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风机控制系统的概述及发展现状

 

风机的控制系统是风机的重要组成部分,它承担着风机监控、自动调节、实现最大风能捕获以及保证良好的电网兼容性等重要任务,它主要由监控系统、主控系统、变桨控制系统以及变频系统(变频器)几部分组成。各部分的主要功能如下:
     监控系统( SCADA ):监控系统实现对全风场风机状况的监视与启、停操作,它包括大型监控软件及完善的通讯网络。
主控系统:主控系统是风机控制系统的主体,它实现自动启动、自动调向、自动调速、自动并网、自动解列、故障自动停机、自动电缆解绕及自动记录与监控等重要控制、保护功能。它对外的三个主要接口系统就是监控系统、变桨控制系统以及变频系统(变频器),它与监控系统接口完成风机实时数据及统计数据的交换,与变桨控制系统接口完成对叶片的控制,实现最大风能捕获以及恒速运行,与变频系统(变频器)接口实现对有功功率以及无功功率的自动调节。
      变桨控制系统:与主控系统配合,通过对叶片节距角的控制,实现最大风能捕获以及恒速运行,提高了风力发电机组的运行灵活性。目前来看,变桨控制系统的叶片驱动有液压和电气两种方式,电气驱动方式中又有采用交流电机和直流电机两种不同方案。究竟采用何种方式主要取决于制造厂家多年来形成的技术路线及传统。
变频系统(变频)器:与主控制系统接口,和发电机、电网连接,直接承担着保证供电品质、提高功率因素,满足电网兼容性标准等重要作用。
     
 从我国目前的情况来看,风机控制系统的上述各个组成部分的自主配套规模还相当不如人意,到目前为止对国外品牌的依赖仍然较大,仍是风电设备制造业中最薄弱的环节。而风机其它部件,包括叶片、齿轮箱、发电机、轴承等核心部件已基本实现国产化配套(尽管质量水平及运行状况还不能令人满意),之所以如此,原因主要有:
      (1)我国在这一技术领域的起步较晚,尤其是对兆瓦级以上大功率机组变速恒频控制技术的研究,更是最近几年的事情,这比风机技术先进国家要落后 20 年时间。前已述及,我国风电制造产业是从 2005 年开始的最近四年才得到快速发展的,国内主要风机制造厂家为了快速抢占市场,都致力于扩大生产规模,无力对控制系统这样的技术含量较高的产品进行自主开发,因此多直接从 MITA、Windtec 等国外公司采购产品或引进技术。
      (2)就风机控制系统本身的要求来看,确有它的特殊性和复杂性。从硬件来讲,风机控制系统随风机一起安装在接近自然的环境中,工作有较大振动、大范围的温度变化、强电磁干扰这样的复杂条件下,因此其硬件要求比一般系统要高得多。从软件来讲,风机要实现完全的自动控制,必须有一套与之相适应的完善的控制软件。主控系统、变桨系统和变频器需要协同工作才能实现在较低风速下的最大风能捕获、在中等风速下的定转速以及在较大风速下的恒频、恒功运行,这需要在这几大部件中有一套先进、复杂的控制算法。国内企业要完全自主掌握确实需要一定时间。
      (3)风机控制系统是与风机特性高度结合的系统,包括主控、变桨和变频器在内的控制软件不仅算法复杂,而且其各项参数的设定与风机本身联系紧密,风机控制系统的任务不仅仅是实现对风机的高度自动化监控,而且还必须通过合适的控制实现风能捕获的最大化和载荷的最小化。
       即便如此,国内企业通过这几年的努力,已经在控制系统主要部件的开发上取得了积极进展,已基本形成了自主的技术开发能力,所欠缺的主要是产品的大规模投运业绩以及技术和经验积累。比如,作为风机控制系统中技术含量最高的主控系统,国内企业在自主开发上已取得重要进展。武汉辉达工控技术有限公司经过几年的努力,已成功开发出JPK系列风机控制系统,并已完成各种测试及风机运行验证,实现了规模化生产,基本形成了自主开发能力。