高风电的消纳能力。由于电力系统本身是一个复杂且自产大量数据的人工系统,因此在可以预见的未来,人工智能与大数据技术将更多地应用到风电功率预测中,进一步有力地推动风电的发展。

风电场并网通常分为交流并网和直流并网两种途径。目前关于风电并网可行技术及研究热点包括:交流并网技术、传统直流并网技术和柔性直流并网技术,其中传统的交流并网方式相对更加成熟,目前仍然占据主要地位,未来电力电子技术的发展将推动直流并网技术的应用。随着风电等波动性电源并网比例不断提升,传统的“源-网-荷”运行方式已经无法满足电力系统“发输配用”同时性的要求,“源-网-荷-储”的电力系统结构己被广泛认可。储能以其能量的时空迁移特性和电能流动的双向性,被公认是解决风电等可再生能源不稳定性和提高其消纳的有效途径。关于储能研究大体可以分为两类:一是研究高效的储能方式。不同储能方式的不同的特点,可以适应不同的应用场合。研究高效的储能方式能够提高储能效率,降低成本;二是研究储能系统优化配置。储能系统优化配置包括空间分布的优化以及储能容量的优化。已有的文献从蓄电池储能容量优化模型、蓄电池容量确定方法、混合储能控制策略、储能系统容量配置等方面进行研究。通过优化储能配置,能在保证达到风电消纳目标的前提下,提高經济效益。

3 新能源风力发电的技术要点

新能源风力发电技术包含在线震动检测技术、发电设备润滑技术以及发电功率控制技术等。风力发电机组在线振动检测技术是风力发电机组运行的实时保障,为了实时监控风力发电机组的运行状态,必须实时对机组的关键部位震动频率和峰值进行检测。针对风力发电的特殊应用领域,往往会采用特殊的手段进行检测,此时风力发电机组在线振动监测与分析系统就十分具有必要性。对于开发设计风力发电机组振动系统,不仅可以实时进行风力发电状态的监测。[1]而且还可以进行有效的数据分析与故障排查。这一数据采集由安装在不同位置的测量仪器组成,在一些关键位置分布有数据采集装置,与计算机相互连接,可实现云服务。将大数据设备投入使用,进行有机分析,可以进行分析功能的提升与完善。再利用计算机实现数据服务器系统的管理与视察,安插一些监控软件可以实现问题的安全检测。该系统主要运作原理是在风力发电的关键位置安装检测工具,主要关键位置是由主轴轴承、齿轮箱、发电机等组成。可以通过在线监测关键部件的振动振幅大小分析出这些部分是否良好运行。对于这些部件的运行状态的勘察十分有效,维修人员完全可以根据运行趋势,采用一些技术手段进行对比,然后进行结果分析,对于一些结果超标的地方,可以进行检测与维修。这种预测手段可以达到故障精准诊断的效果,延长了机组的连续运行周期,并且方便了检测的手段,不仅提高了效率而且还带来了技术的创新。采用这一技术可避免和减少重大事故的发生,使得风力发电更加安全。

风力发电设备润滑技术对于风力发电来说至关重要,可以很好的促进风力发电设备的正常运行。一般来说,风力发电设备不同轴承所使用的油脂也不相同,在注油工作中,加脂工具要严格进行区分,严禁混用;油脂加注量要严格按照相关检修标准执行,“少量多次”,严禁私自更改加注量。在加注前,仔细检查注油孔、排油孔是否正常,如果发现排油孔堵塞,则需对相关轴承部件进行拆卸,处理完毕后再开始油脂加注工作。要对润滑油的质量进行管控,确保其正常运行,同时尽量延长润滑油的使用寿命。

目前我国对于风力发电机的功率控制技术主要是定桨距失速控制技术。该技术的应用是在足够刚度的基础上连接变桨风扇叶片和轮毂,然后进行焊接,采用恒定变桨支架控制简化系统结构,并保持风电运行的稳定性。通过该技术的实时运用,使得涡轮机的输出功率可以随着环境中风速的变化而相应地变化。此外,变桨距控制技术是另一种控制功率的方式。通过设置俯仰角来设置风能输出,在实践中如果风力发电系统的功率低于额定功率,则俯仰角始终保持为零,输出功率主要由外部风力决定;如果风力机的功率超过装置的额定功率,系统将根据实际输出功率自动调整倾角,以控制装置的输出功率,使其不超过额定功率,避免因系统过载而损坏。变桨距控制技术是一种主动型控制技术,它能够实现系统的闭环控制,在防止桨距失速方面具有重要的作用。

4 新时期新能源风力发电当前的技术挑战

我国在国家层面已提出“碳中和”的绿色发展目标,电力行业也大力推动高比例可再生能源电网的理论和应用研究,为风电的发展铺路。需要继续有条不紊地制定和完善新能源发展政策,为科研工作者营造良好的研究环境,给风电企业良好的营商环境。在风电接入电网的过程,切勿急功近利,不能为了达到某个比例目标而盲目新增装机或上网,避免大规模弃风弃光。长久以来,我国的风力发电技术在技术创新方面还比较薄弱,风电场风机设备的建造在很大程度上仍需要引进国外的技术,导致我国的风电发展受制于人。[2]因此,要发展好风电,必须发展好风电技术,打破国外技术垄断,实现从引进到引领。

国际电力市场风电交易规则包括竞价机制、惩罚机制、绿色交易凭证。我国的电力市场仍然是以计划手段为主,风电场的发输配电计划均由政府制定,较难反映电价与市场供求的关系,导致风电企业不易对市场的供求信息进行准确判断。另一方面,在现行的电力市场机制下,风电市场并未完全发展好,而国内的风电设备市场趋于饱和,形成供需不平衡状态,阻碍了风电产业的发展。因此,在电力市场方面,国家可以通过优惠的政策支持,完善电价奖惩机制,建立一个公平、合理、有序的风电市场,从而以消费推动风电的平稳发展。

5 新能源风力发电技术的优缺点和发展前景

与其他能源相比,风能是一种可再生资源,风能的利用可以有效地节约常规资源的使用。同时,随着技术的不断发展和进一步发展,风力发电机组的应用效率也在逐步提高,甚至有超越常规发电之势,其经济价值也超过了应用过程中可能出现的常规发电能源。与火力发电厂和核电建设相比,风电机组建设时间短,投资成本低,应用时可灵活适应不同模式。此外,风能是一项新兴技术,由于必须选择风力涡轮机,因此可以在开阔地形上建造,对地理环境有很大的要求。虽然许多地方有足够的风能,但总面积不够广,同时风力涡轮机在工作过程中会产生噪音滋扰,因此在选址时只能在远离城市的郊区建造。

自动化技术在各行各业的传播,为人类带来了职能时代的发展,自动化应用技术在风力发电领域的创新,使得智能重构信息处理技术也凸显出较为广阔的发展空间。绿色风力发电技术与互联网的结合,其优点不断彰显,在发展过程中的大量的逻辑单位可以相互联系,其指令级、比特级、流水线级以至任务级的并行计算,不断突破运算的速度,不断将运算手段拓展,只需远程操控,不必亲临现场,还可在规定的网络环境下进行测量。智能化技术的发展对于电力行业这种危险性高、技术门槛高的行业而言,是对自然资源的高效利用,也是对人力资源的高效释放,在不断促进产业提升创新升级的同时,立足于风力发电本身,创新自动化技术对电力系统的跨越式升级作用。[3]

6 结语

在国家可持续发展战略的支持下,经过多年来风电技术专家和电网工作人员的共同努力,我国风电发展已经取得了举世瞩目的成绩。随着绿色理念在各行各业的发展,能源行业的绿色可持续发展也势在必行,新能源风力发电技术作为我国能源结构转型的重要组成部分,是我国能源升级的突破方向,我国要加大对新能源风力发电技术研究的投入,提升自然资源的利用率和转化率,促进风力发电行业快速发展,为人类与自然可持续协调的发展刻画出绿色协调可持续的发展前景,推动我国电力事业创新发展。

参考文献:

[1] 刘昌义,朱蓉,王阳.我国风能发展的经济与政策分析[J].阅江学刊,2018,10(01):99-100.

[2] 李耀华,孔力.发展太阳能和风能发电技術加速推进我国能源转型[J].中国科学院院刊,2019,34(04):156-157.

[3] 国家能源局.2020年上半年风电并网运行情况[EB/OL].国家能源局,2020-07-31:188-189.

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