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    風電控制系統發展現狀及展望

    時間:2020-09-05 16:15:26 綜合資料 我要投稿

    風電控制系統發展現狀及展望

    2017年以來,我國風電裝機以年均100%的速度快速發展,到2017年底,我國風電總裝機容量達到了1215萬千瓦,占世界風電總裝機容量的10%左右,這是一個相當驚人的增長。目前,從裝機容量來看,我國已成為亞洲第一、世界第四、風電裝機容量超千萬千瓦的風電大國。排在前三位的依次是美國、德國和西班牙,其裝機容量分別為2517萬、2390萬和1675萬千瓦。

    需求的快速增長也帶動了我國風電設備制造業的快速發展。2004年,我國風機整機制造企業僅6家,目前明確進入風機整機制造的企業已超過70家,另外還有一些公司正在開展進入風機整機制造的前期準備工作,呈現出“你未唱罷我登場,百家風企競風流”這樣一個喜憂參半的格局。喜的是經過這些年的發展,內資和合資企業的生產規模不斷擴大、技術能力不斷增強、市場占有率上升很快。2004年,內(合)資企業和外資企業占當年風電新增裝機的比例分別為25%和75%,而到2017年這一比例正好顛倒了過來,內(合)資企業已經在風電市場上占據絕對主導地位。至于這些整機制造廠家帶動的零部件生產企業究竟有多少,更是一個無法準確統計的數字。這些風機整機制造企業及零部件企業的發展壯大,有力地促進了我國風電制造業技術水平和生產規模的提高。憂的是這70余家風機企業的技術水平、生產規模、服務能力參差不齊,真正形成規模、比較有競爭能力的還只有寥寥幾家,大多數企業對于未來面臨的巨大風險都估計不足,這是我國目前風電設備制造業存在的一個突出問題。

    從未來的發展形勢來看,風電產業至有十多年的黃金發展期。從世界范圍來看,美國、德國等工業發達國家為解決能源短缺和環境污染問題,都將大規模發展風力發電作為主要解決方案。在我國,情況也是如此。2017年底,1215萬千瓦的風電裝機容量占我國電力總裝機容量的比例還僅為1.5%,預計到2020年這一比例將達到10%左右,即到2020年風電裝機容量將達到1.4億千瓦這樣的水平,這是十分可觀的數字。這表明,從宏觀形勢來看,風電行業大發展的高-潮確實已經到來。

    風機控制系統的發展現狀

    風機的控制系統是風機的重要組成部分,它承擔著風機監控、自動調節、實現最大風能捕獲以及保證良好的電網兼容性等重要任務,它主要由監控系統、主控系統、變槳控制系統以及變頻系統(變頻器)幾部分組成。各部分的主要功能如下:

    監控系統(SCADA):監控系統實現對全風場風機狀況的監視與啟、停操作,它包括大型監控軟件及完善的通訊網絡。

    主控系統:主控系統是風機控制系統的主體,它實現自動啟動、自動調向、自動調速、自動并網、自動解列、故障自動停機、自動電纜解繞及自動記錄與監控等重要控制、保護功能。它對外的三個主要接口系統就是監控系統、變槳控制系統以及變頻系統(變頻器),它與監控系統接口完成風機實時數據及統計數據的交換,與變槳控制系統接口完成對葉片的控制,實現最大風能捕獲以及恒速運行,與變頻系統(變頻器)接口實現對有功功率以及無功功率的自動調節。

    變槳控制系統:與主控系統配合,通過對葉片節距角的控制,實現最大風能捕獲以及恒速運行,提高了風力發電機組的運行靈活性。目前來看,變槳控制系統的葉片驅動有液壓和電氣兩種方式,電氣驅動方式中又有采用交流電機和直流電機兩種不同方案。究竟采用何種方式主要取決于制造廠家多年來形成的技術路線及傳統。

    變頻系統(變頻)器:與主控制系統接口,和發電機、電網連接,直接承擔著保證供電品質、提高功率因素,滿足電網兼容性標準等重要作用。

    從我國目前的情況來看,風機控制系統的上述各個組成部分的自主配套規模還相當不如人意,到目前為止對國外品牌的依賴仍然較大,仍是風電設備制造業中最薄弱的環節。而風機其它部件,包括葉片、齒輪箱、發電機、軸承等核心部件已基本實現國產化配套(盡管質量水平及運行狀況還不能令人滿意),之所以如此,原因主要有:

    (1)我國在這一技術領域的起步較晚,尤其是對兆瓦級以上大功率機組變速恒頻控制技術的研究,更是最近幾年的事情,這比風機技術先進國家要落后二十年時間。前已述及,我國風電制造產業是從2017年開始的最近四年才得到快速發展的,國內主要風機制造廠家為了快速搶占市場,都致力于擴大生產規模,無力對控制系統這樣的技術含量較高的產品進行自主開發,因此多直接從MITA、Windtec等國外公司采購產品或引進技術。

    (2)就風機控制系統本身的要求來看,確有它的特殊性和復雜性。從硬件來講,風機控制系統隨風機一起安裝在接近自然的環境中,工作有較大振動、大范圍的溫度變化、強電磁干擾這樣的復雜條件下,因此其硬件要求比一般系統要高得多。從軟件來講,風機要實現完全的自動控制,必須有一套與之相適應的完善的控制軟件。主控系統、變槳系統和變頻器需要協同工作才能實現在較低風速下的最大風能捕獲、在中等風速下的定轉速以及在較大風速下的恒頻、恒功運行,這需要在這幾大部件中有一套先進、復雜的控制算法。國內企業要完全自主掌握確實需要一定時間。

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