5月6日，國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院將海上風(fēng)機變速-變槳協(xié)調(diào)控制技術(shù)方案應(yīng)用在江蘇省海上風(fēng)電工程研究中心1.6萬千瓦風(fēng)機試驗臺上，進行全過程模擬測試，經(jīng)驗證各項控制性能達到預(yù)期指標(biāo)。這意味著該項控制技術(shù)在實現(xiàn)0.8萬千瓦級海上風(fēng)機工程應(yīng)用的基礎(chǔ)上，向針對超大容量海上風(fēng)機的應(yīng)用邁出堅實一步。
隨著江蘇省海上風(fēng)電并網(wǎng)容量逐年增加，傳統(tǒng)的海上風(fēng)電最大功率追蹤控制方式已不能適應(yīng)電網(wǎng)安全運行需求。江蘇電科院創(chuàng)新提出海上風(fēng)機變速-變槳協(xié)調(diào)控制技術(shù)方案，大幅降低了風(fēng)機的機械動作強度，提升了風(fēng)機控制性能。目前，該技術(shù)已應(yīng)用于風(fēng)機生產(chǎn)制造，滿足了電網(wǎng)對海上風(fēng)電的一次調(diào)頻性能要求，助力海上風(fēng)電更友好并網(wǎng)。
針對海上風(fēng)機特點展開控制技術(shù)攻關(guān)
江蘇沿海風(fēng)能資源豐富，目前海上風(fēng)電裝機容量已近1200萬千瓦。海上風(fēng)電沿海岸線呈片狀分布，臨近負荷中心，與電網(wǎng)緊密耦合。隨著裝機規(guī)模的快速增加，“靠天吃飯”的海上風(fēng)電對電網(wǎng)的影響也越來越大。
2019年8月，超強臺風(fēng)“利奇馬”登陸江蘇，臺風(fēng)離境時風(fēng)電出力下降速度達每分鐘15萬千瓦，沿海風(fēng)電出力的劇烈波動給鹽城、南通等沿海地區(qū)電網(wǎng)調(diào)頻、調(diào)峰帶來嚴峻考驗。
“過去，電力系統(tǒng)中的發(fā)電機主要是火電機組，頻率控制能力很強。而海上風(fēng)力發(fā)電受風(fēng)能資源限制，發(fā)電出力隨機性強、波動性大，不像火電機組能在用電負荷大幅增加的情況下快速調(diào)節(jié)自身發(fā)電出力。”江蘇電科院海上風(fēng)電攻關(guān)團隊核心成員李群介紹，近年來，江蘇海上風(fēng)電等新能源裝機容量占比快速增加，僅靠火電機組調(diào)頻無法滿足系統(tǒng)調(diào)頻需求。海上風(fēng)電機組也需要實現(xiàn)發(fā)電出力可控制，具備類似火電機組的調(diào)頻能力。
“常態(tài)化控制海上風(fēng)電發(fā)電出力會觸發(fā)風(fēng)機葉片、軸承等部件頻繁動作，對風(fēng)機的機械強度要求很高，容易導(dǎo)致風(fēng)機疲勞損傷。”李群說，其實從2008年起，攻關(guān)團隊已開始對陸上風(fēng)機出力控制進行研究，并且積累了一定的技術(shù)和經(jīng)驗。但當(dāng)團隊嘗試把陸上風(fēng)機的控制方法用于海上風(fēng)機時，發(fā)現(xiàn)兩者有巨大差異。“和陸上風(fēng)機相比，海上風(fēng)電機組容量大、掃風(fēng)面積大，面臨的風(fēng)況更加復(fù)雜，會導(dǎo)致風(fēng)機載荷增大、應(yīng)力更不均衡，造成的風(fēng)機疲勞損傷也更嚴重。”
常規(guī)風(fēng)電場有功控制無法滿足海上風(fēng)機高可靠運行要求，難以保證海上風(fēng)電場持續(xù)、準(zhǔn)確地響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)頻需求。2015年起，李群帶領(lǐng)團隊開始對海上風(fēng)電機組控制技術(shù)展開攻關(guān)。
創(chuàng)新思路提出變速-變槳協(xié)調(diào)控制技術(shù)方案
為了解實際需求，攻關(guān)團隊多次調(diào)研鹽城、南通的海上風(fēng)電場，并與風(fēng)機制造企業(yè)技術(shù)人員深入交流，了解海上高濕、高鹽堿的環(huán)境對海上風(fēng)機機械部分的影響以及海上風(fēng)機在運行中易出現(xiàn)的問題，掌握風(fēng)機葉片載荷波動與輪轂載荷的量化關(guān)系。
面對快速變化的海上風(fēng)速，海上風(fēng)機需要頻繁地調(diào)節(jié)槳距角，改變?nèi)~片的迎風(fēng)角度，以調(diào)整發(fā)電出力、準(zhǔn)確響應(yīng)電網(wǎng)的調(diào)頻需求。這就給葉片、葉片軸承和變槳執(zhí)行機構(gòu)帶來了疲勞損傷問題。攻關(guān)團隊試圖通過加固輪轂、變槳執(zhí)行機構(gòu)等硬件，使風(fēng)機能夠承受頻繁的控制動作。在不斷論證的過程中，攻關(guān)團隊認識到，對于離岸較遠的海上風(fēng)電場，硬件升級改造的成本高、實施難度大。
既然硬件的改造難以實施，那么能不能從軟件入手，通過改變海上風(fēng)機的調(diào)頻控制代碼來減少變槳執(zhí)行機構(gòu)的頻繁動作?沿著這一思路，攻關(guān)團隊著手設(shè)計風(fēng)機調(diào)頻策略。一開始，團隊成員受限于風(fēng)機傳統(tǒng)控制方法框架，也就是變速、變槳獨立調(diào)節(jié)，設(shè)計出來的調(diào)頻策略改善效果并不明顯。經(jīng)過反復(fù)的優(yōu)化和迭代過程，團隊改變了“變速不變槳、變槳不變速”的傳統(tǒng)風(fēng)機控制設(shè)計思路，提出變速-變槳協(xié)調(diào)控制技術(shù)方案，攻克了常態(tài)化調(diào)頻控制造成的風(fēng)機疲勞損傷難題。
2020年3月19日，攻關(guān)團隊開展海上風(fēng)電調(diào)頻控制方法可行性驗證。“請檢查風(fēng)機出口三相電壓、頻率是不是已在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)。”“再檢查下負荷擾動模擬指令有沒有問題。”……確認各項工作準(zhǔn)備就緒后，李群按下了實驗風(fēng)機啟動按鈕。
“負荷突增10%以后，風(fēng)機變槳機構(gòu)每分鐘累計調(diào)節(jié)槳距角8.8度!”李群高聲說。而在同樣的負荷增加10%的情況下，僅靠變槳控制方法達到同樣的調(diào)整出力效果，變槳機構(gòu)每分鐘累計調(diào)節(jié)槳距角16.1度——攻關(guān)團隊提出的變速-變槳協(xié)調(diào)控制技術(shù)方案大幅降低風(fēng)機的機械動作強度，提升了風(fēng)機控制性能。經(jīng)比對測算，該技術(shù)可將風(fēng)機機械部分的動作幅度平均降低45%。
產(chǎn)學(xué)研合作推動成果轉(zhuǎn)化
江蘇電科院依托該院與金風(fēng)科技、南京理工大學(xué)等聯(lián)合成立的江蘇省海上風(fēng)電工程研究中心，以產(chǎn)學(xué)研合作方式推動變速-變槳協(xié)調(diào)控制技術(shù)應(yīng)用于海上風(fēng)機。經(jīng)過樣機研制、全工況模擬測試、型式試驗檢測等一系列開發(fā)流程，2020年年底，應(yīng)用變速-變槳協(xié)調(diào)控制技術(shù)的海上風(fēng)機實現(xiàn)定型與量產(chǎn)。
2021年12月5日，我國目前離岸最遠的海上風(fēng)電項目——江蘇大豐H8-2海上風(fēng)電項目首批機組并網(wǎng)發(fā)電。“該項目容量最大的19臺風(fēng)機就采用了變速-變槳控制技術(shù)。目前所有風(fēng)機運行良好，說明該項控制技術(shù)能夠適應(yīng)中遠海復(fù)雜運行環(huán)境。”李群介紹，“目前我們工程研究中心正聯(lián)合研制應(yīng)用變速-變槳協(xié)調(diào)控制技術(shù)的容量更大的海上風(fēng)機，這一技術(shù)的效果將更加凸顯。”
在2020年12月29日召開的千萬千瓦級海上風(fēng)電友好并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及裝備成果鑒定會上，由中國電機工程學(xué)會組織、以中國工程院院士為組長的鑒定組表示，江蘇電科院提出的變速-變槳協(xié)調(diào)控制技術(shù)方案，滿足了電網(wǎng)對海上風(fēng)電一次調(diào)頻性能的要求，技術(shù)達到國際領(lǐng)先水平。
目前，應(yīng)用了變速-變槳協(xié)調(diào)控制技術(shù)的海上風(fēng)機已在我國東南沿海多個風(fēng)電場獲得應(yīng)用，累計裝機容量已超400萬千瓦。（章岑 汪成根 胡昊明）
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