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(yùn)行需求。江蘇電科院創(chuàng)新提出海上風(fēng)機(jī)變速-變槳協(xié)調(diào)控制技術(shù)方案，大幅降低了風(fēng)機(jī)的機(jī)械動作強(qiáng)度，提升了風(fēng)機(jī)控制性能。目前，該技術(shù)已應(yīng)用于風(fēng)機(jī)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)。

 

江蘇沿海風(fēng)能資源豐富，目前海上風(fēng)電裝機(jī)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(fù)荷中心，與電網(wǎng)緊密耦合。隨著裝機(jī)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(qiáng)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(dá)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(yán)峻考驗。

 

“過去，電力系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)主要是火電機(jī)組，頻率控制能力很強(qiáng)。而海上風(fēng)力發(fā)電受風(fēng)能資源限制，發(fā)電出力隨機(jī)性強(qiáng)、波動性大，不像火電機(jī)組能在用電負(fù)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(tuán)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(jī)容量占比快速增加，僅靠火電機(jī)組調(diào)頻無法滿足系統(tǒng)調(diào)頻需求。海上風(fēng)電機(jī)組也需要實現(xiàn)發(fā)電出力可控制，具備類似火電機(jī)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(jī)葉片、軸承等部件頻繁動作，對風(fēng)機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度要求很高，容易導(dǎo)致風(fēng)機(jī)疲勞損傷。”李群說，其實從2008年起，攻關(guān)團(tuán)隊已開始對陸上風(fēng)機(jī)出力控制進(jìn)行研究，并且積累了一定的技術(shù)和經(jīng)驗。但當(dāng)團(tuán)隊嘗試把陸上風(fēng)機(jī)的控制方法用于海上風(fēng)機(jī)時，發(fā)現(xiàn)兩者有巨大差異。“和陸上風(fēng)機(jī)相比，海上風(fēng)電機(jī)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(jī)載荷增大、應(yīng)力更不均衡，造成的風(fēng)機(jī)疲勞損傷也更嚴(yán)重。”

 

常規(guī)風(fēng)電場有功控制無法滿足海上風(fēng)機(jī)高可靠運(yùn)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(tuán)隊開始對海上風(fēng)電機(jī)組控制技術(shù)展開攻關(guān)。

 

 

為了解實際需求，攻關(guān)團(tuán)隊多次調(diào)研鹽城、南通的海上風(fēng)電場，并與風(fēng)機(jī)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(jī)機(jī)械部分的影響以及海上風(fēng)機(jī)在運(yùn)行中易出現(xiàn)的問題，掌握風(fēng)機(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)帶來了疲勞損傷問題。攻關(guān)團(tuán)隊試圖通過加固輪轂、變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)等硬件，使風(fēng)機(jī)能夠承受頻繁的控制動作。在不斷論證的過程中，攻關(guān)團(tuán)隊認(rèn)識到，對于離岸較遠(yuǎn)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(jī)的調(diào)頻控制代碼來減少變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)的頻繁動作?沿著這一思路，攻關(guān)團(tuán)隊著手設(shè)計風(fēng)機(jī)調(diào)頻策略。一開始，團(tuán)隊成員受限于風(fēng)機(jī)傳統(tǒng)控制方法框架，也就是變速、變槳獨(dú)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(tuán)隊改變了“變速不變槳、變槳不變速”的傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)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(jī)疲勞損傷難題。

 

2020年3月19日，攻關(guān)團(tuán)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(jī)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(fù)荷擾動模擬指令有沒有問題。”……確認(rèn)各項工作準(zhǔn)備就緒后，李群按下了實驗風(fēng)機(jī)啟動按鈕。

 

“負(fù)荷突增10%以后，風(fēng)機(jī)變槳機(jī)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(fù)荷增加10%的情況下，僅靠變槳控制方法達(dá)到同樣的調(diào)整出力效果，變槳機(jī)構(gòu)每分鐘累計調(diào)節(jié)槳距角16.1度——攻關(guān)團(tuán)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(jī)的機(jī)械動作強(qiáng)度，提升了風(fēng)機(jī)控制性能。經(jīng)比對測算，該技術(shù)可將風(fēng)機(jī)機(jī)械部分的動作幅度平均降低45%。

 

 

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(jī)。經(jīng)過樣機(jī)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(jī)實現(xiàn)定型與量產(chǎn)。

 

2021年12月5日，我國目前離岸最遠(yuǎn)的海上風(fēng)電項目——江蘇大豐H8-2海上風(fēng)電項目首批機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電。“該項目容量最大的19臺風(fēng)機(jī)就采用了變速-變槳控制技術(shù)。目前所有風(fēng)機(jī)運(yùn)行良好，說明該項控制技術(shù)能夠適應(yīng)中遠(yuǎn)海復(fù)雜運(yùn)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(jī)，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(jī)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(dá)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(jī)已在我國東南沿海多個風(fēng)電場獲得應(yīng)用，累計裝機(jī)容量已超400萬千瓦。