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風機控制系統的概述及發展現狀

 

風機的控制系統是風機的重要組成部分,它承擔著風機監控、自動調節、實現最大風能捕獲以及保證良好的電網兼容性等重要任務,它主要由監控系統、主控系統、變槳控制系統以及變頻系統(變頻器)幾部分組成。各部分的主要功能如下:
     監控系統( SCADA ):監控系統實現對全風場風機狀況的監視與啟、停操作,它包括大型監控軟件及完善的通訊網絡。
主控系統:主控系統是風機控制系統的主體,它實現自動啟動、自動調向、自動調速、自動并網、自動解列、故障自動停機、自動電纜解繞及自動記錄與監控等重要控制、保護功能。它對外的三個主要接口系統就是監控系統、變槳控制系統以及變頻系統(變頻器),它與監控系統接口完成風機實時數據及統計數據的交換,與變槳控制系統接口完成對葉片的控制,實現最大風能捕獲以及恒速運行,與變頻系統(變頻器)接口實現對有功功率以及無功功率的自動調節。
      變槳控制系統:與主控系統配合,通過對葉片節距角的控制,實現最大風能捕獲以及恒速運行,提高了風力發電機組的運行靈活性。目前來看,變槳控制系統的葉片驅動有液壓和電氣兩種方式,電氣驅動方式中又有采用交流電機和直流電機兩種不同方案。究竟采用何種方式主要取決于制造廠家多年來形成的技術路線及傳統。
變頻系統(變頻)器:與主控制系統接口,和發電機、電網連接,直接承擔著保證供電品質、提高功率因素,滿足電網兼容性標準等重要作用。
     
 從我國目前的情況來看,風機控制系統的上述各個組成部分的自主配套規模還相當不如人意,到目前為止對國外品牌的依賴仍然較大,仍是風電設備制造業中最薄弱的環節。而風機其它部件,包括葉片、齒輪箱、發電機、軸承等核心部件已基本實現國產化配套(盡管質量水平及運行狀況還不能令人滿意),之所以如此,原因主要有:
      (1)我國在這一技術領域的起步較晚,尤其是對兆瓦級以上大功率機組變速恒頻控制技術的研究,更是最近幾年的事情,這比風機技術先進國家要落后 20 年時間。前已述及,我國風電制造產業是從 2005 年開始的最近四年才得到快速發展的,國內主要風機制造廠家為了快速搶占市場,都致力于擴大生產規模,無力對控制系統這樣的技術含量較高的產品進行自主開發,因此多直接從 MITA、Windtec 等國外公司采購產品或引進技術。
      (2)就風機控制系統本身的要求來看,確有它的特殊性和復雜性。從硬件來講,風機控制系統隨風機一起安裝在接近自然的環境中,工作有較大振動、大范圍的溫度變化、強電磁干擾這樣的復雜條件下,因此其硬件要求比一般系統要高得多。從軟件來講,風機要實現完全的自動控制,必須有一套與之相適應的完善的控制軟件。主控系統、變槳系統和變頻器需要協同工作才能實現在較低風速下的最大風能捕獲、在中等風速下的定轉速以及在較大風速下的恒頻、恒功運行,這需要在這幾大部件中有一套先進、復雜的控制算法。國內企業要完全自主掌握確實需要一定時間。
      (3)風機控制系統是與風機特性高度結合的系統,包括主控、變槳和變頻器在內的控制軟件不僅算法復雜,而且其各項參數的設定與風機本身聯系緊密,風機控制系統的任務不僅僅是實現對風機的高度自動化監控,而且還必須通過合適的控制實現風能捕獲的最大化和載荷的最小化。
       即便如此,國內企業通過這幾年的努力,已經在控制系統主要部件的開發上取得了積極進展,已基本形成了自主的技術開發能力,所欠缺的主要是產品的大規模投運業績以及技術和經驗積累。比如,作為風機控制系統中技術含量最高的主控系統,國內企業在自主開發上已取得重要進展。武漢輝達工控技術有限公司經過幾年的努力,已成功開發出JPK系列風機控制系統,并已完成各種測試及風機運行驗證,實現了規模化生產,基本形成了自主開發能力。
                         
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