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风力发电主控及变桨系统优化设计和应用 苗强/技术总监

上传日期:2016-11-18  播放次数:784
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   以下是大会演讲内容(现场笔录):
  非常感谢大家来聆听我的报告。首先介绍一下我是来自成都阜特科技的,我们长期就是从事风力发电机组控制系统,包括主控、变桨、传感器、集中监控,控制类的软件产品研发,我们从2008年一直到现在做这样的工作,到目前为止大概3000多套的控制系统在各个风场运行,在这个过程中不断地追求研发的进步和产品的进步。刚才也有同事提到了我们也在做独立变桨这方面的研究,当然独立变桨是一个新兴的课题,在这个过程当中我们也接入了,为什么我们一直没有这样的产品或者推出这样的东西,因为确实在国内的控制系统中间的应用当中,它存在一些其它的非技术的一些原因,包括固套的、传动的,包括一些结构上的问题。这个产品我们已经差不多有三四年时间,但是一直没用,所以说在整个研究过程中特别关注载荷方面的一些应用,这相当于也是独立变桨的一个新兴技术的基础,现在就这个技术以及和它一些衍生的情况跟大家做一个简单的汇报。
  今天我给大家交流的内容主要是基于载荷测量的风机控制优化,主要分为三个部分:一是载荷测量系统;二是载荷测量除冰应用;三是风电控制系统优化。
  首先第一部分就是载荷测量这一部分。我们会根据这些内容跟大家做一些简单的介绍。首先是载荷定义,我们的定义很简单,就是机械设计中施加于机械结构上的外力,另外引起机械非内力的一些力学因素我们也称之为载荷。就风机而言我们主要是外部载荷,主要是包括气动载荷、重力载荷、惯性载荷、操纵载荷、其他载荷。说到载荷,它主要还是分为两大类,一个是稳态的,一个是周期的,还有一些暂态的载荷。里面稳态的载荷就是我们做结构设计上面本身它是一种结构体,一些周期的载荷一般来说就是旋转机械的重力还有一些塔引的影响,还有风的剪切影响,损态的载荷主要就是控制类的,包括停机引起的载荷这些变化。随机载荷是我们这次研究比较重点的,实际上就是因为风速和风向的一些变化。
  载荷测量有什么意义?大概分为三大类:一是提供强度分析载荷依据。我们不能静态内的分析,应该在20年的寿命之内来分析风机的寿命以及损耗的一些情况。首先第一个意义就是需要去确保各个部件在20年之内能够达到设计指标。我们其实配合很多叶片厂也做了很多类似的实验,可能也就是解决这些主要的问题。二是我们测量这个载荷在实际应用过程当中主要是优化的一些功能,就是我们能够通过这样的优化提高基础的可靠性,同时也减低它的一些材料,或者是无谓的消耗。三是我们通过载荷记录它在不同工况下的一些响应。因为我们现在在做风机或者做控制系统设计很多都是依赖于仿真,包括风速、分布,或者灾害性天气,但实际的情况,从我们的产品质量、结构强度、施工质量工艺,可能和我们的设计都会有很大的出入,所以我们很多时候需要用到这些测量的技术。
  在风电控制这一类我们又分为四大主要的用途,一是我们要做独立变桨,独立变桨的目的大家可能也比较清楚,主要是在它的整个旋转周期,过程当中应对它载荷的一些变化,动态的分布桨角的优化控制技术。因为大家都知道,风是有切片的,不同层面的风都会有不同对叶片的作用力,因为风速和作用力也不同。同时湍流的影响,随着叶片越做越大,为了解决不平衡,通过结构上施加的力也造成了结构的一些疲劳,同时也降低了一些效率。所以说独立变桨在以后的超大型风机上面是绝对会用到,只是我们现阶段机械和电器影响的原因,可能我们暂时不会用到。另外就是健康监测,现在健康监测主要是对整动的分析来进行的,实际上这个东西也不全面,因为从更高频率的,或者更低频率的这种载荷的变化,或者更细微的载荷变化反映到整动上面变化也很大,所以我们还是希望通过直接载荷测量的办法。随之衍生的就是说我们还会有一个除冰测量,之前我们一些测冰的系统,用到国内或者国外的风力发电机组系统上面都是通过第三个不同高度上进行模拟推算,通过直接返还也得到了一些相应的认可,最终还可以通过载荷测量获得一些控制优化方面的信息和线索。
  对于载荷的测量分为两种,传统方案更多的是用电子应变片,一把应变片插到风机的各个部位进行测量。我们为什么要替代它,就是说它可能有以下几点的问题:一是风电作为静态实验,或者实验厂在实验来讲,可以排除掉一些电磁的干扰,但是实际风机上面除了发电系统,本身它的变桨系统各方面的驱动电机会产生很强的电磁干扰,不光是本身的以应变片为基础的感应系统,甚至是我们自己的传感器都会受到这样的影响,所以说会有很大的风险。二是精度的问题。我们风电测量技术来源于测量非常快,一个毫秒之内可以进行上千次的测量,通过几碗水熬成一碗水这种方式就可以获得一个很高的测量精度,同时也能获得更高的测量速度。三是本身测量系统寿命的问题。电子应变片从它的循环次数来说,对整个风机进行全周期,或者按照现有每年两千每小时的发电数来看五年之内就已经不可靠或者是失效了,从光纤测量技术本身它实际上它精确度超过20年的使用寿命。本身电系统和光系统就有本质上的弱点,包括我们现在做光纤,做叶尖甚至是叶片中部的测量的话,可以直接引入到系统当中来,因为它本身是不导电的,石英材料。从最后安装和质量方面,我们也可以很骄傲的说就是光纤确实有它独到的一些特点,包括它的维护。
  现在图上看到的就是我们现在的光纤载荷测量的一个基本的框架,以及它在风电上的一些实际的布局,如果这次北京展会大家去看到的话,实际上我们把我们系统的一个仿真的实验装置送到展会上去做了,展会期间也有很多专家对这个东西非常感兴趣,但是展会过了以后如果大家还有兴趣的话,也可以到我们公司跟我们进行面对面的交流。
  光纤载荷测量系统我们是针对独立变桨来做的,而且国内有很多采用类似的方案来做独立变桨的输入。刚才我提到独立变桨因为受到影响,要做产品化还有一定的时间,所以我们开发了一些副产品,其中一个比较重要的产品就是叶片除冰的测量。
  叶片测冰一般有一个测量仪,很多情况下都是放在机舱的位置,然后作为一个同等的气象条件下,测冰仪上的浮冰状况的测量来推算叶片上面浮冰的情况,这样就带来很多不直观或者不一致的情况,甚至有的冰已经脱落了,但是我们还在盲目对叶片进行加热。现在基本上利用载荷法,就是说通过叶根布置的载荷传感器,可以动态的感知叶片的质量变化,以及频率的变化,也能够起到测冰作用。这里面就存在一个对叶片结冰的假设,当然也有很多的专家在叶片结冰上面也进行的一些研究,我们也引用了一些叶片结冰的模型,同时也做了类似的实验,因为没有相应的对比,但是从目测相比它是能够达到和测冰仪同样的效果。
  从原理上来讲,叶片的浮冰主要是对叶片,特别是它的质量距或者说动量距会产生一些变化,冰载荷会导致两类变化,一是质量变化,就是说它沿着它的旋转沿周旋转一圈的时候,它的正力距点和负力距点有很大的差异,因为结冰的位置更靠近叶尖的位置,所以表现的非常明显,我们实际的测量就是在不同的气候条件下还真有这样的一个质量方面的变化。叶片有的时候在停机状态下,比如说遇到一些可能的灾害性天气,它没有质量距离的变化我们能不能够进行测冰,从另外一个角度我们也研究了这个问题,因为叶片结冰以后重心实际上产生了向叶尖的外移,如果我们把叶片简单的理解成一个单板,它的固有的共振频率会发生一个变化,但是叶片的频率很复杂,通过我们长时间的实验,通过质量法和频率法,我们基本可以保证它整个叶片质量变化超过1%的时候进行准确的测量,当然我们在实验室的实验模型更粗糙一点,可以做得更好,这个我们做了相对比较保守的估计。
  有了我们的测量系统,因为我们是一个传统的控制厂家,从做了感知以外还做了一个相应的整套的系统,我们在国外的风场也得到了一个实际的应用,也为我们整个这个方面的研究积累了很多的经验。从我们本身的电气原理,包括工艺上,包括像防雷,类似于其他的产品都有很大的促进作用,形成了现有的一套除冰系统的一个比较稳定的方案,也欢迎国内的主机厂和我们进行共同合作,开发一个符合国内各种不同的气候条件下的除冰系统。
  我还想简单说一下,因为从光纤测量这个角度还有一个很大的优势,就是说我的温度的测量点可以放在和我加热器件同步的位置,甚至可以预埋在叶片的内部。这样有一个什么好处?这样可以第一时间知道加热的反馈以及冰脱落的情况,同时还减少了诸多的防雷。
  这个就是我们具体做的叶片除冰的系统,当然这个是一套两柜系统,分为机舱和轮毂系统的两部分。这是我们做的具体情况,包括机舱柜,包括轮毂柜,这些我们都独立的通过了一些比较综合的测试,包括比较苛刻的旋转实验、雷击实验,包括我们的系统有实用性和可靠性。
  第三部分我想跟大家简单说一下我们风机的控制,因为我们毕竟是长期从事这方面的一个企业,风力发电的控制技术我们大概分为这几个关键的一些部件,一是主控系统,这个主要是风机的一个大脑。二是变桨距系统,相当于它的手足,偏航系统主要是偏航以及安全保护系统是一个相对辅助系统,是我们大脑的一个神经,同时我们还会有管理它的上位监控系统。从我们这个公司的业务范围来说,在国内差不多有一百多个风场,相对来说形成一套比较完善的控制类的生态。
  简单的控制策略来讲就是说我也可以简单的跟大家介绍一下我们现有的控制系统的一些简单的原理,主要还是分段的进行一些控制,它的目标当然是为了减小发电机转速的波动,功率平衡,同时降低关键部位的一些载荷,这样的一些目标。我们一般来说把控制部分分为三段,A到B段就是前端,我们有的时候也要对这一段进行优化,为了保证并网的速度以及并网处的一些稳定性能,我们还是做了一些胁迫的处理,包括空转的策略,甚至在低峰段的时候会做转速的工作,当然是为了适应各个地区不同的风场特点来做的。在B到C端主要是力距控制,包括发电机转速的波动性在最小,而且功率输出是最平稳的一个状态。在C到D端就是恒功率段,这都是传统控制系统的基本理念,最早我们采用的是查表法,后来引入了一些算法,当然加了很多的滤波处理,避免各个方面的一些谐振,包括它的一些快速通过共振点的处理。这些传统的控制策略最主要的问题一个就是说容易产生一些波动,因为是有两个并联来进行的,功率波动在这个发电量比较大的情况下也会存在,但是有的时候我们的载荷也没法进行测量,所以说我们一般来说是牺牲掉它的稳定性,来获得更大的控制余量,因为我们没有载荷测量,有些东西我们多少是有些盲目的,只能说争取一些余量以后来获得它的一些安全性方面的一些问题。
  有了载荷测量以后,我们可以实施更多的更精确的一些控制,比如说可以做独立变桨,核心理念就是在每个叶片上,在叶根部分设置传感器以后可以动态感知叶片受到的各个方向的力距,一方面我们可以有一个机会去测量,去优化它,另外就是我们可以作为一个重要的反馈,也就是说以它受力的情况来决定它的情况,这相当于是一个重要的控制补偿,我们也许更大的叶片设置上结构强度可以不用做那么高,只要有相应的措施能够减低它的一些灾害性的载荷就可以了。同时我们塔架上面也可以做类似的传感器,如果我们特别像海上风电,塔架的尺寸越来越大,不仅仅是它顶端的载荷就能够全员的反馈它的整个的受力状况的情况下,你就做这样一些测量以后,去减小它的一些可能的因素,因为海上风电如果采用浮体结构或者其它结构的话,还有海浪对它的冲击,以前没有载荷测量的情况,你做这些东西完全依赖于模型是非常盲目的。换句话说现在就算是我们模型做得很好,但是整个制造过程当中受到工艺还有基础条件的限制,可能我们控制策略拿到风机上一样不好使,这种情况我们遇到过。所以说这个模型现实的不一致性是广泛存在的,所以我们需要这些传感器来进行反馈。这是主要讲了一些独立变桨的原理,其实独立变桨大家如果直升机比较了解的话,这个其实也是源于这个,只是直升机更为简单一点。
  最后我想跟大家说一下我们关于这个方面的一些思索,和一些探究方面的问题。首先我们对单机优化做了很多,包括很多的业主,包括为了基于适应低穿、高穿、电子质量的改造,为了改善以前的算法策略去做的一些单机优化工作,其实我们在各个业主陪着他们做了很多这样的工作,但是随着这样的工作越做越多,我们特别在一些复杂地形上面,就会发现它会存在很大的一个差异性,对于一个比较平坦的地面,包括风向和它的变化也不是单一的事情,我们需要提供的数据对单机的优化提供一些相应的指针来进行。第二随着现在计算能力越来越强,大数据已经逐渐走入了我们的生活,包括我们的淘宝这些可能大家都无形当中受到大数据的影响,但是如何利用大数据的分析然后对风机控制参数的训练也是我们即将考虑的问题,因为它的层级做得比较多,从我们的角度除了这两方面以外,更多是想做一些现场可以解释,可以被我们的客户直接利用的分析方法,包括我们的运维数据这样的和现有的运行数据集中监控数据,还有装载监控数据有机的结合,形成一套更加贴近现实的风机优化和运行的策略,这是我们正在研究的一个课题。
  今天我就给大家汇报这些,非常感谢!
 
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