风电控制技术国内外概况和发展趋势风电机类型

2021年3月10日星期三风电控制技术国内外概况和发展趋势风电机类型•第一部分:主流风电机组介绍•第二部分:风电技术现状及趋势•第三部分:风电控制系统行业国内外现状•第四部分:风电控制行业技术发展趋势•第五部分:科诺伟业风电控制一体化解决方案、产品应用情况及实验平台介绍•第六部分:几点思考•风电控制技术国内外概况和发展趋势•�第一部分:主流风电机组介绍•�•失速型风力发电系统•定桨距失速型风力发电机组是通过风轮叶片失速来控制风力发电机组在大风时的功率输出，以及通过叶尖扰流器来实现极端情况下的安全停机问题。•变桨距失速型（主动失速型）风力发电机组在低风速时通过改变桨距角或保持一定的桨距角，使其功率输出增加，而在高风速时通过改变叶片桨距角来控制功率输出。•�•双馈变速恒频型风力发电系统•双馈变速恒频型风力发电机组的风轮叶片桨距角可以调节，同时发电机可以变速，并输出恒频恒压电能。在低于额定风速时，它通过改变转速和叶片桨距角使风力发电机组在最佳尖速比下运行，输出最大的功率，而在高风速时通过改变叶片桨距角使风力发电机组功率输出稳定在额定功率。•�•直驱型风力发电机组是无齿轮箱的变桨距变速风力发电机组，风轮轴直接与低速永磁发电机连接。直驱型风力发电机组要采用全功率变流器。直驱型风力发电系统•�混合型风力发电系统•混合型风力发电机组采用单级齿轮箱和中速永磁发电机，是直驱型风力发电机组和传统型风力发电机组的混合。混合型风力发电机组也要采用全功率变流器。•�•第二部分:风电技术现状及趋势•�•目前，世界风力发电市场中的单机容量正持续增大。在1997年以前MW级风力发电机组的市场份额还不及10%，2001年则超过一半，2003年达到70.5%，2005年增至81％,2006年高达87.5%（根据BTM－2006年世界风力发电市场统计报告）。随着单机容量的不断增大和利用效率提高，世界上主流机型已经从2000年的500～1000kW增加到2009年的2MW～5MW。近年来，近海风能资源的开发进一步加快了大容量风力发电机组的发展，世界上已运行的最大风力发电机组单机容量已达到6MW，8～10MW风力发电机组的概念设计已经开始。如何降低大功率风力发电机组并网时对机组本身和电网的冲击，保证风力发电机组的安全稳定运行，对大型风力发电机组的控制技术提出了更高的要求。•现状和趋势1：风力发电机组单机容量持续增大•�•由于变桨功率调节方式具有载荷控制平稳、安全和高效等优点，近年来在大型风力发电机组上得到广泛采用。随着大型风力发电机组风轮直径的增加，每个叶片在实际运行过程中的受力不均衡性也越来越明显，为了保证安全顺桨，需要研究独立变桨控制技术。该项技术涉及变频技术、电机驱动、精确控制、机械联动、空气动力学等多学科领域，是大型风力发电机组控制领域研究的热点之一。•现状和趋势2：变桨技术发展•�•鉴于海上风速大，湍流度小，发电量比陆上风电场高20％～40％。另外，对景观和噪声的要求可以放宽，风力机布局有规则。所以可靠性高、单机容量大海上风力发电会成为今后风能技术发展的主要驱动力。但海上风电机组所处环境较复杂，对风电机组控制技术、运输、安装和维护提出了更高的要求。•目前，海上风力发电机组主要有Vestas公司的3MW、Siemens公司的3.6MW、GE公司的3.6MW、Repower公司的5MW、华锐的3MW机组。•Repower的5MW海上风电机组•现状和趋势3：海上风力发电技术•�•风力发电与电网互连时有三类广泛的相应问题：1）并网瞬间的安全问题。包括并网时是否有足够的容量，以及并网后对电网以及网内其他用户产生什么影响；2）电网稳定性要求，国外已经制定了相关的规定来规范化风力发电的发展，我国已经着手准备这方面的工作，相关研究工作正在进展；3）依据电网与风力发电之间的匹配关系，进一步规划电网，来加快风力发电大规模应用的进程。•现状和趋势4：风力发电与电网之间的关系日益密切•�•无齿轮箱的直驱方式能有效地减少由于齿轮箱问题而造成的机组故障，可有效提高系统的运行可靠性和寿命，减少维护成本，因而得到了市场的青睐。2006年，ENERCON公司生产的直驱式风力发电机组在德国市场销售量第一。•现状和趋势5：直驱式、半直驱式全功•率变流技术应用•�•第三部分:风电控制系统行业•国内外现状•�风力发电控制技术的发展历程•风力发电技术定桨距恒速恒频→变桨距变速恒频→功率平稳控制(有功有限调度、无功电压控制、电网故障穿越)→大规模风电输送和分配•控制目的（1）最大的风能捕获，提高风能采集、利用程度、提高风电机组运行效率（2）提高机组对电网的适应性，对电网更友好•�国内在失速型风电机组控制技术方面已经掌握了其核心技术，相应的产品也已经大批量应用。但在雷击保护、无功功率补偿、极端气候可靠性等方面的还需要继续改进。•失速型风电机组控制技术现状•�国外在2MW容量以下控制技术比较成熟，主要有Wintec、GH、AERODYN、Repower、Enercon、Made、ABB、LUST等厂家。国内大部分整机制造商目前使用的控制基本上是基于这些国外技术。国内目前主要有科诺伟业、合肥阳光等少数厂家在电控系统、变流器、变桨控制的核心技术上拥有自主知识产权，走自主研发的道路。其他很多相应的国内厂家都是走引进国外技术发展道路。变速恒频风电机组控制技术现状•�海上风电机组的控制技术基本上已经相对成熟，如VESTAS、GH、MITA等厂家的技术目前都有实际应用。目前，国内电控系统、变流器、变桨控制的厂家对海上3MW、5MW的控制技术也在加大研发力度，争取尽快做出产品样机。•海上风电控制技术现状•�•第四部分:风电控制行业技术•发展趋势•�•把扰动跟踪控制（DTC）引入了桨叶控制中，采用设计状态器的办法来估计出作为干扰量输入的风速，采用这类控制方法可以有效的减小叶片的拍打振动、改善桨叶和整机的受力状况，而且能够优化输出功率，有效的降低噪音。•发展趋势1：风机柔性控制的基础理论•研究与设计•�•发展趋势2：功率器件串并联技术•功率器件串联增加电压等级、电流，需要进行均压、均流控制。如果串联器件开、关时间不一致，最后开通或最先关断的器件将承受全部的电压（电流），这就必然影响到变流器的可靠运行。因此，功率器件串并联技术将是发展的趋势。•�•风电机组在相当大的电压和频率变化下必须可以保持稳定功率并网。•如果由于电网原因发生电压跌落，风电机组必须保持一段时间内的并网(低电压穿越)•在故障处理完成后，风电场必须在规定的最大时间之内尽快恢复供电•风电场必须可以不限时地在减少功率输出条件下运行(限功率运行)•风电场发电量预报•发展趋势3：并网对风电机组控制要求•的技术发展•�•鉴于风力发电机组的极限载荷和疲劳载荷是影响风力发电机组及部件可靠性和寿命的主要因素之一，国内外学者积极研究风力发电机组的最优运行和控制规律，通过采用智能化控制技术，努力减少和避免风力发电机组运行在极限载荷和疲劳载荷，并逐步成为风力发电控制技术的主要发展方向。•发展趋势4：智能化控制技术•�台风低温覆冰沙尘雷电盐雾高原•台风•低温•腐蚀•雷击•发展趋势5：风电机组在不同的风能资源和•严酷的气候环境下的适应性技术•�•第五部分:科诺伟业风电控制一体化•解决方案、产品应用情况•及实验平台介绍•�•可以根据客户需求提供量身定制的个性化服务•科诺伟业风电控制一体化解决方案••�多年的现场经验和技术积累，能提供电气控制完整的解决方案。产品涵盖变流器、控制系统、变桨距控制系统、监控系统等。为多家客户多种机型进行过配套，如：Repower750、Gamesa600、GH、Zond550、Nordex600、Repower1500、Aerodyn1500、沈阳工大1500。•�•典型应用—失速型风电机组控制系统•2003年12月科诺600KW控制系统在大连大长山风电场成功并网运行•2005年12月科诺750KW控制系统在河北张北风电场成功并网运行•�•典型应用—变速恒频风电机组控制系统•2008年4月科诺1.5MW控制系统在海兴风电场成功并网运行•�•典型应用—双馈型风电机组变流器•2009年10月科诺1.5MW变流器在内蒙化德风电场成功并网运行•2009年9月科诺1.5MW变流器在张北石人风电场成功并网运行•2009年4月科诺1.5MW变流器在吉林白城富裕风电场成功并网运行•�•典型应用—变桨控制系统•2008年8月科诺1.5MW变桨控制系统在河南三门峡风电场成功并网运行•2009年9月科诺1.5MW变桨控制系统在内蒙辉腾梁•风电场成功并网运行•2008年10月科诺1.5MW变桨控制系统在航天五院完成振动测试，•通过相关标准•�•••通讯接口•通讯用电缆、光缆或无线用于大型并网风电场上百台风电机组的集群监控广泛应用于多个风电场•典型应用—SCADA系统•�•3.5MW级控制系统及变流器检测平台•该检测平台是由配电系统，变频器，异步电动机，双馈发电机等组成。通过变频器驱动的异步电动机模拟风力机，其输出轴拖动双馈发电机。双馈发电机的定子、转子先接待测试双馈式变流器，再与电网相连。通过控制变频器拖动电动机在不同转速、不同输出转矩运行模拟发电机实际工况。主要用于双馈式变流器进行全功率测试、出厂检验和型式试验，可验证变流器功能完整性、逻辑正确性与产品可靠性。•�•控制系统检测平台•该检测平台是由配电系统，数字信号输入、输出系统，模拟信号输入系统，风电机组用传感器等组成。能够模拟变速恒频风电机组控制系统实际工作情况，将变速恒频风电机组需要检测各信号量进行模拟输入，将控制系统执行动作进行输出。本平台用于变速恒频风电机组控制系统测试与出厂检验，可验证控制系统功能完整性、逻辑正确性与产品可靠性。•�•变桨控制系统测试平台•该检测平台是由配电系统，变桨驱动电机，负载电机，simotion控制器等组成，通过变桨距控制系统驱动变桨驱动电机，用负载电机，simotion控制器模拟桨距角调节时的阻力和转矩，使变桨距控制系统在不同转速，不同转矩情况下工作，模拟其实际工作环境。主要用于变速恒频风电机组变桨距控制系统进行测试与出厂检验，可验证其功能完整性、逻辑正确性与产品可靠性。•�•对整机控制技术资金投入，给予重点关注,尤其是风电整机控制基础理论的研究•对国内自主知识产权产品的政策扶持•公用技术研究(如标准等)和检测认证体系建设•提供试验风电场•第六部分：几点思考•�