风电控制系统发展现状及展望

综合资料  编辑:陆玉梅   2017-05-16 15:15:03

2017年以来,我国风电装机以年均100%的速度快速发展,到2017年底,我国风电总装机容量达到了1215万千瓦,占世界风电总装机容量的10%左右,这是一个相当惊人的增长。目前,从装机容量来看,我国已成为亚洲第一、世界第四、风电装机容量超千万千瓦的风电大国。排在前三位的依次是美国、德国和西班牙,其装机容量分别为2517万、2390万和1675万千瓦。

需求的快速增长也带动了我国风电设备制造业的快速发展。2004年,我国风机整机制造企业仅6家,目前明确进入风机整机制造的企业已超过70家,另外还有一些公司正在开展进入风机整机制造的前期准备工作,呈现出“你未唱罢我登场,百家风企竞风流”这样一个喜忧参半的格局。喜的是经过这些年的发展,内资和合资企业的生产规模不断扩大、技术能力不断增强、市场占有率上升很快。2004年,内(合)资企业和外资企业占当年风电新增装机的比例分别为25%和75%,而到2017年这一比例正好颠倒了过来,内(合)资企业已经在风电市场上占据绝对主导地位。至于这些整机制造厂家带动的零部件生产企业究竟有多少,更是一个无法准确统计的数字。这些风机整机制造企业及零部件企业的发展壮大,有力地促进了我国风电制造业技术水平和生产规模的提高。忧的是这70余家风机企业的技术水平、生产规模、服务能力参差不齐,真正形成规模、比较有竞争能力的还只有寥寥几家,大多数企业对于未来面临的巨大风险都估计不足,这是我国目前风电设备制造业存在的一个突出问题。

从未来的发展形势来看,风电产业至有十多年的黄金发展期。从世界范围来看,美国、德国等工业发达国家为解决能源短缺和环境污染问题,都将大规模发展风力发电作为主要解决方案。在我国,情况也是如此。2017年底,1215万千瓦的风电装机容量占我国电力总装机容量的比例还仅为1.5%,预计到2020年这一比例将达到10%左右,即到2020年风电装机容量将达到1.4亿千瓦这样的水平,这是十分可观的数字。这表明,从宏观形势来看,风电行业大发展的高-潮确实已经到来。

风机控制系统的发展现状

风机的控制系统是风机的重要组成部分,它承担着风机监控、自动调节、实现最大风能捕获以及保证良好的电网兼容性等重要任务,它主要由监控系统、主控系统、变桨控制系统以及变频系统(变频器)几部分组成。各部分的主要功能如下:

监控系统(SCADA):监控系统实现对全风场风机状况的监视与启、停操作,它包括大型监控软件及完善的通讯网络。

主控系统:主控系统是风机控制系统的主体,它实现自动启动、自动调向、自动调速、自动并网、自动解列、故障自动停机、自动电缆解绕及自动记录与监控等重要控制、保护功能。它对外的三个主要接口系统就是监控系统、变桨控制系统以及变频系统(变频器),它与监控系统接口完成风机实时数据及统计数据的交换,与变桨控制系统接口完成对叶片的控制,实现最大风能捕获以及恒速运行,与变频系统(变频器)接口实现对有功功率以及无功功率的自动调节。

变桨控制系统:与主控系统配合,通过对叶片节距角的控制,实现最大风能捕获以及恒速运行,提高了风力发电机组的运行灵活性。目前来看,变桨控制系统的叶片驱动有液压和电气两种方式,电气驱动方式中又有采用交流电机和直流电机两种不同方案。究竟采用何种方式主要取决于制造厂家多年来形成的技术路线及传统。

变频系统(变频)器:与主控制系统接口,和发电机、电网连接,直接承担着保证供电品质、提高功率因素,满足电网兼容性标准等重要作用。

从我国目前的情况来看,风机控制系统的上述各个组成部分的自主配套规模还相当不如人意,到目前为止对国外品牌的依赖仍然较大,仍是风电设备制造业中最薄弱的环节。而风机其它部件,包括叶片、齿轮箱、发电机、轴承等核心部件已基本实现国产化配套(尽管质量水平及运行状况还不能令人满意),之所以如此,原因主要有:

(1)我国在这一技术领域的起步较晚,尤其是对兆瓦级以上大功率机组变速恒频控制技术的研究,更是最近几年的事情,这比风机技术先进国家要落后二十年时间。前已述及,我国风电制造产业是从2017年开始的最近四年才得到快速发展的,国内主要风机制造厂家为了快速抢占市场,都致力于扩大生产规模,无力对控制系统这样的技术含量较高的产品进行自主开发,因此多直接从MITA、Windtec等国外公司采购产品或引进技术。

(2)就风机控制系统本身的要求来看,确有它的特殊性和复杂性。从硬件来讲,风机控制系统随风机一起安装在接近自然的环境中,工作有较大振动、大范围的温度变化、强电磁干扰这样的复杂条件下,因此其硬件要求比一般系统要高得多。从软件来讲,风机要实现完全的自动控制,必须有一套与之相适应的完善的控制软件。主控系统、变桨系统和变频器需要协同工作才能实现在较低风速下的最大风能捕获、在中等风速下的定转速以及在较大风速下的恒频、恒功运行,这需要在这几大部件中有一套先进、复杂的控制算法。国内企业要完全自主掌握确实需要一定时间。

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