国内外大型风电机组关键技术发展趋势（二）

2016-07-05田德马晓慧

风能 2016年3期

文 | 田德，马晓慧

文 | 田德，马晓慧

引言

自19世纪末开始，丹麦、美国、德国、法国、苏联等国先后开始了小型和中大型风电机组的研究开发，进入21世纪后，风电机组已经在全球实现了大规模商业化应用。风电机组的设计制造与多学科技术领域密切相关，从而实现风电转换效率较高、安全可靠性较好、经济可行性较优的技术目标。材料科学技术为风电机组引入了新的复合材料叶片和金属部件合金，计算机科学技术提高了风电机组设计、分析、测量和控制技术精度，航空工业的空气动力学提供了提升风轮叶片传递特性的理论基础，商用传感器、数据采集和分析设备促进了风电机组测试与监测性能的发展，功率电子设备促进了风电机组较可靠地并入电网，保证了风电机组的并网安全性与稳定性。

风电机组在风电产业发展过程中不断优化革新，其中在机组种类多元化、预测控制技术趋势化、全寿命周期运维管理精细化、智能型风电机组概念、海上机组防腐工艺化和关键零部件制造水平提升等方面不断涌现出新的创新型技术。

风电机组种类多元化

在风电机组种类方面，国内外风电机组制造商及研究机构围绕低风速、低温和高海拔等环境特点对风电机组的设计与制造进行了创新的研究与开发。

一、低速风电机组

低风速风电场指风电机组轮毂高度处年平均风速在5.3m/s和6.5m/s之间并且风资源年利用小时数在2000h以下的风电场。低风速区域具有风速较低、湍流强度大、风速持续性差、风向变化快、地形地貌复杂等环境特点。第四类资源区风电标杆上网电价较高，表明低风速风电场建设在今后一段时期内将有可观的发展。有关低风速型风电机组的汇总见表1。

二、低温风电机组

低温型风电场指在多年（至少10年）的温度观测中，平均每年低于- 20℃的天数大于9天的风电场。低温区域具有温度低、空气密度低、油脂粘度性及密封差、结构件影响及基础施工难等特点，因此应该选择抗低温铸件、钢材、耐寒耐扭电缆等元器件。我国对低温型风电机组的认识和研究还不够深入，到目前为止，国产低温型风电机组仅仅是在常温型风电机组上进行了修正。

表1 国内外主要低风速风电机组汇总

三、高海拔（低密度）风电机组

高海拔地区主要指海拔高度在2000 米及以上的地区，该地区具有干湿季节湍流变化大，空气密度低，气温低等特点。南车风电的 WT1500 型高海拔风电机组采用了新型防护系统、冷却散热系统和风电机组防雷系统，增强了机组的抗紫外线、抗覆冰能力，在高海拔环境下依然保持了低电压穿越功能、控制及电气性能。

风电机组模型预测控制技术

随着大型千万千瓦级风电基地并网容量的增加，风电的不确定性对电网的安全稳定和电能质量带来了更多严峻的考验。因此，应对风电出力不确定性的模型预测控制技术将成为风电控制技术的主要发展趋势之一。模型预测控制（简称MPC）的控制机理是基于对来流风速的预测结果进行控制参数的滚动优化和自我修正，实现控制系统对风速扰动的前馈补偿，三叶片独立变桨控制，风轮转速控制和变流控制，以提高控制系统的抗干扰能力和快速响应能力，最终实现风电机组整机优化载荷控制目标。

风电机组全寿命周期运维管理精细化

随着大批量风电机组逐渐质保到期，风电运行与维护市场已经日益显现出其庞大的需求。对于已建成投产的风电场，在不进行重大技术改造的前提下，其未来经济效益主要取决于运营商的运维管理水平。正因如此，风电机组运维市场逐渐成为业内备受关注的焦点。目前，国家标准《风力发电机组验收规范》的编制工作基本完成。金风科技推出了风电场全寿命周期运行维护管理系统，建立了对数千台风电机组的运行提供可靠服务记录和准确成本跟踪的风电场全寿命周期精益化管理平台，实现风电运维管理系统以有计划的“预防式”保障服务为主，以及时的故障修理为辅，并配有完备数据库和服务档案的全方位一体化服务。

智能型风电机组概念悄然兴起

由远景能源主推的智能型风电机组关键技术集中在风轮叶片和控制系统等方面。通过在风电机组外部加装先进的激光雷达测风模块，将传统的点风控制升级为智能的面风控制，提高机组对空间多变化风速的识别能力和预测能力，加快机组的响应速度。同时，对于桨距角和偏航角的累积误差，机组能够自动寻优和补偿，保持运行在最佳工况点。智能型风电机组将智能化控制和云计算相结合，通过与相邻机组的信息共享，最终实现智能传感网、大数据和云计算的智慧风电场平台管理。