牛自强，尚益章
（国华投资蒙西公司川井风电场，内蒙古 巴彦淖尔 015000）
风力发电是一种将风的动能转化为电能的能量转换方式，通过这种发电方式得到的电能有着清洁环保的优点，在新时期发展背景下，人们消耗的电力资源总量不断增长，为了满足人们在对电力资源需求的基础上，降低电力供应对自然环境造成的污染，合理应用风力发电技术，成为了一项极为必要的工作。
1 风力发电的技术原理与应用价值
风能是一种清洁无公害的能源，在当前社会发展过程中，合理应用风力发电技术，不仅能够实现风力资源的有效利用，还能满足人们生活、生产对电能的需要。随着人们对风力发电技术重视程度的不断提升，当前我国风力发电量逐年攀升，从国家能源局发布的数据中可以了解，截止至2021年底我国风电总装机容量达到4.4亿kW。现阶段，为使风力发电技术的作用能够得到充分的发挥，需要对这一技术进行深入研究。
1.1 工作原理
风力发电机的工作原理比较简单，风轮在风力的作用下旋转，把风的动能转变为风轮轴的机械能。发电机在风轮轴的带动下旋转发电。近年来，随着人们环保节能意识的不断深入，为了进一步提升风能的利用率，风力发电系统越发复杂，当前的风力发电机系统中除了风轮系统、发电机外，还有齿轮箱、控制系统、偏航系统和塔架等部分。具体来说，首先，在风力发电系统运转过程中，齿轮箱中齿轮的相互作用可以有效提升发电机的转速，在提升发电机工作效率的同时，保证了电力供应的稳定性。其次，在风电系统运转过程中，控制系统是保证系统整体稳定工作的关键系统，不仅能够对风电系统中的各个模块进行有效的管控，对风电系统并网、脱网状态进行控制，保证风力发电机能够保持电压频率的稳定性，还能对系统整体工作状态加以监控，一旦发现系统运转过程中出现问题，则及时发出警报信号，便于工作人员对故障进行排除。再次，偏航系统在实际应用过程中，能够依据风电系统安装位置风力变化情况，对风轮的扫掠面进行控制，通过保证扫掠面与风向始终保持垂直状态的方式，进一步提升风力资源的利用效率。最后，在风力发电系统停止工作时，为切实降低风力发电系统停机的难度，可以通过合理应用伺服控制技术，调整桨距角改变风轮转速，从而实现风电发动机的速度的管控，在保证系统能够稳定停止运转的同时，不会给后续发电系统的重启造成不利影响[1]。
1.2 应用价值
在电子设备不断普及的当下，人们对电力资源的需求量不断上涨，为了在切实满足人们对电力资源需求的同时，降低由火力发电所产生的的化石能源消耗，减少碳排放量，风能、水能等清洁能源受到了人们的广泛关注。风能作为一种清洁可再生能源，在我国的分布广泛，在“双碳”战略背景下，应用风力发电技术，不仅能够减少化石能源的消耗，降低电能供应工作的成本，保障我国的能源安全，还能对当前我国电力资源紧张的状况加以缓解，降低能源供应过程中对自然环境造成的破坏。具体来说，在化石能源存储量不断减少的当下，传统的火力发电工作成本不断上涨，并且在部分风能密度较大的区域，当地的火电成本与风电成本相近。为了在减少火电对化石能源消耗量的同时，降低火电产生的环境污染，加大风电的推广力度，不仅可以降低风电体系的建设运行成本，还能更好地满足当前人们对环境保护工作的需要[2]。
2 新时期新能源风力发电相关技术
在新时期的发展背景下，因我国陆上、海上风力资源都极为丰富，并且这一资源使用安全性、清洁性相对较高，这使得风电技术在实际使用的过程中有着较多优势，因此当前我国对风电技术的投入在不断增长，这一情况的出现使得我国风电技术越发成熟，2022年3月，国家发展改革委、国家能源局印发《“十四五”现代能源体系规划》，文件提出：到2025年，非化石能源消费比重提高到20%左右，非化石能源发电量比重达到39%左右，电气化水平持续提升，电能占终端用能比重达到30%左右。规划要求：大力发展非化石能源，加快发展风电、太阳能发电。全面推进风电和太阳能发电大规模开发和高质量发展，优先就地就近开发利用，加快负荷中心及周边地区分散式风电和分布式光伏建设，推广应用低风速风电技术。在风能和太阳能资源禀赋较好、建设条件优越、具备持续整装开发条件及符合区域生态环境保护等要求的地区，有序推进风电和光伏发电集中式开发，加快推进以沙漠、戈壁和荒漠地区为重点的大型风电光伏基地项目建设，积极推进黄河上游、新疆和冀北等多能互补清洁能源基地建设。积极推动工业园区、经济开发区等屋顶光伏开发利用，推广光伏发电与建筑一体化应用。开展风电、光伏发电制氢示范。鼓励建设海上风电基地，推进海上风电向深水远岸区域布局。积极发展太阳能热发电。此后，各省市也相继发布：“十四五”新能源规划，其中包含千万千瓦级大风电项目，2020年北京国际风能大会上提出的《风能北京宣言》指出，在“十四五”规划期间，我国风电年均新增装机量将会超过5千万kW，2025年后，我国风电新增装机容量应超过6千万kW。预计到2025年能实现风电总装机容量11亿kW发展目标。
2.1 风功率预测
在当前的风电场工作过程中，受风力大小无法始终保持一致的影响，风电系统的发电功率并不稳定，并且风电系统的发电功率与风力大小之间呈现正比例关系，现阶段，为了保证风电系统电力供应的稳定性，利用风功率预测技术，对风电系统的功率进行预测，然后依据预测结果对电网进行调度调整，在降低风电电力并入电网后，电网进行电力调度的同时，提升电网的稳定性，为电网接受更多的风电资源创造有效的环境条件。考虑到在当前风功率预测时，风电场对预测有着不同的模型、周期要求，因此，在实际预测过程中，需要采用具有针对性的预测技术，以便切实提升预测的准确性。
2.1.1 预测周期
为满足风功率预测工作对于预测时间长短的需要，预测周期可以分成超短期预测、短期预测和中长期预测这几类，并且在实际应用过程中，超短期预测更多地被用于风电实时调度工作中；短期预测一般被应用于机组、备用资源的调度过程中；中长期预测更多地被应用于系统维护、风能评估等工作中。
2.1.2 预测模型
预测模型法主要可以分成物理法、统计法和组合模型法这几种风功率预测方法，在实际使用过程中，首先，物理法更多地是以气象学理论为基础，通过对风电场区域的气候情况加以模拟的方式，建立合理的预测模型，然后将模型与风电机组功率加以结合，实现风电功率的有效预测，需要注意的是，尽管在模拟过程中，风向、风速、空气密度等因素都属于模拟要素，均参与到了风电场区域气象模拟工作，但受风速变化随机性较强的影响，物理法预测的结果往往与现实之间存在一定的误差。其次，统计法是一种利用数学工具，构建预测对象与统计结构间的数学关系，并以这一关系为基础，对风电场区域的风功率变化规律进行统计分析，并对风功率进行预测。在实际使用过程中，在进行统计分析时的算法与预测结果的准确性之间存在着极为密切的联系，现阶段，统计法应用过程中较为常用的算法为时间序列算法与机械学习算法。最后，由于物理法与统计法在实际使用过程中均存在着一定的缺陷，现阶段，为了进一步提升预测工作的准确性，可以应用组合模型预测法对上述2种预测方法的优点进行吸收，并构建更为科学的预测模型，为后续预测质量的提升提供有效的支持，由于这一预测方法是对物理法与统计法使用优点的综合，因此组合模型预测法是一种具有较强综合性的算法。在实际应用中针对各个地区不同的气候和地形条件，结合风电场的实际需求，对气象模型进行局地化、精细化调整，从源头控制计算精度。
2.2 风电机组功率调整
在风能密度一定的情况下，风电机组的功率大小与风能的利用效率及电力供应量之间存在着直接的联系，现阶段，为了进一步提升电能供应的稳定性，提升风能的利用效率，则需要合理应用风电机组功率调整功能，提升风能转化的机械能再转化成电能的效率。具体来说，在风电机组的实际使用过程中，受机组内各零部件的机械强度、容量等因素的限制，风电机组运行稳定性与安全性不一定能够满足当前风电系统的工作需要。为切实解决上述问题，合理应用风电机组功率调整技术，在风电机组所处环境风能较小时，可以通过提升风电机组对于风能捕获能力的方式，提升整个风电机组的发电功率；在风电机组所处环境风能较大时，在考虑到风电机组整体结构强度、发电功率等因素的基础上，通过适度降低风电机组捕获能力的方式，在避免机组产生过载问题的基础上，提升风电机组工作的稳定性。
当前较为常用的风电机组功率调整技术为变桨距控制技术。具体来说，变桨距控制技术是一种通过调整桨距的方式，实现风电机组功率调整的技术，在实际应用过程中，风电机组的功率会受外界风能密度大小的影响，若风电机组的输出功率与额定输出功率低或高，那幺可以通过变桨距控制技术对桨距角的大小进行自动调整的方式，从而在保证风电机组既不会超出额定功率又不会比额定功率低太多。变桨距控制技术是一种主动型的控制技术，其发展的新方向是集中变桨和独立变桨，其中独立变桨技术是在统一变桨控制基础上发展的一种变桨技术，在实际使用过程中，独立变桨系统可以依据叶片的不同运行情况，对其叶片角度进行调整，通过这种方式，切实降低机组荷载，增强机组的运行稳定性，因此，在当前的风电机组应用过程中，独立变桨技术的应用效果和环境适应性更好。
2.3 无功电压自动控制
无功电压自动控制技术在实际应用过程中，是通过风电无功电压自动控制子站与相应监控系统共同工作的方式，实现风电机组的有效管控。同时，在当前风电系统接入电网系统后，为避免风电机组因为电网电压短时间的升高或降低而出现停机的现象，高/低压穿越技术受到了风电机组入网工作的关注。现阶段，为进一步提升电力供应的稳定性，在当前的风电机组入网时，应用了高低压穿越技术，使得短时间的电压波动并不会影响风电机组的运转状态，降低了风电机组大规模脱网问题出现的可能性，从而为电能的稳定供应提供了有效的支持[3]。
2.4 并网风力发电系统
在风电机组运转过程中，并网双馈系统中的传动模型可以将系统收集到的风能转化为电能，在风电机组不配备齿轮箱的情况下，可以借助直驱风电发电机使得风车叶片直接带动发电机的旋转，从而实现发电的功能，在直驱风电发电机的使用过程中，为进一步提升风电机组的轻便性，可以采用使用了永磁体技术的直驱式发电机组。现阶段，若风电机组在运转过程中，风能的大小没有达到预定的风速标准，那幺可以利用变流器对发电机组加以管控，从而保证发电机组的输出功率能够满足额定输出功率的要求。在变流器工作时，第一，可以通过控制侧变流的方式，提升风力发电机组输出电流控制的稳定性。在此过程中，风电机组可以通过侧身变流器对电流转换方式加以调整，使电动势能大小、内部转子运动速度发生改变，从而降低功率大小变化对电流稳定性产生的影响。第二，可以通过控制网测电流的方式，实现风电机组系统内部变流器与电网系统之间的功率调整，从而降低风电输出功率在传入电网后，电网体系对风电功率进行进一步调整的必要性[4]。
3 新能源风力发电技术的发展方向
在新时期的发展背景下，随着化石能源储量的不断减少与人们对环境保护工作重要性认识的不断深入，清洁能源受到了人们的广泛欢迎，进一步提升风能、太阳能、潮汐能等新能源的利用率，成为了推动当前社会经济稳步发展的重要工作之一。风能作为一种人们利用时间相对较长的能源，在当前人们对电力资源需求量不断增长的背景下，提升对风电技术的关注度，攻克过去风电技术研发过程中存在的问题，研发高新风电技术，以便实现推动风电技术的稳步发展，满足当前电力供应需要的必由之路。
3.1 大容量风电系统
近年来，为进一步提升风力资源的利用率，风扇叶面的表面积不断扩大，风电系统的规模与复杂性不断增加，但需要注意的是，在风电系统体积增大的过程中，风电机组内部结构不能通过单纯增大的方式，提升风能转化效率，面对上述情况，提升对大容量风险系统研发工作的关注度，攻克风电系统体积增大过程中暴露出来的系统运转问题，提升风电机组与内部控制系统设计的合理性，成为了一项极为必要的工作。举例来说，2022年4月8日，三峡平潭外海海上风电塔筒设备正式开工，这一项目是当前亚洲单机容量最大的风电项目，项目规划总装机容量为100 MW，布置的风电机组有11台，其中包括1台13 MW的风电机组，据数据调查显示，该项目建成后，每年可以提供清洁电能44 388.9万kW·h，同比节约了标准煤13.6万t（火电煤耗按照295 g/kW·h计算），减少二氧化碳排放量为37.20万t/a。同时，随着各类新材料的不断涌现及加工工艺技术的不断创新，为进一步提升风电系统的容量与可靠性，必须努力攻克当前大容量风电系统开发应用过程中的技术难题[5]。
3.2 深海远海风电场技术
对当前的风能资源分布情况进行调查分析后可以发现，相较于陆地风能，海上风能更为稳定与丰富，现阶段，为了更好地满足人们对风电资源的需求，在海上建设更多、单机容量更大的风电机组，成为切实满足当前人们对风电资源需求的重要举措之一。近年来，随着科学技术的不断发展，当前近海区域已经成功建设了一些海上升压站，但相较于广阔的海洋，建设海上风电机组的区域面积较小，这在一定程度上造成了海上风力资源的浪费。在新时期科学技术不断发展的背景下，为切实解决上述问题，远海、深海风电场技术的研究与应用，成为推动海上风电技术稳定发展，满足当前社会对电力资源供应需求的关键工作之一。
3.3 并网技术与最大风能捕获技术
在风电技术发展过程中，并网型风力发电系统的应用效果主要由风电并网技术与发电机组控制技术的发展情况所决定，并网技术与最大风能捕获技术的深入研究，同样是推动未来风电发展的重要研究内容。具体来说，在风电并网的过程中，风电的反调峰特性增大了当前风险并网调峰工作的难度，同时，风电在供应室的间歇性与随机性也增大了电网调频工作的负担，尽管当前部分电网并网区域应用了低负荷时段弃风技术，但如何进一步提升风电机组电力资源供应的稳定性，仍是当前并网技术发展过程中的重点、难点之一。同时，为进一步提升风力资源的利用率，最大风能捕获技术同样受到了人们的广泛关注，现阶段，较为常用的最大风能捕获算法包括最佳叶尖速比法、功率反馈法和爬山法，尽管这些算法在实际应用过程中能够提升风电机组的工作效率，但受风速多变、需要设定风力电机最佳叶尖速比等问题的影响，上述算法的使用难度相对较大，无法大规模推广利用，因此，研究更为简便有效的最大风能捕获技术，成为了一项极为必要的工作。
3.4 低风速区的高塔架技术
面对当前一些风能资源较好的地区受并网的限制，需要“弃风”的情况，低风速区的高塔架技术已经成为当前我国风电技术研发的又一重点方向，并且这一技术的应用范围更为广阔，能够更好地满足当前人们对电力资源的需要。
4 结束语
总而言之，我国风力资源较为丰富，风力发电技术的应用不仅可以有效提升我国风力资源的利用率，还能满足人们对电力供应的需要。在新时期的发展过程中，为了使电力供应工作能够更好地满足“绿水青山就是金山银山”的发展需要，合理应用风力发电技术，成为了推动我国电力行业及社会经济稳定发展的重要工作。
