风机发电性能研究知识图谱量化分析

风机发电性能研究知识图谱量化分析

李勇1，苏恒瑜2

广东能源集团贵州有限公司,贵州 贵阳 550081

摘要：作为新能源发电技术中最成熟而又适合大规模开发的发电形式，风力发电以其零污染、零排放的特点成为近十年来全球发展最为迅猛的新能源类型。以中国知网（CNKI）数据库为样本源，利用Citespace软件对2000年～2022年收录有关风机发电性能研究领域的729篇文献进行了知识图谱的构建与分析，通过对文献发文量、关键词以及关键作者的可视化分析，详细地介绍了该领域的发展历程及未来的发展方向。分析表明：近年来该领域的发文量呈持续增长，表面风力发电这一新能源越来越受到重视；该领域研究者数量较多，但是研究者之间联系较少，合作也是以小范围为主；该领域的研究热点主要集中在“风电机组”、“风电场”、“风机叶片”等方面。

关键词：风机发电；性能；新能源；知识图谱；

中国分类号：TK89

Quantitative analysis of fan power generation performance research knowledge atlas

LI Yong1, SU Heng-yu2

(1.Guangdong Energy Group Guizhou Co. LTD ,Guiyang Guizhou 550081,China; 2.Guizhou Minzu University , Guiyang Guizhou 550000 , China)

Abstract:As the most mature and suitable for large-scale development of new energy generation technology, wind power generation has become the most rapidly developing new energy type in the world in recent ten years with its characteristics of zero pollution and zero emissions.Taking CNKI database as sample source, the knowledge map of 729 literatures on comprehensive utilization of coal gangue collected from 2000 to 2022 was constructed and analyzed by Using Citespace software.The development history and future development direction of this field are introduced in detail.Analysis shows that: in recent years, the number of publications in this field has been increasing, and surface wind power as a new energy is getting more and more attention.There are a large number of researchers in this field, but there are few connections among them, and the cooperation is mainly in a small range.The research focus in this field is mainly concentrated in "wind turbine", "wind farm", "fan blade" and so on.

Key words:Fan power generation;Performance;New energy sources;Knowledge graph;

0 引言

1888年冬，自美国电力工业的奠基人Brush安装了世界上第一台自动运行且用于发电的风机以来，截至目前，风机技术发展越来越成熟。特别是1990年以后，世界各国政府相继出台了风电发展的激励政策，加快了风电技术的发展。目前已经出现了几种成熟的主流技术，包括失速型恒速风机、主动失速型恒速风机、双馈变速风机、直驱变速风机、半直驱变速风机。现代风机的单机容量不断增大，从几百千瓦到兆瓦级。目前市场上的风机单机容量平均约为 2000千瓦，风机单机容量最高已达6000千瓦。中国第一个风电场于1986年4月在山东荣成并网发电。1989年起全国各地陆续引进风机建设风电场，装机容量逐年增长[1

]。至2020年底，我国风力发电量高达4665亿KW·h，装机容量达到2.82亿千瓦。作为新能源发电技术中最成熟而又适合大规模开发的发电形式，风力发电以其零污染、零排放的特点成为近十年来全球发展最为迅猛的新能源类型。因为知识图谱可以借助图像的形式对所研究领域的文献进行分类，在快速掌握研究对象发展进程的同时，对其结构脉络进行较为形象的展示。因此，利用Citespace软件对风机发电性能研究领域2000年～2022年的文献进行分析，可视化展现了近22年来在风机发电性能研究领域各个方面的发展。通过分析该领域在过去22年的时间里的发文量、发文作者和关键词之间的联系，研究热点话题的演变规律，近年来最新的研究前沿技术等。经过这几个方面的探讨，对于研究者从整体上把握该研究领域的研究热点、提高其科研效率具有重要的现实意义。

1 文献回顾

我国有大量学者对风机发电性能进行了研究。白恺等[2]提出了一种基于可靠性和发电性能双重指标维度的新能源发电设备状态评估方法,提出了发电性能关键指标的计算方法和数据源标准化要求。王加浩[3]等以C型启动时鱼体中弧线为基准，设计了仿生等厚叶片。通过多翼离心风机气动性能数值计算和实验测试，得到了具有最佳进口安装角，将仿生重构的鱼体流线型轮廓与O-BETB相耦合，得到仿生耦合叶片，以进一步提高多翼离心风机气动性能。邢作霞等[4]为模拟风力发电机组的变桨过程和故障发生状态，开发了电驱独立变桨距实训平台。通过实时监控软件对平台性能进行测试和分析。沈学利等[5]提出一种基于一维残差神经网络的叶片结冰诊断模型，该模型通过风机SCADA数据进行风机叶片结冰故障诊断，使风叶结冰诊断准确率提升约为7%。成铠等[6]研究了叶顶间隙沿周向非均匀变化对大型低压轴流风机性能的影响，结果表明：轴流风机平均间隙和非均匀度的增加均会造成风机效率和静压的下降，但平均间隙的改变对静压的影响明显大于非均匀度变化所产生的影响。叶顶间隙不均匀，会改变叶顶泄漏的起始位置和发展方向，在间隙较大处，叶顶泄漏不但有带涡核的主泄漏，还包括无涡核的附加泄漏，同时叶顶的泄漏流量会因受到前向叶片泄漏涡的卷吸而周期性地改变。魏东泽等[7]概念性地设计了一种新型半潜式海上风力机基础,确定了结构的型式和尺寸,对风浪联合作用下不同工况的风力机基础稳性进行了校核。结果表明,经过改进的新型风力机基础具有良好的稳性和水动力性能,特别是在垂荡性能上有大幅的提升。

2 数据来源

Citespace是基于Java开发的文献可视化分析软件，它可以通过对文献的Author、Keyword、Institution等方面的研究分析，快速得到相关领域的研究现状，热点问题以及未来发展趋势等[7-9]。目前，Citespace已经广泛应用于文献可视化分析计量研究领域。因此，本文以Citespace软件为主要分析工具，以中国知网（CNKI）收集的文献资料为主要来源，首先以“风机发电性能”为主题，接着用高级搜索功能精确查找出729篇2000～2022年这22年间的文献资料，经过初步的阅读和筛查，删除无关文献，共获得670篇文献作为样本研究。

3 风机发电性能的可视化分析

3.1逐年发文量分析

发文量这一指标是表现某个时期相关研究领域的发展成熟度、主要研究方向的体现[10-11]，图1是2000年～2022年风机发电性能研究相关论文的发文量分布柱状图，从图中可以看出发文量大致分为３个阶段：

（1）2000年～2009年为缓慢增长期，该时期发文量较少，尤其是2006年之前，每年仅有2～3篇，这是因为当时风能发电等新型能源还没得到足够的重视，国内电力结构依旧以电煤为主；

（2）2010年～2016年为快速增长期，发文量较第一时期有了急速增长，这一时期由于政府对环保要求的提高，大力支持减少对传统能源的依赖性，使风能等新能源得到高速发展，从而对风机发电性能的研究得以深化。

（3）2017年至今为高潮期，政策对新能源的进一步加大扶持，“碳达峰、碳中和”的提出，使风能发电达到一个高潮，特别是2017年关于风机发电性能方面的研究达到了82篇。

图1 2000年～2022年国内风机发电性能研究发文量

3.2发文作者分析

一个领域的发展与进步离不开大量学者们对其不同方面的深入研究。同时，该领域的发展与进步也会推进学者的知识更新与再创造[12]。利用Citespace软件，得到图2所示的作者关系分布图，Citespace运行结果显示其中节点（nodes）=451，连线（links）=248，密度（density）=0.0024，此数据表示研究样本中出现的作者数量为248个，作者之间相互合作关系连线有248个，其作者共现知识网络密度为0.0024，密度非常低。这说明了只有少部分作者在他们之间存在一种小范围的合作关系，大部分作者之间的联系与合作很少，大都处于独自发文阶段。这样会导致思维易封闭，思路会被局限。因此，在接下来风机发电性能的领域研究中，众研究者应该增强联系与合作，继续加深对风机发电性能的研究，推动该领域更快的进步。

图2 风机发电性能研究发文作者分布图谱

3.3 研究热点分析

3.3.1 关键词共现图谱分析

关键词是一篇论文中心的高度概括，也很大程度上体现了论文的研究方向与核心思想，本文运用Citespace软件将网络节点设置为关键词（keyword），首先把时间切片选取为１a，然后选择合理的阈值。由图3可知，“风机发电”、“风电场”、“风电机组”、“风机叶片”等在论文中出现的频次较多。各节点之间的连线越粗，表明其出现在同一篇文章的概率越大，若连线越多，则表明该关键词是一个主要研究热点，都以其为中心展开各个方向的研究[13]。

图3 风机发电性能研究关键词共现图谱

中心度表示某个关键词和另外关键词间信息流数量的多少，表明对整个网络资源的影响程度[14]。如果中心度越大，则表示该关键词的影响程度越高[15]。由表1可知，“风力发电”、“风电场”、“风电机组”和“风机叶片”是其中出现频次最高的，同时也是中心度最大的关键词，也即说明这些关键词是研究者在研究风机发电性能时重点关注的内容。

表1 出现频次较高关键词统计

3.3.2 关键词共现图谱的聚类分析

为了深入研究关键词所表示的热点话题，本文利用Citespace软件中自动聚类的方法，生成了关键词聚类知识图谱，如图4所示。并且得到了指标模块值Modularity、平均轮廓值MeanSilhouette。两者都是评价聚类效果好坏的指标。Modularity：聚类模块值（Q值），一般认为Q＞0.3表示聚类结构显著[16]。MeanSilhouette：Silhouette值S＞0.5时，一般认为聚类是合理的。运行后得出的结果为：Q=0.4623＞0.3，S=0.5126大于0.5，说明该知识图谱的聚类合理且独立性较高。本文选取了前9个聚类指标进行分析，通过对这9个标签的分析研究，得到煤矸石综合利用的热点话题如下。

（1）风电场。姜兆宇等[17]从多种时间和空间尺度的角度,综述风力发电预测方法.对风力发电从单台风力发电机、单一风电场以及风电场群三个空间尺度和时间尺度上对研究成果进行梳理与归类.

（2）风电机组。彭凡[18]以某大型风场的风机为研究对象,运用FMECA处理收集到的风机主要系统的故障信息,分别从叶轮、发电机、变桨系统等部分进行研究,阐明了各部分的故障等级与严重等级,并且提出了针对不同故障原因的处理对策和措施,为风机故障机理进行快速分析,并找出风机故障点提供了便利。

（3）风机叶片。吴培华[19]综述了国内外研究人员对风机叶片的研究,以及玻璃纤维复合材料在风机叶片中的应用与发展。

图4 风机发电性能研究关键词聚类图谱

4 总结与展望

本文基于Citespace软件，对风机发电性能研究领域2000年～2022年的相关文献进行可视化分析，对该领域的研究现状、发展历程进行了全面的研究，分析并总结了当前该领域的研究热点话题与前沿问题，对风机发电性能研究领域16年间的发展与变化进行整理，得到以下结论和建议。

（1）目前国内学者在研究风机发电性能领域的人数虽多，但彼此间的相互联系合作，这不利于该领域的进步。在该研究领域颇有建树的机构和作者可以定期举行相关的研讨会，加强学者之间交流探讨。同时，科研机构与企业应鼓励学者更加的深入研究并提高发文的质量，整体推进该领域的技术水平。

（2）我国海上资源丰富，风电向深远海发展成为必然。为实现更高效率风能捕获与利用，风电机组单机容量增加，漂浮式风机商业化应用以及风电/储能新技术成为海上风电发电重点关注的技术领域。

（3）风机发电以风能为一次能源，易受气候条件的影响，对长时间尺度下气候模式的变化比较敏感。从运行结果中可看出，目前国内学者在气候对风机发电性能的影响方面研究较少，后期学者应加大对该方面的深入研究。

5 参考文献

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第一作者（通讯作者）简介：李勇，男，1984年6月出生，贵州遵义人，本科，中级工程师，主要从事风力发电与安全施工方面的相关技术研究。