隨著江蘇省海上風電并網容量逐年增加，傳統(tǒng)的海上風電最大功率追蹤控制方式已不能適應電網安全運行需求。江蘇電科院創(chuàng)新提出海上風機變速-變槳協(xié)調控制技術方案，大幅降低了風機的機械動作強度，提升了風機控制性能。目前，該技術已應用于風機生產制造，滿足了電網對海上風電的一次調頻性能要求，助力海上風電更友好并網。
針對海上風機特點展開控制技術攻關
江蘇沿海風能資源豐富，目前海上風電裝機容量已近1200萬千瓦。海上風電沿海岸線呈片狀分布，臨近負荷中心，與電網緊密耦合。隨著裝機規(guī)模的快速增加，“靠天吃飯”的海上風電對電網的影響也越來越大。
2019年8月，超強臺風“利奇馬”登陸江蘇，臺風離境時風電出力下降速度達每分鐘15萬千瓦，沿海風電出力的劇烈波動給鹽城、南通等沿海地區(qū)電網調頻、調峰帶來嚴峻考驗。
“過去，電力系統(tǒng)中的發(fā)電機主要是火電機組，頻率控制能力很強。而海上風力發(fā)電受風能資源限制，發(fā)電出力隨機性強、波動性大，不像火電機組能在用電負荷大幅增加的情況下快速調節(jié)自身發(fā)電出力。”江蘇電科院海上風電攻關團隊核心成員李群介紹，近年來，江蘇海上風電等新能源裝機容量占比快速增加，僅靠火電機組調頻無法滿足系統(tǒng)調頻需求。海上風電機組也需要實現發(fā)電出力可控制，具備類似火電機組的調頻能力。
“常態(tài)化控制海上風電發(fā)電出力會觸發(fā)風機葉片、軸承等部件頻繁動作，對風機的機械強度要求很高，容易導致風機疲勞損傷。”李群說，其實從2008年起，攻關團隊已開始對陸上風機出力控制進行研究，并且積累了一定的技術和經驗。但當團隊嘗試把陸上風機的控制方法用于海上風機時，發(fā)現兩者有巨大差異。“和陸上風機相比，海上風電機組容量大、掃風面積大，面臨的風況更加復雜，會導致風機載荷增大、應力更不均衡，造成的風機疲勞損傷也更嚴重。”
常規(guī)風電場有功控制無法滿足海上風機高可靠運行要求，難以保證海上風電場持續(xù)、準確地響應電網調頻需求。2015年起，李群帶領團隊開始對海上風電機組控制技術展開攻關。
創(chuàng)新思路提出變速-變槳協(xié)調控制技術方案
為了解實際需求，攻關團隊多次調研鹽城、南通的海上風電場，并與風機制造企業(yè)技術人員深入交流，了解海上高濕、高鹽堿的環(huán)境對海上風機機械部分的影響以及海上風機在運行中易出現的問題，掌握風機葉片載荷波動與輪轂載荷的量化關系。
面對快速變化的海上風速，海上風機需要頻繁地調節(jié)槳距角，改變葉片的迎風角度，以調整發(fā)電出力、準確響應電網的調頻需求。這就給葉片、葉片軸承和變槳執(zhí)行機構帶來了疲勞損傷問題。攻關團隊試圖通過加固輪轂、變槳執(zhí)行機構等硬件，使風機能夠承受頻繁的控制動作。在不斷論證的過程中，攻關團隊認識到，對于離岸較遠的海上風電場，硬件升級改造的成本高、實施難度大。
既然硬件的改造難以實施，那么能不能從軟件入手，通過改變海上風機的調頻控制代碼來減少變槳執(zhí)行機構的頻繁動作?沿著這一思路，攻關團隊著手設計風機調頻策略。一開始，團隊成員受限于風機傳統(tǒng)控制方法框架，也就是變速、變槳獨立調節(jié)，設計出來的調頻策略改善效果并不明顯。經過反復的優(yōu)化和迭代過程，團隊改變了“變速不變槳、變槳不變速”的傳統(tǒng)風機控制設計思路，提出變速-變槳協(xié)調控制技術方案，攻克了常態(tài)化調頻控制造成的風機疲勞損傷難題。
2020年3月19日，攻關團隊開展海上風電調頻控制方法可行性驗證。“請檢查風機出口三相電壓、頻率是不是已在預設范圍內。”“再檢查下負荷擾動模擬指令有沒有問題。”……確認各項工作準備就緒后，李群按下了實驗風機啟動按鈕。
“負荷突增10%以后，風機變槳機構每分鐘累計調節(jié)槳距角8.8度!”李群高聲說。而在同樣的負荷增加10%的情況下，僅靠變槳控制方法達到同樣的調整出力效果，變槳機構每分鐘累計調節(jié)槳距角16.1度——攻關團隊提出的變速-變槳協(xié)調控制技術方案大幅降低風機的機械動作強度，提升了風機控制性能。經比對測算，該技術可將風機機械部分的動作幅度平均降低45%。
產學研合作推動成果轉化
江蘇電科院依托該院與金風科技、南京理工大學等聯(lián)合成立的江蘇省海上風電工程研究中心，以產學研合作方式推動變速-變槳協(xié)調控制技術應用于海上風機。經過樣機研制、全工況模擬測試、型式試驗檢測等一系列開發(fā)流程，2020年年底，應用變速-變槳協(xié)調控制技術的海上風機實現定型與量產。
2021年12月5日，我國目前離岸最遠的海上風電項目——江蘇大豐H8-2海上風電項目首批機組并網發(fā)電。“該項目容量最大的19臺風機就采用了變速-變槳控制技術。目前所有風機運行良好，說明該項控制技術能夠適應中遠海復雜運行環(huán)境。”李群介紹，“目前我們工程研究中心正聯(lián)合研制應用變速-變槳協(xié)調控制技術的容量更大的海上風機，這一技術的效果將更加凸顯。”
在2020年12月29日召開的千萬千瓦級海上風電友好并網關鍵技術及裝備成果鑒定會上，由中國電機工程學會組織、以中國工程院院士為組長的鑒定組表示，江蘇電科院提出的變速-變槳協(xié)調控制技術方案，滿足了電網對海上風電一次調頻性能的要求，技術達到國際領先水平。
目前，應用了變速-變槳協(xié)調控制技術的海上風機已在我國東南沿海多個風電場獲得應用，累計裝機容量已超400萬千瓦。
