5月6日，國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學研究院將海上風機變速-變槳協(xié)調(diào)控制技術方案應用在江蘇省海上風電工程研究中心1.6萬千瓦風機試驗臺上，進行全過程模擬測試，經(jīng)驗證各項控制性能達到預期指標。這意味著該項控制技術在實現(xiàn)0.8萬千瓦級海上風機工程應用的基礎上，向針對超大容量海上風機的應用邁出堅實一步。
隨著江蘇省海上風電并網(wǎng)容量逐年增加，傳統(tǒng)的海上風電最大功率追蹤控制方式已不能適應電網(wǎng)安全運行需求。江蘇電科院創(chuàng)新提出海上風機變速-變槳協(xié)調(diào)控制技術方案，大幅降低了風機的機械動作強度，提升了風機控制性能。目前，該技術已應用于風機生產(chǎn)制造，滿足了電網(wǎng)對海上風電的一次調(diào)頻性能要求，助力海上風電更友好并網(wǎng)。
針對海上風機特點展開控制技術攻關
江蘇沿海風能資源豐富，目前海上風電裝機容量已近1200萬千瓦。海上風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”的海上風電對電網(wǎng)的影響也越來越大。
2019年8月，超強臺風“利奇馬”登陸江蘇，臺風離境時風電出力下降速度達每分鐘15萬千瓦，沿海風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。而海上風力發(fā)電受風能資源限制，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。”江蘇電科院海上風電攻關團隊核心成員李群介紹，近年來，江蘇海上風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)化控制海上風電發(fā)電出力會觸發(fā)風機葉片、軸承等部件頻繁動作，對風機的機械強度要求很高，容易導致風機疲勞損傷。”李群說，其實從2008年起，攻關團隊已開始對陸上風機出力控制進行研究，并且積累了一定的技術和經(jīng)驗。但當團隊嘗試把陸上風機的控制方法用于海上風機時，發(fā)現(xiàn)兩者有巨大差異。“和陸上風機相比，海上風電機組容量大、掃風面積大，面臨的風況更加復雜，會導致風機載荷增大、應力更不均衡，造成的風機疲勞損傷也更嚴重。”
常規(guī)風電場有功控制無法滿足海上風機高可靠運行要求，難以保證海上風電場持續(xù)、準確地響應電網(wǎng)調(diào)頻需求。2015年起，李群帶領團隊開始對海上風電機組控制技術展開攻關。
創(chuàng)新思路提出變速-變槳協(xié)調(diào)控制技術方案
為了解實際需求，攻關團隊多次調(diào)研鹽城、南通的海上風電場，并與風機制造企業(yè)技術人員深入交流，了解海上高濕、高鹽堿的環(huán)境對海上風機機械部分的影響以及海上風機在運行中易出現(xiàn)的問題，掌握風機葉片載荷波動與輪轂載荷的量化關系。
面對快速變化的海上風速，海上風機需要頻繁地調(diào)節(jié)槳距角，改變?nèi)~片的迎風角度，以調(diào)整發(fā)電出力、準確響應電網(wǎng)的調(diào)頻需求。這就給葉片、葉片軸承和變槳執(zhí)行機構帶來了疲勞損傷問題。攻關團隊試圖通過加固輪轂、變槳執(zhí)行機構等硬件，使風機能夠承受頻繁的控制動作。在不斷論證的過程中，攻關團隊認識到，對于離岸較遠的海上風電場，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，通過改變海上風機的調(diào)頻控制代碼來減少變槳執(zhí)行機構的頻繁動作?沿著這一思路，攻關團隊著手設計風機調(diào)頻策略。一開始，團隊成員受限于風機傳統(tǒng)控制方法框架，也就是變速、變槳獨立調(diào)節(jié)，設計出來的調(diào)頻策略改善效果并不明顯。經(jīng)過反復的優(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)風機控制設計思路，提出變速-變槳協(xié)調(diào)控制技術方案，攻克了常態(tài)化調(diào)頻控制造成的風機疲勞損傷難題。
2020年3月19日，攻關團隊開展海上風電調(diào)頻控制方法可行性驗證。“請檢查風機出口三相電壓、頻率是不是已在預設范圍內(nèi)。”“再檢查下負荷擾動模擬指令有沒有問題。”……確認各項工作準備就緒后，李群按下了實驗風機啟動按鈕。
“負荷突增10%以后，風機變槳機構每分鐘累計調(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，變槳機構每分鐘累計調(diào)節(jié)槳距角16.1度——攻關團隊提出的變速-變槳協(xié)調(diào)控制技術方案大幅降低風機的機械動作強度，提升了風機控制性能。經(jīng)比對測算，該技術可將風機機械部分的動作幅度平均降低45%。
產(chǎn)學研合作推動成果轉化
江蘇電科院依托該院與金風科技、南京理工大學等聯(lián)合成立的江蘇省海上風電工程研究中心，以產(chǎn)學研合作方式推動變速-變槳協(xié)調(diào)控制技術應用于海上風機。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，應用變速-變槳協(xié)調(diào)控制技術的海上風機實現(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電項目——江蘇大豐H8-2海上風電項目首批機組并網(wǎng)發(fā)電。“該項目容量最大的19臺風機就采用了變速-變槳控制技術。目前所有風機運行良好，說明該項控制技術能夠適應中遠海復雜運行環(huán)境。”李群介紹，“目前我們工程研究中心正聯(lián)合研制應用變速-變槳協(xié)調(diào)控制技術的容量更大的海上風機，這一技術的效果將更加凸顯。”
在2020年12月29日召開的千萬千瓦級海上風電友好并網(wǎng)關鍵技術及裝備成果鑒定會上，由中國電機工程學會組織、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)控制技術方案，滿足了電網(wǎng)對海上風電一次調(diào)頻性能的要求，技術達到國際領先水平。
目前，應用了變速-變槳協(xié)調(diào)控制技術的海上風機已在我國東南沿海多個風電場獲得應用，累計裝機容量已超400萬千瓦。（章岑 汪成根 胡昊明）
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