5月6日,國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院將海上風(fēng)機(jī)變速-變槳協(xié)調(diào)控制技術(shù)方案應(yīng)用在江蘇省海上風(fēng)電工程研究中心1.6萬千瓦風(fēng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上,進(jìn)行全過程模擬測(cè)試,經(jīng)驗(yàn)證各項(xiàng)控制性能達(dá)到預(yù)期指標(biāo)。這意味著該項(xiàng)控制技術(shù)在實(shí)現(xiàn)0.8萬千瓦級(jí)海上風(fēng)機(jī)工程應(yīng)用的基礎(chǔ)上,向針對(duì)超大容量海上風(fēng)機(jī)的應(yīng)用邁出堅(jiān)實(shí)一步。
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(dòng)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(duì)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)。
針對(duì)海上風(fēng)機(jī)特點(diǎn)展開控制技術(shù)攻關(guān)
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(duì)電網(wǎng)的影響也越來越大。
2019年8月,超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”登陸江蘇,臺(tái)風(fēng)離境時(shí)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(dòng)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(yàn)。
“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(dòng)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(duì)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(shí)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(huì)觸發(fā)風(fēng)機(jī)葉片、軸承等部件頻繁動(dòng)作,對(duì)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(shí)從2008年起,攻關(guān)團(tuán)隊(duì)已開始對(duì)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(yàn)。但當(dāng)團(tuán)隊(duì)嘗試把陸上風(fēng)機(jī)的控制方法用于海上風(fēng)機(jī)時(shí),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(huì)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(chǎng)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(chǎng)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(duì)開始對(duì)海上風(fēng)電機(jī)組控制技術(shù)展開攻關(guān)。
創(chuàng)新思路提出變速-變槳協(xié)調(diào)控制技術(shù)方案
為了解實(shí)際需求,攻關(guān)團(tuán)隊(duì)多次調(diào)研鹽城、南通的海上風(fēng)電場(chǎng),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(duì)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(dòng)與輪轂載荷的量化關(guān)系。
面對(duì)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(duì)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(dòng)作。在不斷論證的過程中,攻關(guān)團(tuán)隊(duì)認(rèn)識(shí)到,對(duì)于離岸較遠(yuǎn)的海上風(fēng)電場(chǎng),硬件升級(jí)改造的成本高、實(shí)施難度大。
既然硬件的改造難以實(shí)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(dòng)作?沿著這一思路,攻關(guān)團(tuán)隊(duì)著手設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)調(diào)頻策略。一開始,團(tuán)隊(duì)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(jì)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(duì)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(jì)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(duì)開展海上風(fēng)電調(diào)頻控制方法可行性驗(yàn)證。“請(qǐng)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(dòng)模擬指令有沒有問題。”……確認(rèn)各項(xiàng)工作準(zhǔn)備就緒后,李群按下了實(shí)驗(yàn)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)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(jì)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(jì)調(diào)節(jié)槳距角16.1度——攻關(guān)團(tuán)隊(duì)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(dòng)作強(qiáng)度,提升了風(fēng)機(jī)控制性能。經(jīng)比對(duì)測(cè)算,該技術(shù)可將風(fēng)機(jī)機(jī)械部分的動(dòng)作幅度平均降低45%。
產(chǎn)學(xué)研合作推動(dòng)成果轉(zhuǎn)化
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(dòng)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(cè)試、型式試驗(yàn)檢測(cè)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(shí)現(xiàn)定型與量產(chǎn)。
2021年12月5日,我國(guó)目前離岸最遠(yuǎn)的海上風(fēng)電項(xiàng)目——江蘇大豐H8-2海上風(fēng)電項(xiàng)目首批機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電。“該項(xiàng)目容量最大的19臺(tái)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(xiàng)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(jí)海上風(fēng)電友好并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及裝備成果鑒定會(huì)上,由中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)組織、以中國(guó)工程院院士為組長(zhǎng)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(duì)海上風(fēng)電一次調(diào)頻性能的要求,技術(shù)達(dá)到國(guó)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(guó)東南沿海多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)獲得應(yīng)用,累計(jì)裝機(jī)容量已超400萬千瓦。
原標(biāo)題:江蘇電科院攻關(guān)風(fēng)機(jī)控制關(guān)鍵技術(shù) 提升海上風(fēng)電友好并網(wǎng)能力