存量风力发电机组发电量提升方案研究

　　黄建明 蒋龙鑫

　　【摘 要】随着全球能源需求的不断增长和环境保护意识的提高，风力发电作为一种清洁、可再生的能源形式，已经成为世界范围内能源结构调整的重要选择。我国风力发电市场经过多年的快速发展，已经形成了较大的规模，风力发电机组装机容量逐年攀升。然而，在风力发电机组运行过程中，仍有一定的效率和发电量提升的空间。因此，研究存量风力发电机组发电量提升方案具有重要的现实意义。

　　【关键词】风力发电机组；机组控制；发电量提升

　　引言

　　目前，国内外针对风力发电机组发电量提升的研究主要集中在以下几个方面：一是通过优化风力发电机组的空气动力学设计，提高风能利用率；二是改进风力发电机组的传动系统和控制系统，提高运行效率；三是通过对风力发电机组的维护和管理，延长设备寿命，提高发电量。然而，这些研究主要针对新建风力发电机组，对于存量风力发电机组的发电量提升研究相对较少。本研究旨在针对存量风力发电机组，探讨通过技术改进、管理优化等手段，提高发电量的可行性和实施路径，为我国风力发电行业的发展提供技术支持和决策参考。

　　一、存量风力发电机组现状分析

　　（一）存量风力发电机组的基本情况

　　截至2023年，我国风力发电机组行业已经取得了显著的成就，形成了较大的市场规模。根据2023-2030年风力发电机组行业市场发展现状及投资前景展望报告，我国风力发电机组行业在政策扶持和市场需求的双重推动下，已经建立完整的产业链，包括原材料供应、零部件制造、整机组装以及运营维护等各个环节。在产业链上游，原材料市场以钢铁、有色金属、环氧树脂和玻璃纤维等为主。钢铁市场的供需规模及价格走势对整个行业产生重要影响。而在有色金属市场，铜和铝的供需情况及其价格走势同样牵动着行业的敏感神经[1]。此外，环氧树脂和玻璃纤维作为风力发电机组的重要材料，其市场供需及价格走势也对行业发展产生重要影响。在中游的零部件制造环节，风力发电机组的各个核心零部件，如叶片、塔架、发电机等，其质量和性能直接关系到整个风力发电机组的性能和效率。在下游的运营维护环节，随着存量风力发电机组的不断增加，如何提高机组的运行效率、降低维护成本、延长机组寿命等问题日益凸显，对整个行业的技术水平和服务的专业性提出了更高的要求。

　　（二）存量风力发电机组的发电效率

　　在存量风力发电机组中，不同型号和不同年龄的机组其发电效率存在一定的差异。一般来说，新型号、高塔架的机组因其风能利用率更高、技术更成熟，其发电效率相对较高。而一些老旧机组，由于技术落后、维护不当等原因，其发电效率可能较低。影响存量风力发电机组发电效率的因素还有很多，如机组的安装位置、风向、风速、机组本身的性能等。因此，对于存量风力发电机组的发电效率提升，需要综合考虑这些因素，通过技术升级、优化运行维护等方式来实现。

　　（三）存量风力发电机组存在的问题

　　尽管我国风力发电机组行业取得了显著的成就，但在存量风力发电机组中也存在一些问题。首先，部分存量风力发电机组的性能和技术水平相对落后，无法满足当前行业的发展需求。这不仅限制了整个行业的进步，也影响了我国风力发电机组的出口业务。其次，由于存量风力发电机组的数量不断增加，其运营维护成本也在不断提高[2]。如何降低维护成本、提高维护效率，是整个行业需要面对的问题。最后，随着风力发电机组规模的扩大，如何提高机组的可靠性和安全性，确保发电效率和人员安全，也是行业需要重点关注的问题。

　　二、风力发电机组发电量影响因素分析

　　（一）风力资源评估与机组选址

　　风能资源的分布与特性是影响风力发电机组发电量的基础因素。全球范围内，风能资源主要集中在两个区域：一是位于赤道两侧的副热带高压带，这里的风速较高，但风向多变，对风力发电不利；二是位于极地附近的副极地低压带，这里的风速虽然较低，但风向稳定，更适合风力发电。在我国东南沿海地区虽然风能资源相对较少，但由于其经济发达，对能源的需求大，因此风力发电机组的装机容量较高。风能资源的特性主要包括风速和风能密度。风速是衡量风能资源发电潜力的直接指标，一般而言，风速越高，发电效率越高。而风能密度则是指单位体积空气所具有的风能，它与风速的立方成正比。因此，在评估风能资源时，需要综合考虑这两个因素。

　　风力发电机组的选址直接关系到风能的利用效率和发电量。选址地区的风速和风能密度应满足风力发电机组的设计要求，以确保较高的发电效率。平坦的地形有利于风能的聚集和传输，减少风能损失。同时，避免选址在山区、丘陵等地形复杂区域，以减少风能的消耗。机组选址应便于运输和维护，降低建设和运营成本。避免在生态敏感区和人口密集区选址，减少对环境和居民的影响[3]。选址地区应具备便捷的电网接入条件，确保发电量的有效利用。通过对风力发电机组选址的优化，可以提高风能的利用效率，从而增加发电量。此外，在实际运行过程中，还需根据当地风能资源的实时变化，对发电机组进行调整和优化，以实现最大化的发电效益。

　　（二）风力发电机组技术性能分析

　　风力发电机组根据不同的分类标准，可以分为多种类型。按照风能转换的方式，它们可以被分为水平轴和垂直轴两种类型。根据安装的地点，又可以分为陆上和海上两种。此外，按照叶片的数量，还有单叶片和多叶片之分。尽管这些风力发电机组的类型各不相同，但它们的工作原理大致相同。它们都是利用风能来驱动叶片的旋转，通过叶片与风的相互作用，将风能转化为机械能，最后通过发电机将机械能转化为电能。在所有类型中，水平轴风力发电机组是目前最广泛应用的一种，其叶片多为螺旋状，通过叶片的旋转来驱动发电机，从而产生电能。

　　风力发电机组的发电量与其技术性能参数密切相关。主要的技术性能参数包括风轮直径、风轮转速、额定风速、切出风速、额定功率、切入风速等。风轮直径是风力发电机组的重要参数之一，它直接影响到机组的捕风能力和发电量。通常情况下，风轮直径越大，机组的发电量越高。然而，风轮直径的增加也会带来一系列的挑战，如制造成本的增加、运输和安装的困难等。风轮转速也是影响发电量的重要参数[4]。风轮转速的增加可以提高机组的发电量，但过高的转速也会带来一系列的问题，如噪音增加、叶片疲劳寿命降低等。额定功率和切入风速也是影响发电量的重要参数。额定功率是指机组在额定风速下能够发出的最大功率，而切入风速是指机组开始发电的最小风速。风力发电机组的发电量与其技术性能参数密切相关，合理的选型和参数设置可以提高机组的发电量，降低运行成本，提高投资回报率。

　　三、存量风力发电机组发电量提升策略

　　（一）技术改造与升级

　　1.叶片优化与空气动力学改进

　　叶片的优化设计对风力发电机组的发电效率有着直接的影响。通过对叶片形状、尺寸和材质的优化，可以降低阻力，提高升力，从而增加发电量。此外，采用先进的空气动力学技术，如动态失速控制和气流分离控制，可以进一步提高叶片的气动性能，实现更高的发电效率。

　　2.控制系统升级与智能化改造

　　对风力发电机组的控制系统进行升级和智能化改造是提升其运行效率和可靠性的关键途径。通过引入更高级的控制技术和传感器，能够实现对风速、风向和负载的实时监控与精准调节。进一步地，借助人工智能和大数据分析的能力，我们能够对风力发电机组进行远程监控，并预测潜在的故障，这不仅能够提高发电的效率，还能有效减少维护成本。

　　3.发电机组并网技术与电能质量提升

　　并网技术是风力发电与电网连接高效性的关键所在。通过使用前沿的并网技术和电力电子设备，可以实现发电机组的快速启动、负载分配和频率调整，这有助于提升发电效率和系统的整体稳定性。此外，电能质量的提升也同样重要，例如通过无功补偿和滤波器的设计，可以减少电网的损耗，进而提高电能的利用效率。

　　（二）运行优化与控制策略

　　1.风能预测与机组调度优化

　　风能预测是对风力发电机组发电量进行有效管理的基础。通过对风速、风向、气压等气象数据的实时监测和分析，预测未来一段时间内的风能资源情况，从而为机组调度提供依据。机组调度优化是根据风能预测结果，结合发电机组的状态、电网需求等信息，合理安排机组的发电计划，提高发电效率和电网的供电质量。通过风能预测与机组调度优化的结合，可以有效降低因风力不稳定导致的发电波动，提高风力发电的可靠性和经济性。

　　2.最大功率跟踪控制策略

　　最大功率跟踪控制策略（Maximum Power PointTracking，MPPT）是风力发电机组的关键技术之一，其目的是使发电机组在风速变化时，始终运行在最大功率点附近，从而提高发电效率。最大功率点是指风电机组在某一风速下，叶片攻角和风速的组合使得发电机输出的功率达到最大值的点。MPPT控制器通过实时监测机组的功率和风速，调整叶片的攻角，使机组始终运行在最大功率点附近。这样可以有效提高风能利用率，增加发电量。

　　3.远程监控与故障诊断系统建设

　　远程监控与故障诊断技术在风力发电机组的运行管理中扮演着至关重要的角色。该技术通过采集关键的运行数据，如风速、发电功率、叶片角度和机舱温度等，并将这些数据发送至远程监控中心，从而实现对发电机组的远程监控和管理。在远程监控中心，通过分析处理这些数据，可以实时监控机组的运行状态，及时发现任何异常情况，并进行故障诊断和预警。此外，该系统还能为维护工作提供指导，帮助制定维护计划，从而提升维护的效率和质量。通过建立这一系统，可以有效降低风力发电机组的运行成本，并提升其可靠性和经济性。

　　（三）维护管理与预防性维护

　　1.定期维护与保养计划

　　对于存量风力发电机组的发电量提升，定期维护与保养计划是至关重要的。通过制定详细的维护与保养计划，可以确保风力发电机组在良好的状态下运行，从而提高发电量。定期检查风力发电机组的各个部件，如叶片、塔架、传动系统等，确保其正常运行；定期更换润滑油，以减少磨损和摩擦，延长设备使用寿命；定期清洗风力发电机组的叶片和塔架，以保持其最佳的风阻系数；定期检查并调整风力发电机组的平衡，以确保其稳定运行；定期对风力发电机组进行电气系统检查，以保证其安全可靠运行。

　　2.预防性维护策略与故障诊断

　　实施预防性维护对于确保风力发电机组的高效运行至关重要。通过采用这种维护策略和故障诊断，能够及时识别并处理任何潜在问题，进而提升发电效率。这涉及对风力发电机组进行状态监测，实时搜集必要数据，分析其运行状况，以便及时察觉任何异常。此外，故障诊断技术的应用能够实现对机组故障的快速识别，并据此制定有效的维修计划。通过建立故障预测模型，可以基于运行数据和历史故障记录来预测可能出现的故障，并提前采取预防措施[5]。定期检测风力发电机组的关键部件，如叶片、塔架和传动系统，也是确保其安全可靠运行的重要手段。这些措施共同作用，有助于降低维护成本并提高风力发电机组的整体运行效率。

　　3.维护成本分析与优化

　　在风力发电机组的运营过程中，维护成本是一个不容忽视的要素。通过深入分析与优化这部分成本，不仅可以减少开支，还能提升发电效率。具体来说，对维护成本的详细记录和分析至关重要，这涉及人工成本、材料成本以及维修设备成本等多个方面。为了降低维护成本，可以探索各种机会，例如，通过采购高质量的原材料和提高维护工作的效率来减少维护成本支出。此外，优化维护计划和流程也是降低成本的有效途径，这包括减少不必要的维护工作，从而提高维护效率。同时，利用先进的技术和工具，如无人机和机器人，可以在确保维护安全性的同时，进一步提升维护工作的效率。这些措施将共同作用，有助于实现风力发电机组运行成本的降低和发电效率的提升。

　　结束语

　　总而言之，本文通过对存量风力发电机组发电量提升方案的研究，深入探讨了影响发电量的关键因素和相应的提升策略。通过综合性的方案实施，我们有望有效提升存量风力发电机组的发电量，推动风力发电行业的健康发展。然而，值得注意的是，发电量提升并非一蹴而就的过程，需要行业内外各方面的共同努力和持续创新。未来，我们期待通过技术创新、政策支持和行业合作，进一步推动风力发电行业的发展，为实现全球能源结构转型和可持续发展目标做出更大贡献。同时，我们也期待更多的研究者和从业者加入这一领域的研究中，共同推动风力发电技术的进步和应用。

　　参考文献：

　　[1] 刘瑞刚, 赵瑞璐. 存量风力发电机组发电量提升方案研究[J]. 能源科技,2022,20(6):70-73.

　　[2] 杨劲, 谢伟, 张伟, 等. 定桨距风力发电机组叶片加装涡流发生器性能提升研究[J]. 机电工程技术,2019,48(10):124-127.

　　[3] 董燕, 廖雪松, 雷春宇, 等. 基于空气密度提升发电量的风力发电机组自适应技术[J]. 船舶工程,2019(s1):337-340.

　　[4] 程传玉. 定桨距风力发电机组发电性能提升技术研究[J]. 机电工程,2016,33(1):24-29.

　　[5] 丁祥, 兰志杰. 发电量提升技术在兆瓦级风力发电机组中的应用[J]. 电气技术,2013(12):21-23,64.

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