風(fēng)機控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

　　風(fēng)機的控制系統(tǒng)是風(fēng)機的重要組成部分，它承擔著風(fēng)機監(jiān)控、自動調(diào)節(jié)、實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲以及保證良好的電網(wǎng)兼容性等重要任務(wù)，它主要由監(jiān)控系統(tǒng)、主控系統(tǒng)、變槳控制系統(tǒng)以及變頻系統(tǒng)（變頻器）幾部分組成。各部分的主要功能如下：

　　監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）：監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對全風(fēng)場風(fēng)機狀況的監(jiān)視與啟、停操作，它包括大型監(jiān)控軟件及完善的通訊網(wǎng)絡(luò)。

　　主控系統(tǒng)：主控系統(tǒng)是風(fēng)機控制系統(tǒng)的主體，它實現(xiàn)自動啟動、自動調(diào)向、自動調(diào)速、自動并網(wǎng)、自動解列、故障自動停機、自動電纜解繞及自動記錄與監(jiān)控等重要控制、保護功能。它對外的三個主要接口系統(tǒng)就是監(jiān)控系統(tǒng)、變槳控制系統(tǒng)以及變頻系統(tǒng)（變頻器），它與監(jiān)控系統(tǒng)接口完成風(fēng)機實時數(shù)據(jù)及統(tǒng)計數(shù)據(jù)的交換，與變槳控制系統(tǒng)接口完成對葉片的控制，實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲以及恒速運行，與變頻系統(tǒng)（變頻器）接口實現(xiàn)對有功功率以及無功功率的自動調(diào)節(jié)。

　　變槳控制系統(tǒng)：與主控系統(tǒng)配合，通過對葉片節(jié)距角的控制，實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲以及恒速運行，提高了風(fēng)力發(fā)電機組的運行靈活性。目前來看，變槳控制系統(tǒng)的葉片驅(qū)動有液壓和電氣兩種方式，電氣驅(qū)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(shù)路線及傳統(tǒng)。

　　變頻系統(tǒng)（變頻）器：與主控制系統(tǒng)接口，和發(fā)電機、電網(wǎng)連接，直接承擔著保證供電品質(zhì)、提高功率因素，滿足電網(wǎng)兼容性標準等重要作用。

　　從我國目前的情況來看，風(fēng)機控制系統(tǒng)的上述各個組成部分的自主配套規(guī)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(fēng)電設(shè)備制造業(yè)中最薄弱的環(huán)節(jié)。而風(fēng)機其它部件，包括葉片、齒輪箱、發(fā)電機、軸承等核心部件已基本實現(xiàn)國產(chǎn)化配套（盡管質(zhì)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(shù)領(lǐng)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(shù)的研究，更是最近幾年的事情，這比風(fēng)機技術(shù)先進國家要落后二十年時間。前已述及，我國風(fēng)電制造產(chǎn)業(yè)是從2005年開始的最近四年才得到快速發(fā)展的，國內(nèi)主要風(fēng)機制造廠家為了快速搶占市場，都致力于擴大生產(chǎn)規(guī)模，無力對控制系統(tǒng)這樣的技術(shù)含量較高的產(chǎn)品進行自主開發(fā)，因此多直接從MITA、Windtec等國外公司采購產(chǎn)品或引進技術(shù)。

　　（2）就風(fēng)機控制系統(tǒng)本身的要求來看，確有它的特殊性和復(fù)雜性。從硬件來講，風(fēng)機控制系統(tǒng)隨風(fēng)機一起安裝在接近自然的環(huán)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(fù)雜條件下，因此其硬件要求比一般系統(tǒng)要高得多。從軟件來講，風(fēng)機要實現(xiàn)完全的自動控制，必須有一套與之相適應(yīng)的完善的控制軟件。主控系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)和變頻器需要協(xié)同工作才能實現(xiàn)在較低風(fēng)速下的最大風(fēng)能捕獲、在中等風(fēng)速下的定轉(zhuǎn)速以及在較大風(fēng)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(fù)雜的控制算法。國內(nèi)企業(yè)要完全自主掌握確實需要一定時間。

　　（3）風(fēng)機控制系統(tǒng)是與風(fēng)機特性高度結(jié)合的系統(tǒng)，包括主控、變槳和變頻器在內(nèi)的控制軟件不僅算法復(fù)雜，而且其各項參數(shù)的設(shè)定與風(fēng)機本身聯(lián)系緊密，風(fēng)機控制系統(tǒng)的任務(wù)不僅僅是實現(xiàn)對風(fēng)機的高度自動化監(jiān)控以及向電網(wǎng)供電，而且還必須通過合適的控制實現(xiàn)風(fēng)能捕獲的最大化和載荷的最小化，一般的自動化企業(yè)即使能研制出樣機，也很難得到驗證，推廣就更加困難。而中小規(guī)模的風(fēng)機制造商又無力進行這樣的開發(fā)。

　　即便如此，國內(nèi)企業(yè)通過這幾年的努力，已經(jīng)在控制系統(tǒng)主要部件的開發(fā)上取得了積極進展，已基本形成了自主的技術(shù)開發(fā)能力，所欠缺的主要是產(chǎn)品的大規(guī)模投運業(yè)績以及技術(shù)和經(jīng)驗積累。比如，作為風(fēng)機控制系統(tǒng)中技術(shù)含量最高的主控系統(tǒng)和變頻器，國內(nèi)企業(yè)在自主開發(fā)上已取得重要進展。東方自控經(jīng)過幾年的努力，已成功開發(fā)出DWS5000風(fēng)機控制系統(tǒng)，并已完成各種測試及風(fēng)機運行驗證，實現(xiàn)了規(guī)模化生產(chǎn)，基本形成了自主開發(fā)能力。科諾偉業(yè)也研制出了兆瓦級機組的控制系統(tǒng)。在變頻器方面，東方自控、合肥陽光、清能華福、科諾偉業(yè)等一批企業(yè)也異軍突起，開發(fā)出了大功率雙饋及直驅(qū)機型的變頻器，產(chǎn)品已有小批量在風(fēng)場投運，呈獻出可喜的發(fā)展勢頭。

　　隨著國內(nèi)企業(yè)所開發(fā)風(fēng)機容量越來越大，風(fēng)機控制技術(shù)必須不斷發(fā)展才能滿足這一要求，如葉片的驅(qū)動和控制技術(shù)、如更大容量的變頻器開發(fā)，都是必須不斷解決的新的課題，這里不進行詳細闡述。當前，由于風(fēng)力發(fā)電機組在我國電網(wǎng)中所占比例越來越大，風(fēng)力發(fā)電方式的電網(wǎng)兼容性較差的問題也逐漸暴露出來，同時用戶對不同風(fēng)場、不同型號風(fēng)機之間的聯(lián)網(wǎng)要求也越來越高，這也對風(fēng)機控制系統(tǒng)提出了新的任務(wù)。

　　（1）采用統(tǒng)一和開放的協(xié)議以實現(xiàn)不同風(fēng)場、不同廠家和型號的風(fēng)機之間的方便互聯(lián)。目前，風(fēng)機投資用戶和電網(wǎng)調(diào)度中心對廣布于不同地域的風(fēng)場之間的聯(lián)網(wǎng)要求越來越迫切，雖然各個風(fēng)機制造廠家都提供了一定的手段實現(xiàn)風(fēng)機互連，但是由于采用的方案不同，不同廠家的風(fēng)機進行互聯(lián)時還是會有很多問題存在，實施起來難度較大。因此，實現(xiàn)不同風(fēng)機之間的方便互聯(lián)是一個亟待解決的重要課題。

　　（2）需要進一步提高低電壓穿越運行能力（LVRT）。風(fēng)力發(fā)電機組，尤其是雙饋型風(fēng)機，抵抗電網(wǎng)電壓跌落的能力本身較差。當發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落時，從前的做法是讓風(fēng)機從電網(wǎng)切出。當風(fēng)機在電網(wǎng)中所占比例較小時，這種做法對電網(wǎng)的影響還可以忽略不計。但是，隨著在網(wǎng)運行風(fēng)機的數(shù)量越來越大，尤其是在風(fēng)力發(fā)電集中的地區(qū)，如國家規(guī)劃建設(shè)的六個千萬千瓦風(fēng)電基地，這種做法會對電網(wǎng)造成嚴重影響，甚至可能進一步擴大事故。歐洲很多國家，如德國、西班牙、丹麥等國家，早就出臺了相關(guān)標準，要求在這種情況下風(fēng)機能保持在網(wǎng)運行以支撐電網(wǎng)。風(fēng)機具有的這種能力稱為低電壓穿越運行能力（LVRT），有的國家甚至要求當電網(wǎng)電壓跌落至零時還能保持在網(wǎng)運行。我國也于今年8月由國家電網(wǎng)公司出臺了《風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》，其中規(guī)定了我國自己的低電壓穿越技術(shù)要求，明確要求風(fēng)電機組在并網(wǎng)點電壓跌落至20%額定電壓時能夠保持并網(wǎng)運行625ms、當?shù)浒l(fā)生3s內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90%時，風(fēng)電機組保持并網(wǎng)運行的低電壓穿越運行要求。應(yīng)該說，這還只是一個初步的、相對較低的運行要求。在今后可能還會出臺更為嚴格的上網(wǎng)限制措施。這些要求的實現(xiàn)，主要靠控制系統(tǒng)中變頻器算法及結(jié)構(gòu)的改善，當然和主控和變槳系統(tǒng)也有密切聯(lián)系。

　　（3）實現(xiàn)在功率預(yù)估條件下的風(fēng)電場有功及無功功率自動控制。目前，風(fēng)電機組都是運行在不調(diào)節(jié)的方式，也就是說，有多少風(fēng)、發(fā)多少電，這在風(fēng)電所占比例較小的情況下也沒有多大問題。但是，隨著風(fēng)電上網(wǎng)電量的大幅度增加，在用電低谷段往往是風(fēng)機出力最大的時段，造成電網(wǎng)調(diào)峰異常困難，電網(wǎng)頻率、電壓均易出現(xiàn)較大波動。當前，電網(wǎng)對這一問題已相當重視，要求開展建設(shè)風(fēng)電場功率預(yù)測系統(tǒng)和風(fēng)電出力自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)在功率預(yù)測基礎(chǔ)上的有功功率和無功功率控制能力。事際上，這個系統(tǒng)的建設(shè)不是一件容易的事情，涉及到很多方面的技術(shù)問題。但是，無論如何說，序幕已經(jīng)拉開。