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众城卓越小讲堂:风电变桨系统为什么这么“香”? 

时间:2022-03-24 15:44:12来源:众城卓越

导语:​随着2020年“30·60”碳达峰&碳中和目标的提出,风光新能源产业再度迎来发展的春天。中国风电从2006年起历经十余载,自2008年以来一直保持世界第一,占全球累计风电装机量的32.24%。经历市场的风云变幻浮浮沉沉后,风电企业在市场角逐中也历经了大浪淘沙的洗礼,格局也愈发集中。在技术进步和规模效应推动下,风电已经成为全球最具竞争力的三大能源之一。

  但风光之中痛点无法忽视,那就是国产风电设备一直受困于零部件,无法全面实现国产化,导致成本无法更进一步降低,特别是风机变桨控制系统,长期为国外品牌把持。到底什么是变桨系统?为什么会形成这种态势?国内企业是否在计划突破?众城卓越小讲堂就来讲一讲。

新能源产业

  问题1、什么是风电变桨系统?

  变桨系统是大型风电机组控制和保护的重要执行装置,对机组安全、稳定、高效运行具有十分重要的作用。电动变桨以电动机为工作动力,通过伺服驱动器控制电动机带动减速机的输出半轴齿轮旋转,输出半轴齿轮与桨叶根部回转支承内侧的齿轮啮合,带动桨叶进行变桨。

  电动变桨距系统由变桨控制器、伺服驱动器和备用电源系统组成,其能够实现 3个桨叶独立变桨距,给风力发电机组提供功率输出和足够的刹车制动能力,从而避免过载对风机的破坏。其中驱动器是变桨系统最为核心的部件,其平台化的产品功能不但可以覆盖陆上和海上所有风机平台的需求,也可以帮助这些平台降低成本,以及进一步提高变桨系统的可靠性和整机控制需求的适应性。变桨距控制系统与变速恒频技术相配合,最终提高了整个风力发电系统的发电效率和电能质量,稳定的变桨控制已成为当前大型风电机组控制和保护技术领域研究的热点和难点之一。

  问题2、风电变桨系统的发展史?

  早在20世纪90年代,国外就已经开始对风力发电变桨距控制技术进行研究,主要针对其运行特性和控制策略,生产出一批可靠的风电机组,如今研究重点是如何把一些智能算法应用到风电系统上,使控制效果得到加强。2009年,在全球所安装的风电机组中有95%的风电机组已经采用了变桨变速方式,我国自2009年始,所安装的MW级风电机组中,也全部是变桨距机组。

  国外研究人员研究变桨距智能控制器获得很多研究成果。另外,国外一些国家开发一种能够评估测量风力资源以及计算机模拟的系统,能够验证变桨距失速控制的设计理论,它采用了新型风机桨叶材料来研发变速恒频控制系统的风力发电机和低速永磁发电机,使风电的效率得到了很大程度的提高,可靠性也得到加强。

  问题3、为什么说风电变桨系统这么重要?

  风电变桨控制系统的价格仅占整个风机总价的3%左右,但这个小小的变桨控制系统却是风机叶片启停的总开关,直接影响着风机的捕风能力和安全生产,关乎着风机的生命线和效益线。老式的风电变桨控制系统一般要2年更换一次,维护成本大,使用寿命短。风力发电属于非常复杂的重工业行业,产业链很长。从塔筒、叶片、发电机、齿轮箱、轴承,到大型PLC、变桨伺服驱动、大功率变流器、SVG,再加上变压器、变流器等,整个产品线涵盖了重工业的多个角度和层次,从价值角度而言,工控产品占比并不高,仅为10%左右,但是伺服驱动器决定了风力发电机的可靠性和稳定性。可以说控制和驱动产品是风力发电机的大脑和心脏,是非常核心的部分。

  风电进入全面平价时代,无论是陆上风电还是海上风电,降低度电成本成为风电企业可持续发展的必由之路。风电机组单机容量的大型化,是目前降低海上风电成本最有效的途径之一,关键电控系统器件等核心技术上的创新和突破,将成为下一个风电时代抢占的制高点。

  问题4、为什么风电变桨系统一直被国外品牌所掌控?

  (1)我国在这一技术领域的起步较晚,尤其是对兆瓦级以上大功率机组变速恒频控制技术的研究,更是最近几年的事情,这比风机技术先进国家要落后二十年时间。前已述及,我国风电制造产业是从2005年开始的最近四年才得到快速发展的,国内主要风机制造厂家为了快速抢占市场,都致力于扩大生产规模,无力对控制系统这样的技术含量较高的产品进行自主开发,因此多直接从MITA、Windtec等国外公司采购产品或引进技术,这就导致装机量高,但缺乏自有核心技术。

  (2)就风机控制系统本身的要求来看,确有它的特殊性和复杂性。从硬件来讲,风机控制系统随风机一起安装在接近自然的环境中,工作有较大振动、大范围的温度变化、强电磁干扰这样的复杂条件下,因此其硬件要求比一般系统要高得多。从软件来讲,风机要实现完全的自动控制,必须有一套与之相适应的完善的控制软件。主控系统、变桨系统和变频器需要协同工作才能实现在较低风速下的最大风能捕获、在中等风速下的定转速以及在较大风速下的恒频、恒功运行,这需要在这几大部件中有一套先进、复杂的控制算法。国内企业要完全自主掌握确实需要一定时间。

  (3)风机控制系统是与风机特性高度结合的系统,包括主控、变桨和变频器在内的控制软件不仅算法复杂,而且其各项参数的设定与风机本身联系紧密,风机控制系统的任务不仅仅是实现对风机的高度自动化监控以及向电网供电,而且还必须通过合适的控制实现风能捕获的最大化和载荷的最小化,一般的自动化企业即使能研制出样机,也很难得到验证,推广就更加困难。而中小规模的风机制造商又无力进行这样的开发。

  问题5、中国的风电变桨系统发展现状如何?

  从我国目前的情况来看,风电主控系统和变桨系统的各个组成部分的自主配套还不尽如人意,包括关键硬件、控制软件等,对国外品牌的依赖仍然较大,仍是我国风电设备制造业中最薄弱的环节。国内企业大多采取消化、引进、吸收、再创新的技术路线,国产化率较低,国产化效果不是很理想,运行状况也不尽如人意,且售后服务备受诟病。

  作为大型风电机组控制系统的核心部分之一,变桨系统的采用对风电机组进行安全、稳定、高效的运行工作有着积极作用。就目前来看,稳定的风电变桨系统已经成为我国大型风力发电机组控制技术研究的重要项目之一。从企业角度来看,由于风电变桨系统行业的资金和技术进入门槛相对较高,所以目前国内从事风电变桨系统生产和制造的企业数量并不多,而且市场集中度相对较高,市场资源主要聚集在大型龙头企业手中,风电主控系统和变桨系统作为风力发电机组的关键零部件,保障了风力发电机组的安全、可靠运行,提高了风能利用效率。因此,该领域的技术研发与创新备受业内关注。

  “十一五”时期,我国风电装备制造产业实现了单机容量向兆瓦级的跨越发展,研发设计和制造水平与世界先进水平的差距迅速缩小,风电设备关键零部件的技术能力迅速提高,国内企业通过这几年的努力,已经在控制系统主要部件的开发上取得了积极进展,已基本形成了自主的技术开发能力,所欠缺的主要是产品的大规模投运业绩以及技术和经验积累。

  问题6、众城卓越为什么在中国风电产业坚持?

  任何一个产业在发展之初,经历了最快途径地拿来主义后,都有一批充满理想与创新精神的企业家参与其中,而在中国风电产业发展的短短不到40年的时间里,就有不少人选择了走一条艰难的路,那就是自主创新,从2014年开始,伴随着中国第二轮风电产业高速发展的节奏,众城卓越也开始了在变桨控制系统的研发产出,每年都会推出新的伺服产品,并在变桨环节投入研发环节,短短几年间获得几十项风电领域的实用专利和外观专利,并不露声色地定下做国产“平价精品、低调奢华”的目标。

  众城卓越对自己有一个小小期许,自信而有力,那就是:托举中国风电世界新能源旗帜,让生活更美好。

标签: 伺服驱动器

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