大型风电机组独立变桨技术研究与应用

发布时间:2015-05-29

　　所属战略性新兴产业领域： 新能源

　　所属高新技术领域： 新能源与节能

　　属其他学科、专业领域： 电气工程

　　单位名称： 新疆大学

　　成果简介：

　　1.1科技成果简介

　　“大型风电机组独立变桨技术研究与应用”是中华人民共和国科学技术部十一五“863”计划探索类项目，项目编号：2009AA05Z445，执行期为2009年6月1日至2011年5月31日，完成了项目的全部研发内容，于2011年10月25日通过了科技部组织的国家级验收。新疆维吾尔自治区科技厅成果登记号：20130088，批准登记日期：2013年7月9日。

　　成果创新性：

　　1.2创新性

　　(1)利用先进的传感技术获取桨叶的转速和桨距角等控制参数，通过位置控制检测元件, 采用整周期等空间间隔采样法判断和检测桨叶桨距角的准确度，及时发现传感器的计算误差和故障，为风力发电机组提供双重保护，避免发生断桨或飞车等事故，降低了风力发电机组的维护成本。取消了冗余编码器及安装小齿轮，降低了产品的成本。该技术已应用于1.5MW-2.5MW直驱式永磁同步风力发电机组中。

　　发明专利一项，EI收录的期刊论文一篇。

　　1)发明专利：一种风力发电机，ZL 2010 1 0605123.X， 2012.06.20

　　2)崔双喜，王维庆，张新燕. 大型风力发电机组无模型独立变桨载荷控制[J]. 电力系统保护与控制，2013，41(5)：54-59

　　(2)设计分段控制的独立变桨控制方案，减小塔影效应和风的垂直切变的影响，稳定风力发电机组的输出功率，减小不同风速段风力发电机组的闪变值。既保证了扫风平面内桨叶受力的均匀性，又能使执行机构不处于频繁动作的状态。基于此项技术，完成了1.5MW风电机组配套的独立变桨装置，已推出商业化运行的机组，并成功把该项技术应用于2.5MW机组的变桨系统中。

　　实用新型专利一项，EI论文两篇，专著两部。应用证明两份。

　　1)实用新型专利：王维庆，王海云. 风电机组独立变桨控制装置，ZL 2012 2 0246266.0 2012.12.10

　　2)Wang Haiyun, Wang Weiqing, Liang Bin. Application of Individual Pitch Controller for Flicker Reduction on Variable Speed Wind Turbines[C]. Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference，Chengdu, China March 28-31, 2010 EI收录

　　3)Wang Haiyun, Wang Weiqing, Liang Bin, Zhang Di. Individual Pitch Controller for Power Quality Improvement on Megawatt Direct-drive Wind Turbines[C],Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference, Shanghai, China March 20-23, 2012 EI收录

　　4)王海云，王维庆，朱新湘，梁斌. 风力发电基础，2010年8月，重庆大学出版社。

　　5)张新燕，王维庆，何山. 风电并网运行与维护，2011年7月，机械工业出版社

　　(3)建立风轮及风力发电机组模型、变桨控制系统位置跟踪的数学模型，基于独立变桨对风电机组电压稳定性的影响，根据前馈加反馈控制理论分析了现有控制方法存在的缺陷，提出新的补偿方式，在1.5MW-3MW物理硬件平台上得到了验证，最终应用于1.5MW-2.5MW直驱式永磁同步风力发电机组的变桨控制系统中。

　　学术论文四篇，1.5MW-3MW独立变桨控制器仿真实验台一套。

　　1)1.5MW-3MW独立变桨控制器仿真实验台参数：

　　负载电机功率18.5kW，额定转矩123Nm(最大转矩为343Nm)，转速范围1500rpm-3000rpm恒功率运行，8小时连续稳态运行，转矩波动率低于1%，扭矩传感器精度为0.25级。

　　2) 张迪，王维庆，王海云等. 适用于独立变桨控制方式的风机气动模型和风模型的研究[J]. 水力发电 2011.4，37(4)：90-94

　　3) 赵海岭，王维庆，姚秀萍，常喜强. 不同控制策略下含直驱风机风电场的系统电压稳定性研究[J]. 四川电力技术. 2012,35(5)：8-10,27

　　4) 赵海岭，王维庆，姚秀萍，常喜强. 改善基于双馈感应发电机并网风电场的低电压穿越能力研究[J]. 电网与清洁能源. 2012,28(6)：70-75

　　5) 赵海岭，王维庆，常喜强. 不同风电场模型对风电场电压的影响评估[J]. 可再生能源, 2011.2, 29(1): 111-114

　　(4)设计了分段控制的独立变桨控制策略，基于1.5MW-3MW变桨仿真实验平台，提出了优化桨距控制系统参数的具体方案，研制成功国内第一台1.5MW风电机组独立变桨控制装置。独立变桨实验装置于2011年4月安装在现场试运行，2011年底完成技术转化，2012年成功应用于金风科技股份有限公司所生产的1.5MW-2.5MW机组中。

　　科技部组织的国家级验收报告一份，应用证明两份，经济效益分析一份。

　　成果独占性：

　　1.3独占性

　　(1)针对1.5MW风力发电机组，采用独立变桨距的调节方法，实现了大容量风电机组功率调节技术的突破。

　　(2)考虑现场的工作特点，根据1.5MW风电机组的实际运行工况，设计独立变桨控制策略，研发独立变桨实验装置，通过仿真与现场实验相结合的方式，对1.5MW-2.5MW风力发电机组的整机性能以及载荷计算的方法进行研究，提出了优化桨距控制系统参数的具体方案。

　　(3)考虑叶尖损失修正、轮毂损失修正、叶栅理论对攻角的修正及失速状态下轴向速度诱导因子的修正，并且考虑风剪切、塔影效应、偏航、风轮的结构参数和风力机安装参数对模型的影响，建立风轮气动模型，使得理论模型更接近于实际工况中的风电机组。

　　(4)完整地描述变桨控制的动态特性，包括执行部件的速度极限、加速度极限，变速风力机的控制算法，控制回路延迟的估计。

　　(5)设计每个叶片的附加独立的零-均值变桨需求增益，减少作用于叶片、轮毂、主轴、偏航轴承、塔架以及支撑结构的最大运行负载及疲劳负载。

　　(6)通过先进的传感技术获取桨叶的转速和桨距角等控制参数，利用位置控制检测元件，采用整周期等空间间隔采样法辅助判断桨叶桨距角的准确度，为风电机组提供了双重保护，并降低了风电机组的维护成本。

　　(7)提出了分段设计的独立变桨控制策略，包括额定风速以上和额定风速以下的不同控制方案，在变速风电机组调节转速追求最佳叶尖速比、有效利用风能的同时，有效地维持了机组输出功率和电压的平稳性，同时降低了整机承受的疲劳载荷。

　　(8)利用计算机控制技术、大容量储能技术、驱动技术、传感及通讯技术，设计了1：1的物理仿真实验平台，根据前馈加反馈控制理论，实现了1.5MW-3MW的变桨仿真实验台，校正和仿真风电机组不同工况下的桨叶控制方式，为风电机组独立变桨控制策略的优化提供实验环境。

　　成果盈利性：

　　1.4盈利性

　　以新疆金风科技股份有限公司2012年销售应用本技术的1.5MW机组1400台计，实现销售收入835800万元，该装置使每台计创造净利润9万元，共计12600万元净利润。

　　成果持续性：

　　1.5持续性

　　大型变速恒频风电机组采用先进的独立变桨和变速恒频技术，可以使风电机组运行在最小承载负荷时获取最大能量转换效率，为减少桨叶在扫风平面上因风的空间变化导致的疲劳载荷提供了新的途径，提高了整机的使用寿命和发电效率。

　　课题组通过技术调研---方案设计---控制策略设计---仿真验证---控制系统设计---控制系统仿真优化---变桨实验台设计---独立变桨实验开发---独立变桨控制实验装置试制---现场试运行---技术跟踪—反馈信息---实验装置改进，根据经典变速变桨风力机的控制方式，取风速、转速和位置信号作为独立变桨控制环节的输入，设计了分段控制的独立变桨控制策略，研发了1.5MW-3MW独立变桨控制器的仿真实验台，和1.5MW独立变桨控制装置。于2011年10月25日通过了科技部组织的国家级验收。

　　研究过程在新疆金风科技股份有限公司的协助下顺利进行，试验装置于2011年4月安装在现场机组进行试验。于2011年底已成功完成技术转化，技术成熟后，2012年成功应用于金风科技股份有限公司所生产的1.5MW-2.5MW机组。目前这项技术已获得发明专利一项(金风科技)，实用新型专利(新疆大学)一项。2012年底该技术已成功应用于2.5MW直驱式风力发电机组中。

　　成果先进性：

　　1.6先进性

　　经新疆国际信息检索中心2013年5月9日出具的国际与国内文献的科技查新报告表明：

　　经国际范围的检索查证，除本项目成果外，国内外未见与本项目基于桨叶方位角信号控制方案和分段控制策略的，兆瓦级风力发电机组独立变桨控制系统关键技术及装置结构相同的研究成果公开报道。

　　成熟度： 小批量

　　市场分析：

　　2.1市场分析

　　本项目研究开发的独立变桨装置应用于金风兆瓦级直驱永磁风力发电机组。截止2012年年底公司已累计销售1.5MW直驱永磁风力发电机组3200台，其中：自2011年项目实施应用及技术转化以来，金风科技于2012年销售应用此专利的风电机组1400台，总装机容量为2100MW，实现销售收入835800万元。该批机组如果发电一年可相当于节约168万吨标准煤，减排二氧化碳418.74万吨，减排二氧化硫12.6万吨，减排二氧化氮6.3万吨，这对保护和改善生态环境有着显著的积极意义，取得了非常好的社会效益和经济效益。

　　风电是近年来发展最快的新兴可再生能源，截至2012年底中国(不包括台湾地区)累计安装风电机组53764台，装机容量75324.2MW。风电已经在一些国家的能源供应中发挥重要作用。随着风电技术的进步和大规模开发利用，风电设备制造能力快速提高，风电设备正朝着特性化和大型化方向发展，风电的开发也开始从陆地逐步扩展到海上。风电的技术进步规模化发展，推动了风电开发成本迅速下降，风电的经济性在很多地区已与常规能源发电基本相当。许多国家把大规模开发风电作为应对气候变化、改善能源结构的重要选择。预计今后5-10年，风电将继续保持大规模发展，在电力系统中的比重将稳步上升，风电的经济和社会效益将会更加显著。

　　商业模式分析：

　　2.2商业模式分析

　　新疆大学与新疆金风科技股份有限公司研发部合作进行技术开发，新疆金风科技股份有限公司负责技术转化和产业化。新疆大学与金风科技股份有限公司通过研制1.5MW-3MW风力发电机组桨距控制实验台及1.5MW-2.5MW独立变桨控制系统装置，在大型风力发电机组关键零部件、电控系统的控制机理及过程控制等关键部件的核心技术方面有所突破，在大型风力发电机组变桨距控制机理和控制策略优化的方面有较大突破和贡献，并形成了具有自主知识产权的设计和产品。金风科技作为中国风电行业历史最为悠久的风电设备研发及制造企业，拥有代表着当前风电行业最具成长前景的直驱永磁技术的完全自主知识产权。截至2012年金风累计装机12227台，装机容量15200.4MW，市场占有率20.2%。金风的兆瓦级直驱永磁风力发电机组，在应用此专利的基础上，具备稳定性强，产品成本低，维护次数少等特点，也使金风品牌产品在市场上迎来更大的跨越。未来10年，按每年金风科技生产、销售应用此专利的直驱永磁机组1500台计，每年将为企业带来近90亿元销售收入。

　　营销状况：

　　2.3营销状况

　　已在新疆金风科技股份有限公司实施产业化，营销模式遵循企业的运行模式。应用示例：新疆晋商凤祥能源投资有限公司建有达坂城风电一期4.95万千瓦风电场，投资约5亿元， 装机类型为1.5MW独立变桨直驱永磁同步发电机组，机组生产厂家为新疆金风科技股份有限公司，数量33台。自2011年底风电场建成运行以来，这批机组运行正常，需要的现场维护少，可靠性高，机组的发电效率及利用率高，网侧联接点处检测的电能质量优于其他变桨类型的风力发电机组。

　　拟采取的转化方式： 合作研发

　　应用推广的已投入情况： 700万元

　　资金需求额： 1000万元

　　融资用途： 产品研发;市场开拓

　　核心管理团队人员情况：

　　核心管理团队人员情况

　　治理结构：

　　5.1治理结构

　　管理结构：

　　5.2管理结构

　　评价机构： 新疆维吾尔自治区科技厅

　　评价方式： 鉴定

　　评价日期： 2013年7月9日

　　评价意见：

　　7.3评价意见

　　2013年7月通过自治区科技厅组织的区内外专家科技鉴定，经济和社会效益很大，属国内首创，达到国际先进水平。