浅谈大型陆上风力发电技术

浅谈大型陆上风力发电技术

杨飞

内蒙古察哈尔新能源有限公司 内蒙古呼和浩特市 010011

摘要：风能作为可再生能源，成了继水能之后最具开发潜力的能源之一，在政府的经济补贴和国家的政策鼓励下，风力发电技术得到快速发展，很多的发电企业在该领域投资发展风能发电技术，风能发电行业成了快速发展的新秀。该文首先对大型陆上风力发电技术进行论述，其次介绍了大型陆上风机关键技术，最后简述了我国大型陆上风机技术存在的不足之处及发展方向，希望为相关研究人员提供借鉴与参考，促进我国大型陆上风力发电技术的发展。

关键词：再生能源；陆上风力发电；发电技术

引言

风能是一种绿色能源,随着能源危机和环境保护的双重压力,风力发电技术的不断发展,设备成本的不断降低,风能已成为除水能外最具经济利用和产业化开发价值的可再生能源,其发电成本已接近常规能源。目前,可再生能源法的实施和政府的支持,国内的一大批企业纷纷介入风电行业,特别是兆瓦级大型风力发电技术引进和研制快速发展,风电产业已成为国内迅速发展的新兴产业。最后,就大型陆上风力发电技术的国内外发展现状和关键技术进行综述。

1风力发电原理

风力发电的原理是把风能转化为机械能，再将机械能转化为电能进行输出。具体过程是通过风带动风机叶片转动，从而使发电机内部线圈旋转切割磁场，最终产生感应电流，并被储能装置以电能的形式储存起来。通常风力发电机由风轮叶片、低速轴、高速轴、风速仪、塔架、发电机、液压系统、电子控制系统等部件组成。其中，风轮是将风能转化为机械能的装置，根据风向的变化调节风轮方向，可以最大限度地利用风能。塔架是连接支撑风轮和发电机的支架，其高度是由周围地势和风轮大小决定的，以确保风轮的正常运行。发电机是将风轮产生的机械能转化为电能的装置。在风机构造中，定义风轮叶片尖端线速度与风速之比为叶尖速比，是风机的重要参量，其大小是影响风机功率系数的重要参数。通过设计风轮的不同翼型和叶片数，可以改变叶尖速比。风机组的功率调节是风力发电系统的关键技术手段，其主要方式包括定桨距失速调节、变桨距失速调节和主动失速调节三种。定桨距失速调节将风机叶片和轮毂固定，叶片顶角不能随风速进行调整，其结构相对简单，可靠性强，风机输出功率随风速而变化，因此在低风速下其利用率较低。变桨距调节是通过改变桨距角调整风能的转化效率，尽可能的提高风能转化效率，使风机输出功率保持平稳。主动失速调节是通过叶片主动失速来调节输出功率。当风速低于额定风速时，通过控制系统进行调控；当风速超过额定风速时，变桨系统通过增加叶片攻角使叶片失速，从而限制风轮的吸收功率。

2大型陆上风力发电机的关键技术

2.1大型陆上风力发电机机械部件技术情况

大型陆上风力发电机是由齿轮箱、发电机、叶片、轮毅、主轴、机舱座和塔架等组成的。在施工时，对于叶片和齿轮箱等部件的技术要求相对较高，如果叶片设计不合理很可能在使用过程中突然发生断裂，最终影响风力发电机组的正常使用，且叶片的形状与风力发电机组和风能的利用效率有较大联系，因此研究设计人员在设计叶片时，需要考虑的影响因素较多，象叶片的大小、形状、耐久性、叶片与齿轮之间的摩擦力大小，在遇到强风的情况下是否会因为转速过快而发生破坏等因素。因此设计人员在进行设计时需要在进行较多的实验之后，才能确定合适的使用叶片及相关配套机械设施。

2.2大型陆上风机控制策略

对于一台完美的风机,不仅需要好的气动设计,还需要好的控制策略,只有充分发挥二者的性能并结合在一起,才能使整个风机性能尽可能高地发挥出来。对于大型陆上风机,其控制变量主要是功率和安全控制,针对如何提高风能利用效率,保障风机安全运行等目的,提出了一系列控制策略。这些控制策略主要包括变桨控制、变速恒频控制、整机控制和整机安全、状态、运行及监测控制等。这些控制策略就像人的大脑一样,指挥着风机高效安全运行。

2.3大型陆上风机控制管理技术

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。

3国内大型陆上风力发电机技术发展措施

3.1改进机械结构

对机械结构进行改进，能够从以下两个方面着手：其一，能够利用先进的驱动设备，把齿轮箱与主转动轴等相结合，降低机组零部件的使用，进而极大地增强系统的工作效率、安全性、稳定性，并减少部件安装与维修的经济支出；其二，能够对机械的结构动力学设计展开优化，防止由于风力的变化影响到机械结构的负荷，并减少零部件所受到的应力，降低整个机组与部件的重量，极大地降低成本。

3.2推进电网智能化进程

风电并网后，会对电力系统形成冲击，或者说电网发生故障后，风力发电机组会向系统故障点提供短路电流。若在电网设计中不考虑风力发电机组影响，容易导致其作用于系统继电保护装置使其发生误动，从而影响电网稳定运行。另外，风力发电机组融入电网后，产生的谐波和闪变带来的负面影响也很显著。因此，在电网中融入智能化设备，可以使风电系统更稳健，是确保风电并网更加顺畅的关键。智能化电网建设已成为我国电力发展的必然之路，而且智能化电网建设对“窝电”具有很好的转移作用，从而可以使新疆和内蒙古等地区的风能电力转移到湖南等电力需求较大地区，如此间接促进不同地区经济的协同发展。

4我国风力发电产业的未来发展趋势

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2020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2020年的海上风电装机总容量达到至少3300万kW。

结语

我国作为一个能源生产和消耗大国，发展清洁能源对于解决能源短缺和环境保护具有重要意义。风电技术可以减少化石燃料对环境的污染，降低有害气体的排放，保护生态平衡。但是当前风电技术还存在许多问题，因此需要分析具体问题，实事求是，制定相应措施，优化风电产业结构，加大投入力度，促进风电技术的稳步发展。

参考文献

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[3]辛博然.风力发电并网技术及电能质量控制措施[J].电子技术与软件工程,2019(11).