風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及其前景

我國風(fēng)電行業(yè)目前的形勢

2005年以來，我國風(fēng)電裝機(jī)以年均100%的速度快速發(fā)展，到2008年底，我國風(fēng)電總裝機(jī)容量達(dá)到了1215萬千瓦，占世界風(fēng)電總裝機(jī)容量的10%左右，這是一個(gè)相當(dāng)驚人的增長。目前，從裝機(jī)容量來看，我國已成為亞洲第一、世界第四、風(fēng)電裝機(jī)容量超千萬千瓦的風(fēng)電大國。排在前三位的依次是美國、德國和西班牙，其裝機(jī)容量分別為2517萬、2390萬和1675萬千瓦。

需求的快速增長也帶動(dòng)了我國風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)的快速發(fā)展。2004年，我國風(fēng)機(jī)整機(jī)制造企業(yè)僅6家，目前明確進(jìn)入風(fēng)機(jī)整機(jī)制造的企業(yè)已超過70家，另外還有一些公司正在開展進(jìn)入風(fēng)機(jī)整機(jī)制造的前期準(zhǔn)備工作，呈現(xiàn)出“你未唱罷我登場，百家風(fēng)企競風(fēng)流”這樣一個(gè)喜憂參半的格局。喜的是經(jīng)過這些年的發(fā)展，內(nèi)資和合資企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大、技術(shù)能力不斷增強(qiáng)、市場占有率上升很快。2004年，內(nèi)（合）資企業(yè)和外資企業(yè)占當(dāng)年風(fēng)電新增裝機(jī)的比例分別為25%和75%，而到2008年這一比例正好顛倒了過來，內(nèi)（合）資企業(yè)已經(jīng)在風(fēng)電市場上占據(jù)絕對主導(dǎo)地位。至于這些整機(jī)制造廠家?guī)��?dòng)的零部件生產(chǎn)企業(yè)究竟有多少，更是一個(gè)無法準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)的數(shù)字。這些風(fēng)機(jī)整機(jī)制造企業(yè)及零部件企業(yè)的發(fā)展壯大，有力地促進(jìn)了我國風(fēng)電制造業(yè)技術(shù)水平和生產(chǎn)規(guī)模的提高。憂的是這70余家風(fēng)機(jī)企業(yè)的技術(shù)水平、生產(chǎn)規(guī)模、服務(wù)能力參差不齊，真正形成規(guī)模、比較有競爭能力的還只有寥寥幾家，大多數(shù)企業(yè)對于未來面臨的巨大風(fēng)險(xiǎn)都估計(jì)不足，這是我國目前風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)存在的一個(gè)突出問題。

從未來的發(fā)展形勢來看，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)至少將有十多年的黃金發(fā)展期。從世界范圍來看，美國、德國等工業(yè)發(fā)達(dá)國家為解決能源短缺和環(huán)境污染問題，都將大規(guī)模發(fā)展風(fēng)力發(fā)電作為主要解決方案。在我國，情況也是如此。2008年底，1215萬千瓦的風(fēng)電裝機(jī)容量占我國電力總裝機(jī)容量的比例還僅為1.5%，預(yù)計(jì)到2020年這一比例將達(dá)到10%左右，即到2020年風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到1.4億千瓦這樣的水平，這是十分可觀的數(shù)字。這表明，從宏觀形勢來看，風(fēng)電行業(yè)大發(fā)展的高潮確實(shí)已經(jīng)到來。

風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng)是風(fēng)機(jī)的重要組成部分，它承擔(dān)著風(fēng)機(jī)監(jiān)控、自動(dòng)調(diào)節(jié)、實(shí)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(shí)現(xiàn)對全風(fēng)場風(fēng)機(jī)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(jī)控制系統(tǒng)的主體，它實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟動(dòng)、自動(dòng)調(diào)向、自動(dòng)調(diào)速、自動(dòng)并網(wǎng)、自動(dòng)解列、故障自動(dòng)停機(jī)、自動(dòng)電纜解繞及自動(dòng)記錄與監(jiān)控等重要控制、保護(hù)功能。它對外的三個(gè)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(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)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(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲以及恒速運(yùn)行，與變頻系統(tǒng)（變頻器）接口實(shí)現(xiàn)對有功功率以及無功功率的自動(dòng)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(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲以及恒速運(yùn)行，提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行靈活性。目前來看，變槳控制系統(tǒng)的葉片驅(qū)動(dòng)有液壓和電氣兩種方式，電氣驅(qū)動(dòng)方式中又有采用交流電機(jī)和直流電機(jī)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(jī)、電網(wǎng)連接，直接承擔(dān)著保證供電品質(zhì)、提高功率因素，滿足電網(wǎng)兼容性標(biāo)準(zhǔn)等重要作用。

從我國目前的情況來看，風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的上述各個(gè)組成部分的自主配套規(guī)模還相當(dāng)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(jī)其它部件，包括葉片、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、軸承等核心部件已基本實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化配套（盡管質(zhì)量水平及運(yùn)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(jī)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(jī)技術(shù)先進(jìn)國家要落后二十年時(shí)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(jī)制造廠家為了快速搶占市場，都致力于擴(kuò)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(jìn)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(jìn)技術(shù)。

（2）就風(fēng)機(jī)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(jī)控制系統(tǒng)隨風(fēng)機(jī)一起安裝在接近自然的環(huán)境中，工作有較大振動(dòng)、大范圍的溫度變化、強(qiáng)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(jī)要實(shí)現(xiàn)完全的自動(dòng)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(shí)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(yùn)行，這需要在這幾大部件中有一套先進(jìn)、復(fù)雜的控制算法。國內(nèi)企業(yè)要完全自主掌握確實(shí)需要一定時(shí)間。

（3）風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)是與風(fēng)機(jī)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(xiàng)參數(shù)的設(shè)定與風(fēng)機(jī)本身聯(lián)系緊密，風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的任務(wù)不僅僅是實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)的高度自動(dòng)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(shí)現(xiàn)風(fēng)能捕獲的最大化和載荷的最小化，一般的自動(dòng)化企業(yè)即使能研制出樣機(jī)，也很難得到驗(yàn)證，推廣就更加困難。而中小規(guī)模的風(fēng)機(jī)制造商又無力進(jìn)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(jìn)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(yùn)業(yè)績以及技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)積累。比如，作為風(fēng)機(jī)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(jìn)展。東方自控經(jīng)過幾年的努力，已成功開發(fā)出DWS5000風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)，并已完成各種測試及風(fēng)機(jī)運(yùn)行驗(yàn)證，實(shí)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(jī)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(jī)型的變頻器，產(chǎn)品已有小批量在風(fēng)場投運(yùn)，呈獻(xiàn)出可喜的發(fā)展勢頭。

隨著國內(nèi)企業(yè)所開發(fā)風(fēng)機(jī)容量越來越大，風(fēng)機(jī)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(dòng)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(jìn)行詳細(xì)闡述。當(dāng)前，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(shí)用戶對不同風(fēng)場、不同型號風(fēng)機(jī)之間的聯(lián)網(wǎng)要求也越來越高，這也對風(fēng)機(jī)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(shí)現(xiàn)不同風(fēng)場、不同廠家和型號的風(fēng)機(jī)之間的方便互聯(lián)。目前，風(fēng)機(jī)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(gè)風(fēng)機(jī)制造廠家都提供了一定的手段實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)互連，但是由于采用的方案不同，不同廠家的風(fēng)機(jī)進(jìn)行互聯(lián)時(shí)還是會(huì)有很多問題存在，實(shí)施起來難度較大。因此，實(shí)現(xiàn)不同風(fēng)機(jī)之間的方便互聯(lián)是一個(gè)亟待解決的重要課題。

（2）需要進(jìn)一步提高低電壓穿越運(yùn)行能力（LVRT）。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，尤其是雙饋型風(fēng)機(jī)，抵抗電網(wǎng)電壓跌落的能力本身較差。當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，從前的做法是讓風(fēng)機(jī)從電網(wǎng)切出。當(dāng)風(fēng)機(jī)在電網(wǎng)中所占比例較小時(shí)，這種做法對電網(wǎng)的影響還可以忽略不計(jì)。但是，隨著在網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)機(jī)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(gè)千萬千瓦風(fēng)電基地，這種做法會(huì)對電網(wǎng)造成嚴(yán)重影響，甚至可能進(jìn)一步擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)，要求在這種情況下風(fēng)機(jī)能保持在網(wǎng)運(yùn)行以支撐電網(wǎng)。風(fēng)機(jī)具有的這種能力稱為低電壓穿越運(yùn)行能力（LVRT），有的國家甚至要求當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落至零時(shí)還能保持在網(wǎng)運(yùn)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(jī)組在并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落至20%額定電壓時(shí)能夠保持并網(wǎng)運(yùn)行625ms、當(dāng)?shù)�落發(fā)生3s內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90%時(shí)，風(fēng)電機(jī)組保持并網(wǎng)運(yùn)行的低電壓穿越運(yùn)行要求。應(yīng)該說，這還只是一個(gè)初步的、相對較低的運(yùn)行要求。在今后可能還會(huì)出臺更為嚴(yán)格的上網(wǎng)限制措施。這些要求的實(shí)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(dāng)然和主控和變槳系統(tǒng)也有密切聯(lián)系。

（3）實(shí)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(dòng)控制。目前，風(fēng)電機(jī)組都是運(yùn)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(jī)出力最大的時(shí)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(dòng)。當(dāng)前，電網(wǎng)對這一問題已相當(dāng)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(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)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(gè)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。

發(fā)展展望

從上面的敘述中可以看出，控制系統(tǒng)作為風(fēng)電機(jī)組中最關(guān)鍵的核心零部件，目前仍是國內(nèi)風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)中最薄弱的環(huán)節(jié)，也是國內(nèi)目前唯一沒有實(shí)現(xiàn)批量國產(chǎn)化的部件，其主要原因在第二部分中已經(jīng)分析過。但是，我們也看到，以東方自控為代表的國內(nèi)一些企業(yè)，已經(jīng)在包括變頻器在內(nèi)的控制系統(tǒng)的自主研發(fā)方面邁出了重要的步伐，取得了很多成果。因此，預(yù)計(jì)再經(jīng)過兩到三年時(shí)間，將可實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的全面國產(chǎn)化配套，并具備如海上風(fēng)機(jī)等更大型風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)的自主研發(fā)能力，這樣，風(fēng)機(jī)國產(chǎn)化的最后一個(gè)瓶頸也將被突破。同時(shí)，借此一角，也呼吁國內(nèi)的風(fēng)機(jī)用戶樹立對國產(chǎn)控制系統(tǒng)的使用信心，支持國產(chǎn)化事業(yè)的發(fā)展。同時(shí)，國內(nèi)企業(yè)在服務(wù)支持及備件供應(yīng)方面畢竟有較大的優(yōu)勢，從長遠(yuǎn)來看，一定會(huì)給風(fēng)電企業(yè)帶來良好的回報(bào)。