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(kāi)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(wàn)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(lái)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(wàn)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(lái)嚴(yán)峻考驗(yàn)。

“過(guò)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(lái)，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(wú)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(shuō)，其實(shí)從2008年起，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)已開(kāi)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(wú)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(kāi)始對(duì)海上風(fēng)電機(jī)組控制技術(shù)展開(kāi)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(wèn)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(lái)了疲勞損傷問(wèn)題。攻關(guān)團(tuán)隊(duì)試圖通過(guò)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(guò)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(guò)改變海上風(fēng)機(jī)的調(diào)頻控制代碼來(lái)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(kāi)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(lái)的調(diào)頻策略改善效果并不明顯。經(jīng)過(guò)反復(fù)的優(yōu)化和迭代過(guò)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(kāi)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(méi)有問(wèn)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(shuō)。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(guò)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(kāi)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(shuō)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(kāi)的千萬(wàn)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(wàn)千瓦。