國(guó)內(nèi)外大型風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)（二）

文 | 田德，馬曉慧

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國(guó)內(nèi)外大型風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)（二）

文 | 田德，馬曉慧

引言

自19世紀(jì)末開始，丹麥、美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、蘇聯(lián)等國(guó)先后開始了小型和中大型風(fēng)電機(jī)組的研究開發(fā)，進(jìn)入21世紀(jì)后，風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)在全球?qū)崿F(xiàn)了大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)制造與多學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域密切相關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率較高、安全可靠性較好、經(jīng)濟(jì)可行性較優(yōu)的技術(shù)目標(biāo)。材料科學(xué)技術(shù)為風(fēng)電機(jī)組引入了新的復(fù)合材料葉片和金屬部件合金，計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)提高了風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)、分析、測(cè)量和控制技術(shù)精度，航空工業(yè)的空氣動(dòng)力學(xué)提供了提升風(fēng)輪葉片傳遞特性的理論基礎(chǔ)，商用傳感器、數(shù)據(jù)采集和分析設(shè)備促進(jìn)了風(fēng)電機(jī)組測(cè)試與監(jiān)測(cè)性能的發(fā)展，功率電子設(shè)備促進(jìn)了風(fēng)電機(jī)組較可靠地并入電網(wǎng)，保證了風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)安全性與穩(wěn)定性。

風(fēng)電機(jī)組在風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中不斷優(yōu)化革新，其中在機(jī)組種類多元化、預(yù)測(cè)控制技術(shù)趨勢(shì)化、全壽命周期運(yùn)維管理精細(xì)化、智能型風(fēng)電機(jī)組概念、海上機(jī)組防腐工藝化和關(guān)鍵零部件制造水平提升等方面不斷涌現(xiàn)出新的創(chuàng)新型技術(shù)。

風(fēng)電機(jī)組種類多元化

在風(fēng)電機(jī)組種類方面，國(guó)內(nèi)外風(fēng)電機(jī)組制造商及研究機(jī)構(gòu)圍繞低風(fēng)速、低溫和高海拔等環(huán)境特點(diǎn)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)與制造進(jìn)行了創(chuàng)新的研究與開發(fā)。

一、低速風(fēng)電機(jī)組

低風(fēng)速風(fēng)電場(chǎng)指風(fēng)電機(jī)組輪轂高度處年平均風(fēng)速在5.3m/s和6.5m/s之間并且風(fēng)資源年利用小時(shí)數(shù)在2000h以下的風(fēng)電場(chǎng)。低風(fēng)速區(qū)域具有風(fēng)速較低、湍流強(qiáng)度大、風(fēng)速持續(xù)性差、風(fēng)向變化快、地形地貌復(fù)雜等環(huán)境特點(diǎn)。第四類資源區(qū)風(fēng)電標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)較高，表明低風(fēng)速風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)在今后一段時(shí)期內(nèi)將有可觀的發(fā)展。有關(guān)低風(fēng)速型風(fēng)電機(jī)組的匯總見表1。

二、低溫風(fēng)電機(jī)組

低溫型風(fēng)電場(chǎng)指在多年（至少10年）的溫度觀測(cè)中，平均每年低于- 20℃的天數(shù)大于9天的風(fēng)電場(chǎng)。低溫區(qū)域具有溫度低、空氣密度低、油脂粘度性及密封差、結(jié)構(gòu)件影響及基礎(chǔ)施工難等特點(diǎn)，因此應(yīng)該選擇抗低溫鑄件、鋼材、耐寒耐扭電纜等元器件。我國(guó)對(duì)低溫型風(fēng)電機(jī)組的認(rèn)識(shí)和研究還不夠深入，到目前為止，國(guó)產(chǎn)低溫型風(fēng)電機(jī)組僅僅是在常溫型風(fēng)電機(jī)組上進(jìn)行了修正。

表1 國(guó)內(nèi)外主要低風(fēng)速風(fēng)電機(jī)組匯總

三、高海拔（低密度）風(fēng)電機(jī)組

高海拔地區(qū)主要指海拔高度在2000 米及以上的地區(qū)，該地區(qū)具有干濕季節(jié)湍流變化大，空氣密度低，氣溫低等特點(diǎn)。南車風(fēng)電的 WT1500 型高海拔風(fēng)電機(jī)組采用了新型防護(hù)系統(tǒng)、冷卻散熱系統(tǒng)和風(fēng)電機(jī)組防雷系統(tǒng)，增強(qiáng)了機(jī)組的抗紫外線、抗覆冰能力，在高海拔環(huán)境下依然保持了低電壓穿越功能、控制及電氣性能。

風(fēng)電機(jī)組模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)

隨著大型千萬千瓦級(jí)風(fēng)電基地并網(wǎng)容量的增加，風(fēng)電的不確定性對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定和電能質(zhì)量帶來了更多嚴(yán)峻的考驗(yàn)。因此，應(yīng)對(duì)風(fēng)電出力不確定性的模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)將成為風(fēng)電控制技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)之一。模型預(yù)測(cè)控制（簡(jiǎn)稱MPC）的控制機(jī)理是基于對(duì)來流風(fēng)速的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行控制參數(shù)的滾動(dòng)優(yōu)化和自我修正，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)對(duì)風(fēng)速擾動(dòng)的前饋補(bǔ)償，三葉片獨(dú)立變槳控制，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速控制和變流控制，以提高控制系統(tǒng)的抗干擾能力和快速響應(yīng)能力，最終實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組整機(jī)優(yōu)化載荷控制目標(biāo)。

風(fēng)電機(jī)組全壽命周期運(yùn)維管理精細(xì)化

隨著大批量風(fēng)電機(jī)組逐漸質(zhì)保到期，風(fēng)電運(yùn)行與維護(hù)市場(chǎng)已經(jīng)日益顯現(xiàn)出其龐大的需求。對(duì)于已建成投產(chǎn)的風(fēng)電場(chǎng)，在不進(jìn)行重大技術(shù)改造的前提下，其未來經(jīng)濟(jì)效益主要取決于運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)維管理水平。正因如此，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)維市場(chǎng)逐漸成為業(yè)內(nèi)備受關(guān)注的焦點(diǎn)。目前，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組驗(yàn)收規(guī)范》的編制工作基本完成。金風(fēng)科技推出了風(fēng)電場(chǎng)全壽命周期運(yùn)行維護(hù)管理系統(tǒng)，建立了對(duì)數(shù)千臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行提供可靠服務(wù)記錄和準(zhǔn)確成本跟蹤的風(fēng)電場(chǎng)全壽命周期精益化管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電運(yùn)維管理系統(tǒng)以有計(jì)劃的“預(yù)防式”保障服務(wù)為主，以及時(shí)的故障修理為輔，并配有完備數(shù)據(jù)庫(kù)和服務(wù)檔案的全方位一體化服務(wù)。

智能型風(fēng)電機(jī)組概念悄然興起

由遠(yuǎn)景能源主推的智能型風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵技術(shù)集中在風(fēng)輪葉片和控制系統(tǒng)等方面。通過在風(fēng)電機(jī)組外部加裝先進(jìn)的激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)模塊，將傳統(tǒng)的點(diǎn)風(fēng)控制升級(jí)為智能的面風(fēng)控制，提高機(jī)組對(duì)空間多變化風(fēng)速的識(shí)別能力和預(yù)測(cè)能力，加快機(jī)組的響應(yīng)速度。同時(shí)，對(duì)于槳距角和偏航角的累積誤差，機(jī)組能夠自動(dòng)尋優(yōu)和補(bǔ)償，保持運(yùn)行在最佳工況點(diǎn)。智能型風(fēng)電機(jī)組將智能化控制和云計(jì)算相結(jié)合，通過與相鄰機(jī)組的信息共享，最終實(shí)現(xiàn)智能傳感網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算的智慧風(fēng)電場(chǎng)平臺(tái)管理。

海上風(fēng)電機(jī)組防腐工藝化

海上風(fēng)電機(jī)組長(zhǎng)期處于高鹽霧、高濕度的環(huán)境中，依據(jù)不同機(jī)組、不同區(qū)域受到的海洋環(huán)境腐蝕程度不同，海上風(fēng)電機(jī)組應(yīng)采用相對(duì)應(yīng)的涂層保護(hù)工藝和技術(shù)。根據(jù)目前國(guó)際上最廣泛應(yīng)用的鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝規(guī)范，將海上風(fēng)電機(jī)組按照受腐蝕程度不同劃分為：海洋大氣區(qū)、飛濺區(qū)、潮差區(qū)、水下全浸區(qū)和海泥區(qū)。詳見表2。

表2 海上風(fēng)電機(jī)組不同區(qū)域防腐涂裝規(guī)范匯總

關(guān)鍵零部件制造水平提升

我國(guó)整機(jī)制造商已具備批量生產(chǎn)兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組的技術(shù)，并在主要配件和配套產(chǎn)品方面不斷加強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量。目前國(guó)內(nèi)已有許多關(guān)鍵零部件企業(yè)逐步具備自主研發(fā)和批量生產(chǎn)的能力，如表3所示。

結(jié)語(yǔ)

通過簡(jiǎn)析國(guó)內(nèi)外各大風(fēng)電機(jī)組制造商和研究機(jī)構(gòu)等的研發(fā)動(dòng)態(tài)和成果，得出主要的結(jié)論如下：

（1）機(jī)組類型：目前已開發(fā)出專門針對(duì)低風(fēng)速風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)電機(jī)組，然而在高海拔和低溫等環(huán)境條件下的風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)制造還仍處于起步發(fā)展階段。

表3 國(guó)內(nèi)主要風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵零部件制造商匯總

（2）機(jī)組控制：風(fēng)電機(jī)組模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)的興起將有效降低由風(fēng)速的不確定性對(duì)控制系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化整機(jī)載荷控制的目標(biāo)。

（3）全壽命周期運(yùn)維管理：對(duì)于已建成投產(chǎn)的風(fēng)電場(chǎng)，其未來經(jīng)濟(jì)效益主要取決于運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)維管理水平，因此，風(fēng)電運(yùn)維龐大的市場(chǎng)亟需完善的技術(shù)支撐和精益化的管理服務(wù)。

（4）智能型風(fēng)電機(jī)組：其內(nèi)涵是依托智能傳感網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算的智慧風(fēng)電場(chǎng)管理平臺(tái)，以激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)提高機(jī)組對(duì)空間多變化風(fēng)速的識(shí)別能力和預(yù)測(cè)能力，優(yōu)化機(jī)組的控制策略，形成高效可靠的風(fēng)電機(jī)組。

（5）海上風(fēng)電機(jī)組防腐：依據(jù)目前國(guó)際上最廣泛應(yīng)用的鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝規(guī)范，對(duì)機(jī)組進(jìn)行涂層工藝的處理、檢查、測(cè)試和認(rèn)證等防腐涂裝，表明海上風(fēng)電機(jī)組的防腐流程已達(dá)到工藝化標(biāo)準(zhǔn)。

（6）關(guān)鍵零部件制造：國(guó)內(nèi)已有許多關(guān)鍵零部件企業(yè)逐步具備自主研發(fā)和批量生產(chǎn)的能力。同時(shí)，在葉片、齒輪箱、電氣控制系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)等精細(xì)化設(shè)計(jì)和工藝化制造方面仍有很大的提升空間。 （作者單位：新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室〔華北電力大學(xué)〕）