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电气及控制技术——北京国际风能大会展中报道

2018-12-10 17:36admin中国电力时空网
电气及控制技术——北京国际风能大会展中报道所属频道: 风力发电 关键词: 风力发电机组风电场设备北京国际风能展

时间:2013.10.17 下午

地点:国际会议展览中心W103

主题:2013北京国际风能大会暨展览会—风电技术论坛

主持人:赵斌 北京科诺伟业股份科技有限公司副总经理

主持人:首先开始第一个报告,有请Norbert Plushke先生,他是赛米控香港有限公司技术总监,他报告的题目是“大功率风力发电及变流器结构的变革”!

Norbert Plushke:今天演讲的题目是“大功率风力发电机变流器结构的变革”。如果看看变流器的今天,我们可以看到很不多同的设备和组件在里面,包括各种各样的模块,有很多电容器等等。大家看到是非常复杂和标准的发电变流器,任何组件都有可能出现问题,所以我们的目标是使它更加的小型化,可靠性也得到极大的提升。

看看IGBT的设计:过去IGBT的样子是很大的,是444A的,后来上升了达到了1400A,但是基本上和IGBT原来雏形是一样的。下一代IGBT模块现在已经达到了3600A,看历史IGBT内部结构是一样的,看一下新一代IGBT模块,给大家介绍SKIIPX一样的模块,首先是设计不同。新的IGBT模块包括了这些新的组件。如果大家到我们的展台来看,它整个元件非常小,模块有内部水冷装置,有自己的驱动器和总线相关的结构。为什么我们要开发这样的功率模块?我们希望能够有升级的组块式的模块,满足1到3MW不同的要求,它的生命周期要达到20年,和现在相比要达到10倍以上更高的循环能力,这种IGBT设计比较便宜。我们有一体化的水冷系统,同时驱动器也是一体化的,还有很重要的一点,IGBT还有很多不必要的大量的节省,这种绕线也不需要了,热的润滑层也不需要了。中国市场很多情况下湿度还是比较大的,水气凝结会成为严重的问题,我们能够容忍到很多的水气凝结的现状。

IGBT模块中不需要绕线,我们就是把这种灵活的可以被弯曲的电路板放到表面,我们不用固态的东西,我们把IGBT的芯片收集到了DBC基片上,是三层,和以前完全不一样,这种做法极大的提高了系统的稳定性。我们的能源密度也比较高,我们取消了热润滑,一体化的热槽,可靠性也提升了。我们这种可以扩散的方式可以完全减少疲劳。有两层薄片,是有功率和逻辑侧的,另一个好处就是和芯片的上层侧有很大的接触面积。我们可以用这个区域,这样整个IGBT稳定性得到了很大的提升。

看看什么叫功率循环能力?就是当温度升高的时候,和IGBT芯片有一个温度差,这样就影响到了IGBT模块的稳定性,我们需要得到这方面的信息进行整个生命周期的管理。这样的模块可以在70度温度下运行,冷却能力也降低了。我们有三种不同类型的模块,这种IGBT不需要更多的电容,没有电容的要求,驱动器这儿,我们有相关的信息数据,温度都可以从IGBT这儿收取。还有上层盖,没有水能够进去,所以水气的凝结是不可能发生的。也就是说它被完整的焊接在一起,封闭在一起。这样的话可以把这些部分放在一起,所以我们的客户可以作为一种完整的变流器来使用。

如果我们把一、二、三并联,那么就成为一个1.5兆瓦的功率单元。我们应该要连接变容器,如果是水冷的话,是根据3K4水气体凝结的容忍度。我们的客户不需要在乎并联还是什么,不用担心,所有的东西都是驱动器自动做的。因为驱动器通过总线,是三个并联还是两个并联,是智能化的,靠驱动器来做的。这张图是有冷却、进口、出口、非常方便。所以它的重量非常低。

如果我们使用一个叶片的话,550千瓦,已经非常方便了。出去我们看到尺寸大小,这个叶片如果说我们刚才谈到的三项变流器。

看看现在的情况,3MW的变流器是这样的,把这些并列放在一起,所以得差不多是200米的长度,这是宽,长32,高20米,所以和刚才的技术设备相比尺寸大得多,非常不方便。在我们的展台里可以看到2MW的变流器,非常小,和2MW同类设备相比,尺寸应该是最小的了。

这是1.5MW的,它的深500毫米、高300毫米,宽是500毫米。我们刚才谈到了同类的产品有3米长,我们的设备体积是很小的。3MW是全规模的,现在也已经有新的技术进行组装了。大家可以看到在我们的展台上已经有展出。

最后简单总结一下: 首先,我们的技术非常可靠,可以这么说,我们有足够的数据可以证明我们的可靠性跟传统的便变电器来讲我们有着绝对的优势。同时我们的用电量减少50%,同时还有水制冷系统,整个包装是无缝的,封闭的。你可以用一个、两个,组装是非常灵活的。

另外,还有一个非常重要的问题就是成本减少20%。除了这20%成本的降低,我们知道铜的价格很贵的,为什么你不能用其他的材料呢?你可以用铜板?这就是我们减少成本的一个原因。最后就是3.0兆瓦的转换器,可以装进600×600的规模里面。今年第四阶段我们推出样本。

我们认为这种类型的技术将会是这个行业很好的一个解决方案。

提问:有没有实际的应用案例?

Norbert Plushke:我没有放到PPT里,但是的确是有一些实际应用的。我们必须要做一些的特别设计,这是我们的专有技术。因为我们知道整个机箱设计是非常重要的,而且也是可以节省成本的,所以我们必须要去做交流方面的技术。你可以到我们的展台里,我们有一个图片可以给你们看看。

主持人:下一个报告是来自丹麦理工大学的Abdul Basit博士,他的报告题目是“在丹麦电力系统大规模风格并网中频率控制的动态模型”。

Abdul Basit:非常高兴能够参加今天的会议,跟大家介绍一下我们的项目。我们是中国和丹麦的合作,是一个研发机构,我是负责可再生能源方面的,我们在这个机构中有很多在读的学生,还有一些研究人员。中方这边我们跟中科院有合作,而且也跟中国其他的机构有一些学术上的合作。我的发言是我的一个博士项目,我的这篇发言也是我的博士项目的一部分,就是“风电系统的服务”。我们的目标就是要开发和研究一些模型,以及控制策略,提供给那些风电场,这样可以帮助他们提高发电能力,也可以给他们提供更好的系统的服务。我们知道丹麦有很多大的风电场,也存在着跟中国很多类似的问题,我是博士三年级的博士在读生,我参加这个项目已经好几个月了。我们知道大规模风电应用给我们带来了很多挑战,尤其对于现存的电场和电网来说也是很大的挑战,因为我们要取代这种传统的电场,就会给我们带来很多新的安全和可靠性的问题。所以在我的这论文中,主要讲的是我们怎么去寻找一些方式来改善对风速预测的不准确性,同时帮助大的风电场更好的融入到电网当中去,同时减轻并网过程中产生的各种问题。

我们知道丹麦主要分为东西两部分,东西两部电网是同步的,而且都是通过DC互联的,同时,还跟周边相邻的电网系统有一些内在的联系。丹麦在欧洲真到了风能的30%,在风电目标到2020年要达到占比50%新能源到2050年的时候要达到100%,所以我们需要在发电和耗电方面有一个比较好的平衡。同时要保证所有变站系统的安全性可靠性,也要保证成本。在丹麦我们希望到2020年的时候有50%的电来自于风电,风速有很多不准确性,所以有很多问题,也给我们的控制带来了很大的问题,因此给我们带来很多的挑战。在我们的研究当中,我们对丹麦整个电力系统进行了建模:

大家可以看到丹麦东部和丹麦西部两个大电网的情况:左边是西部的,右边是东部的。在丹麦我们的能源系统是比较复杂的,有很多都是可再生能源,所以为什么我们也在大力发展风电科技?也是因为在这个研究当中,大家可以一些定额和直流、交流,还有丹麦南部和北部的一些状况。

热电联产的情况:我们简称CHP,热电联产的这些厂都有自己的技术。比如说他们的锅炉反应时间大概是5到6分钟,同时中间有一个速度控制器,跟锅炉、空气机轮连接最后是跟发电机连接。如果是传统的分散式热点联产的话我们简称DCHP,这样的热点联厂我们采用了分散式的方法。这是一个非常简单的风电场。

介绍一下什么是SimBa,中间这个大模块是风电场的总控制器,风机模型是最后一步,我们可以通过这个系统了解每一个风机上的风量是多少,而且我们知道在风机方面我们需要非常稳定的系统,这样才可以有稳定得风速和稳定的发电量。我们看丹麦市场的情况,电力系统是通过DA五方式交易,通过这种平衡,不同的公司在现货市场交易。同时有调度和发电结合在一起管理,DA这种协议会在平衡状态下发布,平常也可以通过相关的公司进行平衡的恢复,在一天之内的平衡电力市场方式之下进行交易。

输电系统运营商是有责任保证达到实时平衡的状态。SimBa以小时为计划的单位是每小时之内的平衡的方法,5分钟可以达到相关平衡,整个是由SimBa推动的。

这是SimBa主要的内容,对于一小时内的风力生产偏差进行建模,同时计算半个小时之内平均的不平衡度。然后再这个基础上,不同的区域内平衡电力。所以在左边,大家从上往下可以看到载荷的需求,预测风力发电的数量和可用风力发电的数量,能源生产和单位承诺以及边际成本和相关竞标价格。右边是传统的以及和风力发展的安排和实际的比较。同时电力交换也是有在计划和实际情况中取得一种平衡。任何由于风力预测错误造成的不平衡,或者载荷的变化,任何一个小时之内都可以达到平衡解决,这是自动的发电控制AGC系统。

在纵坐标横轴上时间1小时来计算,可以从中看到,这三者之间不同的关系在不同的时间段内所表现出来的特点,由于风的特点,我们形成的做法是风的预测错误等于风的实际情况减去我们一个小时之间预测的风,得出我们看到的偏差值。我们通过这样偏差的预测加以很好的控制,以小时为单位进行。

对于欧洲大陆来讲,电力值至少要在5小时之前进行调节,所以可以看到北方欧洲大陆地区电力出新了一些平衡相关的问题。在这里有很不多平衡的现象。

总结:为了应对由于不准确的风速预测所带来的挑战,在大型风电一体化系统中,首先要有调节的储备,这是非常必须的。从快速的发电单元到整个保证系统中都应该贯穿,整个量是依赖于风力发电一体化系统的水平,也依赖于风电一体化的水平。同时要不断的增加,以便减少实时出现的不平衡性。同时我们还要更好的在电力网络之间加强它们的互联。

主持人:下面有请肖迪工程师,肖迪工程师是来自北京金风科创,他的题目是“直驱风电机组无功率调节性能概述”!

肖迪:风电场电压问题最为突出,包括低电压穿越、高电压穿越和电能波形质量问题。国标中提出风电场必须配备无功调节系统,根据电力系统调度机构指令,风电场自动调节其发出或呼吸得物功率,实现对风电场并网电压的控制。

从一个简单的单线图可以看出,维持电压稳定可以由如下6个手段:1、调节变压器变比K; 2、更改线路参数; 3、调整线路额定电压; 4、调整电源电压Ug;5、调整电源的输出有功功率; 6、无功率源Q:发电机或补偿器。

传统的调节模式大概就是通过外接得无功来,比如SVC或者STATCOM补偿风电场损耗大概20%左右。同时某些情况下,也会采用适当的调节风电场变压器的变比,或者是其他无功源的无功输出获得电压稳定,使送电场输送的有功最大化。所有无功调节的问题以及设计标准中都忽略了几个重要问题:

比如由无功产生的电费损耗问题价钱从来没有提到过,要求风机接触电网无功指令也从不考虑,因为电网不了解风机的各种特性,不会考虑风电机组当时的运营状态和寿命。要求机端恒功率因素并非易事,因为风机有功是随风况而变的。为何对单机提出恒电压控制,关键问题是:PCC电压。单机实现恒电压并不能保证风电场并网点风电的恒定。

直驱风机有一些相对的优势,它可以通过采用结耦控制,使电网控制方式更简单。比如通过接受调度或者外部指令,或者直接采集并网电压维持,盯着变网点的电压来实现调节风机的电力器的角度,使风机产生超前或者滞后得物功。实现相应的控制目标。

电气及控制技术——北京国际风能大会展中报道(2)所属频道: 风力发电 关键词: 风力发电机组风电场设备北京国际风能展

无功率调整性能总结:风电机组接受上级AVC无功调度信号;风电机组具备恒功率因数控制能力; 风电机组具备恒电压无功功率控制能力;风电机组具备在零有功无功控制能力;风电机组具备负序电流补偿能力;风电机组功率因数调节范围为-0.95-+的0.95,取决投资; 传统技术方案的回顾:通过外界得物功源补偿整个风电场得物功损耗。

这就存在一个缺点:占地面积和补偿建立的冷却系统非常大,这个土建成本以及整个设备购置都是难以忍受的。

基于这些缺点,金风科创提出了一套解决方案。由于直驱风机具有前面提到的那些优点,它本身就可以自己产生无功,所以用风机自身的无功产生整个风电场无功的损耗。通过一套控制系统采集并网电的模拟信号、电压电流等信号。同时收集各个风机的通讯信号,动风机得无功进行控制,同时可以接受调度指令。不管是电压、对无功或者功率因素进行调节。这套系统最主要的优点就是免维护、安装简单,因为它的占地面积非常小,它的补偿容量可以达到单台风机容量的33%。如果风机有功非常小的时候,无功可以发生的更大,但是为了风机进行保护,我们自身对风机的性能是非常了解的,所以为了对业主对风机运行更安全的保障,我们可以设定在一定范围内。

一般传统的补偿容量,要求是20%或者稍微多一点,25%左右,而进风的解决系统能够提供33%的容量补偿。即使有部分风机出现故障完全停机的情况下,也是能满足并网所要求的补偿容量的。

传统的SVC它的成本是非常高的,我们这个整体解决方案,已经在欧洲的罗马尼亚进行了应用,完全替代了集中无功补偿,在辽宁锦州的一个风电场部分提供SVC,以及在甘肃的一个桥湾风电场作为一个子站进行控制。同时这套解决方案已经取得了各个公司的认证。

提问:控制器是你们自己设计的吗?

肖迪:对。

提问:用哪种CPU?

肖迪:巴特曼的CPU。

提问:你们用了这个产品之后,现场容量大概能减少多少?SVC?

肖迪:现在这种案例来说,对罗马尼亚是欧洲50万的项目,这边没有用SVC,我们的建议可以完全取代SVC,如果业主有一些担心,或者有一些并网要求,必须安装SVC那么至少可以减少60%。

提问:刚才看你的PPT上面,为什么要对风场进行负序补偿?

肖迪:一般来说,有的时候出现一定的短路的时候,远端短路的话,风场会感受到一定的负序电流,但是这个负序电流不足以让整个风电场跳掉,所以这个时候为了维持整个电压的平衡,所以会进行负序补偿。无论是风场内还是风场外,电网为了整个电力系统稳定,很重要的一个标志就是并网点电压和频率的稳定。

主持人:下面有请来自天津瑞能电气公司的周玲玲高工。题目是“风电电控系统一体化解决方案”!

周玲玲:为什么我们要提出一体化解决方案?因为风机不是简单的系统,每一个都是小型的电站,理解越深才能越好的解决问题。对我们来说还要进行微观寻址、载荷计算、系统仿真等一系列的工作。风机初始设计,到供货、运维等提供一套的服务。同时设计中要考虑风机的成本,考虑系统成本的情况下有效控制设计的成本。同时要保证各个部件的互相协调工作,充分发挥各部件的效能。

举个例子,可能在座很多工程师也遇到过,比如说做DDR穿越过程中,为了达到认证要求要不断的调节变频主控等控制参数,如果采用一体化的方案就比较容易实现。避免不同客户交叉沟通的成本,免去了客户的后顾之忧。我们认为一体化解决方案具有高稳定性、高寿命、高效等一系列的优势。

讲到一体化设计方面我们要从系统仿真开始,虽然仿真不可能100%的准确,但是可以加快,同时并不是盲目的加快我们的开发。而且会对我们的控制策略进行优化,和修正我们的一些控制参数。为我们电气部件的选型提供一些选型的依据,控制策略的优化。首先模型是控制策略的核心,我们要从系统模型的角度出发,优化控制策略,降低机组的载荷,提高发电量,同时根据不同的应用环境和应用场合进行有针对性的设计。

参数匹配并不是根据机组功率等级简单选取,要进行详细的计算,比如说在阵风停机情况下电机工作是否正常?还包括系统的设计,软件设计和硬件设计。

公司产品线:包括电控系列产品、变频器、变桨、CMS、在线监控、远程监控、SCDAD故障诊断,远程专家系统。

一体化就要考虑整体设计,但并不是说整个设计都是统一的,我们要考虑不同的应用环境的特殊性,进行定制化的设计。因为我们发现,制约风电发展不仅是风场资源的问题,对于特殊环境的应用,也是一个很大的问题。风机主要工作在环境比较恶劣的环境下,比如说在低温下,东边低温经常会出现大面积停机,而且低温往往风比较大,风速高到一定程度的时候,如果说风机想不停机,必须保证我们的电气能够工作。最重要的是机械也能够工作,这样对咱们来说就要考虑,从材料特性本身考虑机组的运行。比如高湿高海拔的运行,这种情况下电气绝缘,安全、可靠是比较重要的。要想适合高湿以及高原环境必须考虑器件和固体的布置。比如说由于气体与地面的摩擦造成高湍流地区影响比较大,我们如何用控制策略解决高湍流问题,也是解决风机能不能安全可靠工作的关键。

因此对于一体化设计要考虑到特殊环境的应用。

再讲讲软件平台。目前风电行业基本采用主控制器,一般是采用通用的PRC,比如说巴赫曼的PRC,一旦控制器选定之后很难更换,因此我们需要做软件框架的统一。它使得我们的应用层软件和低层的硬件框架实现完全的隔离,当一旦一个控制其4更换,应用层软件完全不需要进行更换,可以附用到另外的控制器平台,我们再一个平台下的策略优化可以很容易复制到其他的控制平台上。而且这样也可以使得平台软件工程师不需要有太多的控制专业的背景。应用软件工程师不需要做特别复杂的软件技术,只需要关注控制策略,很容易实现多硬件平台的移植。

对于风机在风场运行过程中难免会出现一些故障,遇到故障的时候,如何快速的去解决故障?我们发现风场风机在运行过程中出现的故障停机,风并不一定是风机初始发生故障,尤其是电网或者其他出现大面积故障的时候,可能会使得其他的风机也出现故障。因此我们要分析故障就要分析整个系统的问题,进行多风机联合诊断。要实现这一点就必须拥有时钟同步的功能。同时诊断故障时通过导入每台风机操作日只有志固态代码、包括风机各个部件故障前后的路波,将所有的数据导入到专业的分析软件中,对故障前后的数据进行对比和分析,可以给出专家故障数,帮助我们解决风场的故障问题。

专家系统:是帮助我们解决日常维护和运行过程中出现的一些问题。同时专家系统可以跟风机运行中的数据进行信息交换及不断的进行积累更新。当风场出新故障时,现场工作人员请求对故障进行诊断,可以采用本地诊断的方式,给出诊断的数据,也可以采用远程的专家诊断方式。同时专家诊断结果会存在专家诊断数据库里,以便于今后数据的更新。

同时在诊断过程中,对于一些难以处理的遗留恩情也可以采用增加智能人工分析方法,提高诊断结果的准确度和可靠性。

最后简单介绍一下天津瑞能基本情况,公司总部在天津,一个研发中心两个生产基地,研发人员在100人以上,公司积极拓展了国际市场。

公司风电方面的产品:包括1.5MW到2MW双馈全功率产品、远程监控系统及其它。公司产品经过了很多认证和检测,产品在全国多个风场运行。

提问:咱们这个平台是基于你们这个平台的设备才能使用,还是一个有包容性的平台?

周玲玲:是基于通用的PRC控制器来做的,是一个软件框架,不需要使用我们的设备也可以。

提问:我看您重点介绍这个平台诊断和检修功能,它对正常运行方面控制呢?

周玲玲:故障诊断这是其他的产品,软件平台主要实现主控的一些产品,变频器的产品。

提问:还是对你们产品控制?

周玲玲:对。

主持人:下一个报告是来自深圳禾望的王立强,他报告的题目是“未来风电变流器维护和服务探讨。

王立强:今天分享“未来风电便来其维护和服务的探讨”。内容包括: 一、未来风电变流器维护;二、构建产品的完善服务体系;

一、未来风电变流器维护。在运行变流器不满足管网标准,如早期运行的变流器不满足低压穿越要求,电网适应性要求等。解决方案:进对变流器进行技术改造,局部进行硬件升级,软件升级。在运行变流器遇到电网适应性困扰,比如局部电网瞬时不平衡超限,风机频繁拖网。

解决方案:升级变流器控制软件、改造变流器控制系统或者整机替换原变流器。

已出质保期变流器面临后期运维的问题,第一选择找整机厂家或者原厂负责,如果遇到变流器厂退出市场,或者维护费用高,怎么解决,我们有一个批量变流器整体替换的解决方案。

案例1:2009年大唐三门峡风电场由于受附近陇海线电气列车穿越影响,造成风电场电网瞬时电压不平衡超限,造成风场批量脱网,禾望变流器在全球范围内首次完美解决。

案例2:张北附近的风场,当时100多台风机停机,给风电场带来的发电损失,很重要一得点是影响了电网的运行安全。这个问题现在在张北和有一些风场还没有把这个问题解决。当时我们也是通过了改造他们的两台变流器,把变流器故障波形记录了下来,我们对它的电网电压波形分析之后,肉眼看还是比较平滑的,但是用专业的分析工具分析之后,发现电网电压瞬时角度增量存在明显的波动。针对这种情况,我们找到原因之后,十月深圳禾望电气的适应性控制算法后,在相同的电网下,风机功率计电流迅速趋于平衡,与正常工况下的表现类似。

还有一个案例:这是偶然性的,我们在某一个风场发现高次谐波11次-19次,瞬时突变增大,最高含量可以达到20%,造成风场内部电网谐振,风机脱网,严重情况下导致风机电气设备损坏。

解决方案:通过整定现场两台双馈变流器的相关参数集采用禾望智能控制软件,成功解决该问题。

电网适应性困扰的总结:长久来讲电网适应性问题是比低电压穿越问题更加突出和严峻的问题。深圳禾望电气始终保持高强度研发投入,保证40%研发员工比例,保证技术领先和持续创新。

我们给国家电科院提供了两台测试风电并网测试系统的设备。

电气及控制技术——北京国际风能大会展中报道(3)所属频道: 风力发电 关键词: 风力发电机组风电场设备北京国际风能展

关于已出质保变流器的维护,首先看一下现状分析:前期一些过于变流器厂家,或是国内小规模变流器厂家,由于国内风电技术门槛提高,风电变流器市场竞争激烈,退出中国市场。遗留下的问题:没有相应及时得手后服务,备品价格昂贵,整体方面是整机批量替换。

案例:如果一个风场维护费用达到200万,如果用于置换国内变流器,大约可以置换5台左右,置换下来的5台变流器,可以作为其他变流器的备件,置换提供2年质保,而5台旧变流器的备件直说可以利用2年,这样维护成本可以降低一半,远期维护费用会逐步降低。对于故障率高,备件价格昂贵的在运行变流器,可以采用整机替换的方式进行后续维护。按照该思路,深圳禾望已实施过大唐山东平度风场双馈变流器替换,大唐国际内蒙古卓姿风场的变流器替换。

2、构建完善的产品完善服务体系。未来市场是技术实力和产品服务的竞争,如何构建一个完整的产品服务体系?简单介绍一下我们的经验。

首先需要一个高效的售后服务团队:这是服务部门的系统构架,我们招聘的培训机制,所有客服人员必须毕业于相关或者相近的专业,上岗前必须进行严格培训,实习结束之后有一个严格的转正答辩。目前我们这个团队33人的专业维护团队,维护机器超过2000台。我们的工作职责:及时解决现场问题,24小时服务响应电话,解答客户的产品问题。多样化的培训,现场调试培训,深圳禾望研发生产基地培训,产品前期安装和调试指导。提升产品性能。我们工程师很多工作是基于信息化电子流,我们每个服务工程师到现场维护,故障处理,结束之后必须填写这样的电子流程表。

问题反馈解决机制:现场问题反馈处理,我们有一个专门的质量管理范畴,现场有问题,客服工程师会把这个问题提交,服务经理把问题分流,然后相关人员进行问题分析,并把处理措施给出来。会签之后进行实时跟踪阶段,如果不能解决问题,研发人员要进行深入分析,给出一个正确的措施。

到了这一步研发部的问题会给出一个处理措施。到第三步,公司的主要部门领导对这个问题进行会签,看这个问题是什么问题,以及解决的措施恰不恰当,如果不恰当,会给出不同意的意见,还会再次处理,如果同意到实施步骤。

备件库建立和管理:分三级:现场备件服务中心备件、及公司级客服备件专用库存。备件损坏反馈也需要填写电子流。

产品信息库建立:产品生产信息、现场信息录入系统,包括故障系统,都会自动检索进去,并且信息库里面可以提供产品的巡检及维护建议。这是产品全声明周期管理的范畴。我们的产品从它的生产、运行到维护全部记录。

服务体系运行效果:我们有33人的售后队伍,超过2000台机器,80多个风场光伏电站的售后服务!

主持人:下面有请来自北京鉴衡认证中心的陈思敏发言。题目是风力发电机组功能安全失效分析及风险健小。

陈思敏:功能安全这个概念是在IEC标准61508里有所体现,里面延伸出来了关于车辆、铁路、核电、制造业、机电的一些标准。风险是对危害事件发生的概率、频率以及发生后的后果,安全设计要求基本点是要识别危险和降低风险。

功能安全安全在标准里的定义是:受控设备EUC五,或者受控设备系统总体安全中的一部分,其安全性是依赖于电气/电子/可编程电子安全相关系统,或者其他技术的安全相关系统或外部风险降低措施的正确机能。就是功能正确对输入的响应,并且能够正确的输出操作的安全性。

安全完整性:在所声明的时间段内的全部条件下,安全相关系统可靠的执行所需安全功能的可能性。

标准里给出了一个SIL:安全完整性等级,Safety Integrity Level,表示风险减小所需的等级,SIL分为四个等级。

功能安全标准的发展:1989年的时候IEC61508关于安全标准开始立项启动研究,1993年的时候DIN19250标准发布,1998年的时候IEC61508首版发布,2004年IEC61508延伸出来的机械安全标准62061首版发布,2010年61508第二版发布。功能安全为什么要提出来?评估是有这样的要求,传统技术下的安全相关系统,大部分是硬件之间,导性、电缆连接,硬件连接,分立元件,机械、液压、气动、电气控制,可以通过对最终产品的测试,检查评估。

国际上功能安全TUV是功能安全领域的开创者和领跑者。功能安全现在国际上广泛应用于汽车、电子、轨道交通、工厂自动化、电场控制、核电仪控、新能源光、智能电网等等。

国内目前功能安全产品基本对外国企业所垄断,国内功能安全大多数处于研发阶段或者概念阶段。随着中国先进工业化的发展进程而发展,随着工业产品越来越多的进出国际市场,需面对成熟市长的产品准入法规级标准要求,影响安全的重大事故和安全形势将推动国内功能安全的发展。

功能安全在风电领域现在是正在推动的阶段,IEC正在推动将ISO13849-1作为风机认证标准。13849是机械安全标准,分三个部分,第一部分是世纪通则,第二部分是确认,第三部分是应用指南。安全功能用于风机风险减小的话,应对风力发电机组控制系统有关安全部件进行评估。

将功能安全引入到风电领域,是因为风电领域作为一个新兴行业,希望能向更安全、可靠、规范、良性的方向发展。

控制系统有关安全部件的概念指的是控制系统中响应有关安全输入信号并产生有关安全输出信号的部件。I表现输入,L是处理模块,O是输出模块。

控制系统有关安全部件设计,是单一安全功能,可能有一个或者多个控制系统,有关安全部件来实现。几种安全功能可能由一个或多个SRP/CS来共同实现。一个简单的单通道电气系统示例:它只包括输入和输出子系统。后面这个是双通道的,风电控制系统里常提到的冗余系统,是有两个输入,处理模块,两个输出模块。能容忍一个部件单独的故障,仍然能正常安全的工作。两个通道出现故障的时候,系统才会失效。

控制系统有关安全部件的设计:它的目的最终是为了降低风险。开始是确定机械的限制,然后进行危险识别,识别运行过程中有什么风险?有什么危险?对风险进行评估,然后对风险进行评定,根据国标16856进行的风险评价,如果风险健小不是很足够的话,就要往下对风险进行减小过程,有两三个方法。一是通过本质安全设计,而是通过防护装置,三是通过使用信息。所有的保护措施是否依靠控制系统?要看迭代过程,然后评估是否产生其他的风险,如果产生其他的危险要返回去继续对风险进行危险识别,技术这样的过程。如果风险减小足够,过程就结束。接下来就是控制系统有关安全部件设计的迭代过程的详细流程,首先是识别由控制系统有关安全部件的执行的安全功能。规定每种安全功能所要求的特征,确定安全功能所需的性能等级,定义是每小时失效的概率,分为四个等级,接下来就是对安全功能技术实践,识别安全功能的有关安全部件。选型,选什么类型的部件。接下来考虑一些因素,来评估性能等级PL,验证评估性能等级,满足所需的性能等级,如果是的话,就结束,如果否的话还要继续回去上面的过程。

所需的性能等级:S代表的是伤害的严重度,S1表示轻微的伤害,S2是严重的,或者是不可恢复的伤害。F是代表频率,危险暴露的频率或者是时间,F1是很少的暴露时间段,F2实的是频繁暴露于危险中,暴露时间很长。P是指可能性,限制伤害的可能性,或者危险的可能性,通过这三个条件评定功能安全,它需要的性能等级,E是最高的。设计好了控制系统有关安全部件,就要对它的性能等级进行评估,看看到底达到了需要的等级没有,有几个因素:

一个是单个元件MTTFd额值,DC、CCF、结构、功能安全在故障条件下的性能、系统性失效、预期环境条件下完成功能安全的能力

PL估计就是根据上面几个因素古籍出PL的等级,有类别,还有基本等级,根据ISO13849标准,有低中高等级。

前面提到了IEC标准,62061用的是安全完整性等级,这里是性能等级PT,它俩有一个对应的关系。

故障考虑和故障排除: 对实现相关安全功能的SRP五/CS,应评价部件耐故障能力。故障排除可以用FEMA方法,这个方法国标7826里提出了是失效分析和影响分析。

CGC功能安全评估方面的工作:风电行业就是ISO13849和IEC622061:功能安全评估认证的意义:改进安全、防止生产人员和生产区外部人云的身体损害,避免破坏环境,避免生产损失。

功能安全认证主要涉及针对安全设备开发流程的文档管理FSM评估,硬件可靠性计算和评估、电气安全测试、软件评估、环境实验、EMC电池兼容性测试等内容。控制系统有关安全部件的评估:基本是在第四个等级D级。关于这些评估和系统安全部件设计,前面已经提到了!

主持人:下一个报告有请来自苏州华铜复合材料有限公司总工程师黄吉祥。报告题目是“节能导体材料铜铝复合母线在风电控制产品中的应用。

黄吉祥:首先对现有的三种材料做一个介绍:首先铜母线大家已经非常熟悉了,它的优点电气性能机械性良好,成本高,重量重。铝母线重量轻、价格便宜。70年代、80年代,我们国家经济政策以铝代铜,当时我们有的都是铝,但是以后为什么不用了?就是铝母线在通过电流以后,有几个问题影响电气寿命。第一它表面容易氧化,氧化以后它是绝缘的,会严重发热甚至烧毁,第二它比较软,易蠕变,电气寿命短。

我们研发的铜铝复合母亲线,解决了铝母线三大决点,成本低,重量青。它的安全性能和铜一样,但是重心用了铝重量减轻了。

实验这是加拿答应属哥伦比亚电力实验室对铜与铜、铜与铝、铝合金搭接的接头进行了2000小时的实验,相同条件下铝合金搭接和比铜和铜的搭配寿命短得多。铜和铜的搭接在实验中电阻变化很小,仅30%样本电阻有等大,实验证实铝和铝搭接寿命比铜和铜的搭接短得多。

铜铝复合母线,表面是铜,中心是铜。我们按照国标T9327-2008要求,做了一个1000次热循环的实验,做完之后这1000个数据要进行离散度的分析,如果离散度在标准范围之内,说明1000次做完了材料表面也好,内部也好,材质没有发生多大的变化。如果材质发生变化电阻会增大,这是寿命实验,这个实验连续做了八个月,充分证实了风电复合排长期通过大电流,其材质和铜铝界面的性能变化很小。

我们取得的资质:我们已经通过了中国电力认证,这是第三方认证。也有了国家电力行业标准和国家能源行业标准。我们这个铜铝复合母线得到了国家科技部、质量监督检验总局的人铺。我们这个产品在国家三个行业权威检测机构进行了检测,一个是国家有色金属及电子才料检测中心,国家电控设备检测中心做了全面检测。在我们机械工业电工材料及特种产品检验中心也做了测试。这是在三个行业最权威的检测机构。

我们1000次热循环是通电做的这考核了它的寿命。使用过程中,尤其分辨系统温差很大,这么大的温差,热胀冷缩产生的应力会不会破坏它?我们对这个产品做了不通电,在恒温箱里,由零下40度到120度反复做100次,看它的界面结合程度有没有变化?如果没有变化说明我们能承受热胀冷缩产生的应力。我们在电气设备里的使用超不过110度,风电系统使用超不过90度,所以它是安全的。

这个产品从2008年起已经做了100多项铜铝复合排母线槽工程,北京凤凰城、广州林俊汽车内饰厂,2012年做了大型汽车厂房项目。

铜铝复合母线在风电场设备中的用由于风电场现场环境恶劣,塔筒在运行过程中剧烈晃动,对电缆、母线的结构优特殊的要求,廉洁奉电机头和塔底控制柜的风电导电轨,要求耐低温、防辐射、重量轻、成本低,线路损耗也要尽量小,因为用的是自己产生的电能。

目前在风力发电机组内使用最多的仍是风力专用电缆,它并不满足上述要求:我们调研大约存在几个问题:

1、风力专用电缆受到线芯的限制,单芯载流量小,大容量输电时需多根并联,不但占用面积大,而且在运行过程中存在电量不平衡的问题,造成部分电缆过载而严重发热并酿成事故。

2、电缆多根并联时回路感抗大,电压降大,更次谐波多,线路损耗大,对塔内控制设备也有干扰。

3、大容量风电机组电缆数量特别多,线路长,由于高落差垂直布局时的自重和固定问题在塔筒内敷衍设难度大,周期长,而且电缆接头附件的制作工艺难度大、费用高,后期还存在故障测寻、维修困难等问题。

4、尽管绝缘层和护套采用了高强度、耐候、耐油材料,但其老化寿命只有10到12年,满足不了使用标准的30年的需求。

5、风电专用特种电缆价格高。

电气及控制技术——北京国际风能大会展中报道(4)所属频道: 风力发电 关键词: 风力发电机组风电场设备北京国际风能展

现在出现了导电轨代替电缆,已经用了好几年了,尤其1.5MW的,但是比起电缆来说有很多优势,但是目前为了减轻重量,导电体用的都是铝排,一段一段的连接结构也存在一些问题。所以也满足不了风电设备的要求。段与段之间连接是单螺栓用两个大的罗圈紧固,没有晃动的话,是最好的结构。但是用到查筒里长期会不会产生松动?很难说。另外铝排虽然重量轻、成本低,但是它存在的先天不足会影响电气的寿命。尤其大电流3MW以,所以母线槽虽然比电缆有很多的优越性,但是目前用的导体材料还是满足不了要求的。

我们这次参加这个展会,和很多企业也进行了座谈,导电轨要满足风电的要求,第一把导体材料换成复合的铜铝线,第二改变接头连接部位的结构,让它能够满足风电长期晃动、振动的要求。这两点解决了,它比电缆要好得多。

此外,风电变流器和箱式变电站也采用很多大电量的导体铜母线。成套设备中动载流导体要求一点是温升极限控制,第二就是发生短路的时候动热的稳定。要根据导体材料的载流两铜排、铝排还是复合排,根据载流两选择合适的节面就可以满足这个要求。所以保证可靠的基础上降低成本是必然的选择。所以许多生产变流器或者生产箱变的企业现在已经选择了铜铝复合母线,效果是很好的。

这种铜铝复合母线在高低压配电设备里,母线槽里,我们分辨的变流器以及通信系统的电源柜,这些都已经大量采用过了。大幅度降低了导体材料的成本,你们成套设备的竞争力,降低了工程投资。所以5年的时间,100多个工程项目使用,充分证实了它的可靠性。分辨系统变流器也好,箱变也好,它的要求或者高低压开关柜,这些电力控制设备,要求没有多大的区别。所以用在箱变,用在变流器,仍然是可靠的,但是能大幅度降低成本。

主持人:下一个报告有请国电联合动力工程师吴行健,吴先生的报告是“风力发电机可靠性分析与设计”,大家欢迎!

吴行健:第一个就是选取原始数据,第二是对原始数据进行统计以及处理。第三是进行可靠性的计算分析。最后是对统计结果进行相应的处理。

风机可靠性设计:包括风机部件设计、风机运行逻辑以及维护策略分析。

风机可靠性分析与设计的意义:可靠性的研究目的在于提高风力发电机的正常运行工作时间,提高资源的利用效率。风机运行时间一般设计为20年,大部分运行小于10年,来自于现场的一些运行数据比较有限难以得出比较系统的理论,或者实践的一些模型。其次风机系统比较复杂,因为大家知道风机包括从吸收动能到产生发电各个部分部件都是由不同的型号和不同的供应商,所以造成了系统性理论的形成以及一些设计过程都会比较困难。第三是对于风机来说,有一些环境数据比较有限。比如说对风速、风向,以及对海洋风机的浪、湿度这些数据比较有限。同时,设备维修部便也造成了发电量的下降以及维护成本的提高。

风机可靠性分析的流程:

1、选取原始数据。首先是对风场的选取,选取时要考虑风场的规模,风场要有多少风机,风机总量是不是达到标准,风场风机类型可以根据多少兆瓦进行分类,以及风机的运行时间。比如说风机是运行一年以上还是一年以下都要给予考虑。

2、风机部件门类:风机是一个比较复杂的系统,如果对风机各个部件可靠性进行分析的话,需要具体到系统、子系统、部件子部件这样的结构进行分类。

3、风场中的数据来源:可以采取记录一定时间间隔的SCADA数据,判断故障及故障来源,或报警记录,维修记录等。以及对相应的人工成本进行考虑。

对于数据的统计及处理,主要是记录故障事件,可以根据自己想要做出的可靠性分析的目的表格设计,比如按照故障等级、故障时间以及发生原因设定一些故障记录标准,这样在统计的时候比较有条理,以便于以后做出比较可靠的可靠性分析。

对于可靠性分析和计算,首先可以引入故障率。大家可以看出故障率就是单位时间内设备发生故障的次数,等于设备发生故障的概率密度除以设备不发生故障的几率。RT是它的可靠性。

因为根据一些数据统计显示风机一般运行一段时间以后是稳定的,HT是定值,设备发生故障密度FT可以用相应的数学分布,比如指数模型进行模拟。可以通过统计计算得出来故障率HT,同时能得到相应设备可靠性RT。(图)这个图是RT曲线,随着时间的增加,可靠性是逐渐下降的。大家可以首先划出曲线,根据风机运行时间,对一些故障率和可靠性进行估计。

故障分析:按照故障不同可以对风力发电机系统故障对故障类型进行分类,并对系统失效的硬件、软件、环境、人为等因素进行分析得出逻辑框图。这些框图可以从单个个某个比较简单的部件开始,进一步进行组合,组合成风机整个系统,因为风机系统会比较复杂,所以组合过程中会涉及到一些比如说冗余的设计。所以可以对这些设计以及发生故障的概率进行分析。之后可以采取相应的设计措施,以提高风机的系统可靠性。

对于风机系统来说,主要是可以对风机的控制系统、低速轴、高速轴、发电机、变流器、塔筒、机舱、叶轮等部分的具体部件的故障率和故障时间进行统计。得出统计结果。子系统可靠性比较高,整个系统的可靠性也会降低,增加冗余设备,系统的可靠性会提高。

涉及到风机比较复杂的地方可以把风机看成一个多输入、多输出的系统,这样可以利用一些数学的方法,比如运用矩阵的性质来增加分析的数学辩解,这样就能比较可靠的得到一些统计的结果。

风机可靠性设计:做风机可靠性分析有两个实用价值,一个是风机已经成形,在生产的风机设备可以进行一些改进或者相应的维护,或者是部件的优化进行设计,另一个是对正在在研的,正在生产的新机型可以根据可靠性分析,对相关部件和维护策略设计。

1、风机部件设计:根据现有数据来源统计风机部件的故障率蚁集蜂场特性等因素,对风机部件例如叶片、变桨穷、传动链等进行相关的设计。

2、风机运行逻辑与维护策略

根据风场特性及风机部件特性,设计风机运行逻辑,针对维修时间,维修成本以及更换成本等因素设计维护策略。

比如针对海上风机来说,相信大海上风机会遇到这样的问题,是在对天气条件比较敏感的地方,到达风机维护成本会比较高,时间有时候也会拖的比预期的长,所以针对风机可靠性得出来具体部件的故障率进行统计、分析就能进一步优化风机的运行逻辑。比如说是不是要停机或者人工重启?也可以针对维修时间、维修成本,包括人工、物流、以及更换成本因素设计一些维护策略,达到人员有效利用和运营成本的降低。

主持人:下面有请来自北京科诺伟业股份有限公司的李海东博士,他的报告题目是“5MW风电机组电控技术发展现状与展望”。

李海东:我来代表北京科诺伟业科技股份有限公司为大家介绍一下“5MU风电机组电控技术发展现状与展望”。报告分四个部分: 一、5MW风机发展现状的分析; 二、5MW风机电控系统关键技术跟大家做一个分享; 三、超大功率风电机组发展趋势;四、超大机组电控技术发展展望。

一、5MW风电机组发展现状。它的功率等级在逐步增加,相应叶片直径在放大,可以看到在2005年的时候全球率先推出了5MW风机。

中国从2006年到2011年单机容量的变化趋势:到前年中国的装机容量是1.5MW的功率等级。最新的统计,全球2012年整个新增的单机平均容量是1.85MW,比2011年提高了0.17MW数量。整个发展形式来讲大型化趋势非常明显,其中欧洲,由于海上风电发展比较快,丹麦最快,达到了3MW,英国、德国平均容量也超过了2.3MW,我们去年是1.65MW,比1.5MW也有所提升。由于我们2MW机组的增加,我们的2MW机组由2011年17%,去年达到了30%,发展来讲整个机组大型化发展是发展必然的趋势。

随着海上风电逐步的启动,5MW必将成为海上风电的主要流机型。这是国外目前部分公司5MW级风机机组的研制进展,包括VESTAS、GE、西门子、BACD等公司,都有5MW级别的产品推出。其中BARD公司和VESTAS公司大功率产品批量装机。与此相对国内华锐、东气、联合动力、湘电、南车这些公司,在最近一段时间,包括去年年底,再早之前都有相应的样机运行,另外明阳等都是在研制阶段,年底大概都可以推出样机。

针对过外统计情况,首先传动链做一个简单的数据分析:可以看到国内直驱占60%,高速传动占40%。国外是直驱、高速和中速三种类型,各占55%、18%、27%。

发电机类型:就是永磁和双馈,各占80%和20%。永磁发电机是5MW发动机主要的类型,是因为它简单方便。

二、5MW级电控系统关键技术

(一)控制系统关键技术。 控制系统包括变桨。从技术需求来讲,5MW技术包括传离带,叶轮巨大,受力不均,降低疲劳载荷,国内有一家做160多米的叶片开发,包括轮度高度在150米,这样叶片受力不均匀,而且希望它有更长的寿命,那么载荷优化肯定是一个非常关键的技术。

第二个就是高可靠性。海上这种特殊的环境下,包括烟雾、腐蚀、雷电,甚至台风,这种情况下,会对机组设备造成更多的损坏,包括粗线故障纪律也比陆上更高,本身成本非常高,维护起来很不方便。这种情况下对设备来讲高可靠性也是非常重要的。

第三个就是状态监测。这跟高可靠性互相相关联的。是否能对机组故障进行更好的判断和预警,这也是控制系统要解决的关键技术。

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对载荷优化有几个主要的技术点:第一就是独立变桨控制技术,通过独立控制三个叶片桨距角,限制风轮输出功率的同时改善机组所受气动载荷

独立变桨控制是在统一变桨控制的基础上,叠加一个偏差角,将叶片载荷分解,提取不平衡载荷进行控制。

传动链阻尼控制技术:

塔架阻尼控制技术:通过控制桨距角改变风机叶轮推力的变化,抑制塔筒前后的振动。

智能监测技术:主要是提供传动链的状态监测。传动链包括主轴、发动机等等,这几个环节上要进行在线监测分析,对它的振动频谱信号进行监测、分离、判断,进行故障判断。在线检测技术要对整个机组运行数据、故障信息进行提取分析,判断准备的故障点,同时对可能发生整机故障包括零部件的故障进行预警。

可靠性技术:三个方面考虑:第一个是对变桨备用电源管理。它的容量是非常关键的,所以是容量在线监测技术。再一个电源健康状态监测,是否老化或者是否能够正常充放电,包括被动电源最佳效率充电,以及能量什么状态情况下可以进行顺桨一系列的管理。第二个是从控制和机组安全保护盲从的。是关于安全链保护的设计,包括机组极端广况下的保护技术。第三个就是冗余设计。是关于整个电气、软硬件综合的冗余设计保护技术。

产品需求:变流器的需求

变流器是整个发电机和电网之间连接的设备,它随着机组功率增加,它的功率电流以及电压需求都在相应的增加,在这样的情况下变流器采用什么样的方式更高效,更可靠也是需要解决的关键问题。

第二个就是高可靠性的问题,第三个就是电网适应能力。这对变流器来讲是一个永久话题。

首先从解决大功率脱铺结构我们分析有三点:包括多层次并联技术。一个是解决均流问题,第二是解决均流和环流问题,再个解决均流和主从控制问题。

第二个是中压多电平技术:包括二级管签位多电平脱铺结构。中点电压平衡,第二个就是H桥脱铺结构,采用低压功率单元模块技术。第三是从点气设计角度,采用更成熟的产品并联提高电气电流耐受能力,采用期间串联采用耐压。

两电平变流器并联:优点是结构简单、冗余度强,可靠性高,易于模块化设计。缺点就是有均流和环流,系统开关频率较高,损耗大,效率偏低。二级管钳位多电平脱铺结构,优点是多电平输出,谐波较低。

电网适应性技术:有三个方面,一个是主动行营恶劣电网,一个是故障穿越能力,再一个是无功支撑能力。

高可靠性包括三个方面:环境适应能力、故障诊断、结构模块化设计

三、超大功率机组发展趋势

1、超大功率风电机组现状

10MW超级大功率风电机组整机和零部件设计关键技术研发,科技部已在十二五规划中布局,目前国内各单位正在处于研发阶段。

长寿命及高可靠性设计方案、简单轻量化的新型传动技术、抗灾害性大风的气动和结构设计技术、抗盐雾和防腐蚀材料工艺设计及机械制造工艺设计技术,解决这些关键技术是超大关键机组未来追求的目标。

国外目前10MW级产品进展:英国Clipper、挪威SWAY、美国AMSC、GE都有这样的计划,可见10WM风机是未来海上风机的平台。

控制技术展望:海上尤其10MW风机,可能因为海上风电投资,风机当中占的比重远远低于陆上,对于投资者来讲肯定愿意把更多的钱投到真正发电的设备上。对于海上,尤其深海来讲,功率等级越大投资收益度越高。所以深海就是10MW级的。对于海上资源来讲风况非常稳定,但是湍流强度非常大,极端风况对风机来讲破坏度最高。对控制来讲,就要考虑应对极端风况下能够使机组避免过渡载荷和风轮超速故障。是否能对极端工况预测,包括极端必须要停机情况下如何停机,这是控制系统需要研究的课题。

对于变流器来讲,10MW级是非常大的功率等级,首先能否有更高功率的模块化设计,更高能量密度的功率模块,如何更好的方便的维护,包括IGCT以及其它的包括赛米控也正在考虑全密闭的功率器件提高耐压耐流。

第二个就是拓扑结构,包括中压多变流。

第三个还是电网适应性问题更加深入。海底和风机之间的影响,包括海底电缆的阻抗特性,包括风机离岸的电网架构,对风机来讲提出了更高的要求。

提问:对于5MW变流器,你刚刚提供了很多方案,比如说有并联,和变流器并联,包括采用中压的极联或者说三电平的技术,你认为目前来看,如果中压情况下,哪一种更具优势?技术上都能实现,但是怎样在性能达标的情况下,商业化的角度来说是最好的?

李海东:这个问题非常好,首先这两个技术是两个不同的技术路线,从技术上来讲都可以实现,而且我也可以直接告诉你,我们公司目前这两种技术路线都在走。我们目前低压的方案是可以最先实现产业化的,可以最先产品化的。因为我们做的东西要有一定的客户,目前情况是我们低压方案会最先产品化,中压也在做。但是从实现的先后角度来讲,要比低压的稍微慢一点。

主持人:下面有请沈阳工业大学邢作霞副教授,她报告的题目是“风力发电机主控系统动态仿真实验台的开发与研究”!

邢作霞:一、人才培养。从06年开始教育部批的第一个本科教育之后,开展了本科教育,随之开展了很多高职教育,本着人才的需求,包括运营维护和设计开发人才需求启动。去年开始本科专业已经改名了,不叫风能与动力工程了。我经常跟学校说我们的风能与动力工程专业是“熊猫专业”,就7年期间有,可以算算屈指可数,我们培养了多少风能与动力专业的学生,所以用人单位各位领导们,以后看到这个专业证书这个专业不要歧视,去年开始已经叫“新能源科学与工程”专业了。各个高校设置这个专业的时候大多数括号一下,风电方向,或者光伏方向。

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二、实验台功能设计。 这是控制实验台的构想:左上角那个图片就是实验台的照片,从设计思路来说,是人机交互界面,是HMI画面可实现趋势图显示,故障报警、数据归档功能。编程电脑:深位机实现学生编程和后台模拟仿真功能。可在上位机上实现风电机组风能捕获及机械传动的动态仿真,与PLC编制的控制程序进行信息交互。

主控制器里可以放你的程序,编程电脑有一个交互,仿真机会来执行,人机交互会让HMI设计一些参数进去。

三、操作面板及实验设计

这个板块功能设计来说,所有的偏航回路设计成插孔形式的,这块功能在学生锻炼的时候很有作用,其实很简单,但是初学者肯定需要锻炼。

下面就是整个偏航动作的模块。整个偏航机构,要有偏航电机,还要有传感器,监测正反转,把这些执行小件都放在外边。从实验角度设计思路,就是把现场里边大的搬不来的东西都缩比,变成台上你能看到的东西。我们可以把接口设计出去,你的程序可以对它说话,程序执行外面完全可以看到动作,这几个模块都是联机的。

液压站变电桨要么是高航闸,要么高速闸。整个油路回路怎么实施,这几个阀控怎么配合,就是释放、被压之后的状态。这上面有搭配的控制,在这个板块之下,可以通过控制训练逻辑,两个板块都能看到。否则风机上这边要看液压站,那边看偏航,不是一个人能干的活。

下面一个板块就是做的油润滑系统,齿轮箱冷却。大的齿轮箱整机有10MW的,7MW的,应该更复杂了,有低温的,防高温的。对制造商来说把这个板块抽象出来,设计多层逻辑。外面这几个按纽都可以设定,比如油稳高低。这里比较难实的是齿轮箱的内部逻辑,这需要仿真出来。

下面这几个板块是变桨部分。大家知道变桨实施在功率控制环节,转速控制环节。硬去看变桨或者给一个变桨控制回路就变成内部控制回路了,但是对于组控来说,它的变桨目的主要是抑制功率波动,转速波动。要实现这个内部控制环境要有一些仿真技术,进行变桨之后,大风的时候风机有功率波动,变桨执行了,如何反馈这带给开发者一个很大的挑战。我们要有一个内部逻辑嵌进去,才能进行检验。

我们做的实验包括偏航互锁电路设计实验,传感信号采集和自动化对于风编程实验、在实验台完全开放的IO,可以随便配置。

想问题这样一套成语功能多了,首先要得有采集、判断正反转,另外自动跟风的时候要判断左右极限状态,还要判断方位角,风速的状况,这个软件有一定的开发量。

实验三、液压机构袁丽姬控制实验:唯一特征就是你的液压什么样你可以自行设计。

实验五、变桨距控制编程实验:不同的位置风的变化梯度不一样,变桨参数需要各自有各自的参数,不是一套参数能胜任的。这里真正的实验就是PID参数的调整,内部有一个反馈。现在考虑怎么样能把内部反馈嵌入里面?否则还是没法校验程序。

四、系统网络结构设计:

我们采用了一套西门子的方案,

五、人机交互界面:

六、3D仿真风利发电机组仿真模型

这是很多厂家都干的活,你只不过是移过来用三维检验机械设计是否合理,我们把这个拿过来再进一步做动画,每一个控制都要彰显出来。难在是这套3D仿真跟软件要有接口,至少要接受偏航指令、启动指令、停机指令和转速指令。

七、基于FAST的半物理仿真环境搭建

有几种手段:第一种是用开源代码。包括AerDYN叶素理论、气动特性、MATLABPLC代码、FAST机械部件载荷动态特性。

采用AeroDyn、FAST和MATLAB这三种仿真工具分别建立气动、模型、机械运动模型和控制系统模型。你可以通过UDP或者是通过OPC,或者是通过TCP、IP协议都可以过去,就看速度的要求是什么样。

如果用MATLAB,它的嵌入PLC跟PLC种类有关。这块不同的制造商有不同的做法,西门子是给你一个原有的文件,然后嵌到PLC里面,这样PLC跟它无缝连接,把它的响应读上来,把你的程序也同时跑了。

基于GH BLaded的半物理仿真环节搭建:现在几乎很多制造商为了认证、设计他们都有Bladed模型做很多工作。比如说都设计完了,Bladed软件可以把体设计的控制曲线,变桨距离曲线,包括针对独立变桨距的控制曲线,你的变化、规则,变完之后,通过TCP IP,着你的笔记本,用一根网线,联到控制器上,当然跟你的控制器有关,控制器会跑你的程序,你的本上面跑的是Bladed额的响应,Bladed有一个接口,它会实现跟你的程序的交互。程序控制一些指令,通过这个交互来到Bladed相应,它里面所有的程序跟你的逻辑通上来。不是跟DL文件通,DL文件里面是一个算法,比如什么时候控制桨距,现在验证的真实的一套程序在那儿怎么跑,给机主的响应是什么,Bladed能看到整个载荷的变化,看到理想就可以了,如果不理想再调程序。这个通道就会给大家在软件设计部分和编程部分搭成一个桥梁。这块能锻炼我们真正编出来的程序,是否让机组有什么样的响应状态,你可以很直观的看到。尽管有很大程度是仿真的逻辑,不能完全代表现场情况,但是至少通过实验能够拿到一个信息,就是程序跑起来是不是安全,因为Bladed里会算200多种工况,可以设大风失电、脱网,都可以设这样的情况。如果出现问题,说明软件响应力不够。这种情况是我们守在现场很长时间未必能看到的状态,但是通过半物理仿真情况可以测试到可能会发生的结果。

八、SUT -DFM-10KW双亏风电机组动态仿真模型实验台

这个实验机组对我们实验教学有很大的辅助作用,对我们的研究工作也有很多帮助,所以在这个想法上我们设计了实验室的数据模型,可以按照整机的模型提供,它只是教学模型的认知。整个系统风机上面的装置都在实验室体现出来,有主控柜和并网柜。我们为了手操的接洽,涉及远程操控实验操作台。

这是动态仿真实验台,把所有的控制相关联的,包括电流控制、监控系统和变桨控制都体现出来了。这是在实验室仿真做实验的一个控制台。对于电机控制有没有呢?答案是有的:

整个方案就是可以把你的电机结构变成几百千瓦的电机,采用对脱的方式,可以模拟出转距轴的脉动,我们叫风模拟系统,这个想法5、6年前就有提出,概念提出来之后,现在我们的概念被一些海洋大学所接受。风的设计和海流设计、波浪发电也有一比,现在海洋大学都用我们的方案。这样可以把整个实验台,风流模拟或者外流场模拟都可以放在驱动实现的方式来实现。

我们可以在并网柜实现,并网柜组成有硬件和软件,高校里面大家用一些仿真的手段比如说RT平台,想办法用这个概念实现你的控制略

对于永磁发电,风模拟这块没有区别,唯一也区别的是变流算法。

对风电来说,很大一部分维护会发生在变桨系统,我们对变桨这块针对现场运行、维护人员、调试人员设计一个变桨操作台的概念。简单易行,但是有两个仿真手段,第一个就是我们把叶根整个结构抽化出来,叶片轴承、内驱小齿轮,减速机、驱动连接,中间这个绿色的部分是模拟载荷装置。为什么做这个?这对变桨设计是有更高层次的意义的。在变桨控制里面,在做设计的时候要针对不同的页面变量设计大小,而且要能够承载叶片的变量。这部分是模拟载荷的变化。

三轴联动变桨距联合控制实验方法:通过轴控、包括线位开关、小齿轮、编码器等等进行控制。

提问:您刚才介绍的软件,整个系统开发是你们学校自己做的?还是说跟企业有合作?软件部分是你们来做?硬件部分是企业这边买它的产品而形成的一个很成熟的东西还是处于开发阶段?

邢作霞:这些产品都是我们自己做的,我们有成套的设计。整个设计方案是我们总体来完成的,里头有个别的件是外围的,但是也是按照我们技术条件加工制作的。整个设计方案是我们完成的。我们这些思路是结合教学来实现的,而且在我们做完之后,我们兄弟院校很多院校去我们学校看,虽然我们投资不是很大,但是我们觉得还是很有成就的,因为作为一个学生锻炼平台,提供一个开发环境,国内还没有看到有做同样的实验平台。所以我们还是很骄傲的。这个产品不光可以让你在实验室锻炼,可以拿到现场,这是我们和别的高校实验平台最大的不同。