江苏电科院攻关风机控制关键技术 提升海上风电友好并网能力

5月6日，国网江苏省电力有限公司电力科学研究院将海上风机变速-变桨协调控制技术方案应用在江苏省海上风电工程研究中心1.6万千瓦风机试验台上，进行全过程模拟测试，经验证各项控制性能达到预期指标。这意味着该项控制技术在实现0.8万千瓦级海上风机工程应用的基础上，向针对超大容量海上风机的应用迈出坚实一步。

随着江苏省海上风电并网容量逐年增加，传统的海上风电最大功率追踪控制方式已不能适应电网安全运行需求。江苏电科院创新提出海上风机变速-变桨协调控制技术方案，大幅降低了风机的机械动作强度，提升了风机控制性能。目前，该技术已应用于风机生产制造，满足了电网对海上风电的一次调频性能要求，助力海上风电更友好并网。

针对海上风机特点展开控制技术攻关

江苏沿海风能资源丰富，目前海上风电装机容量已近1200万千瓦。海上风电沿海岸线呈片状分布，临近负荷中心，与电网紧密耦合。随着装机规模的快速增加，“靠天吃饭”的海上风电对电网的影响也越来越大。

2019年8月，超强台风“利奇马”登陆江苏，台风离境时风电出力下降速度达每分钟15万千瓦，沿海风电出力的剧烈波动给盐城、南通等沿海地区电网调频、调峰带来严峻考验。

“过去，电力系统中的发电机主要是火电机组，频率控制能力很强。而海上风力发电受风能资源限制，发电出力随机性强、波动性大，不像火电机组能在用电负荷大幅增加的情况下快速调节自身发电出力。”江苏电科院海上风电攻关团队核心成员李群介绍，近年来，江苏海上风电等新能源装机容量占比快速增加，仅靠火电机组调频无法满足系统调频需求。海上风电机组也需要实现发电出力可控制，具备类似火电机组的调频能力。

“常态化控制海上风电发电出力会触发风机叶片、轴承等部件频繁动作，对风机的机械强度要求很高，容易导致风机疲劳损伤。”李群说，其实从2008年起，攻关团队已开始对陆上风机出力控制进行研究，并且积累了一定的技术和经验。但当团队尝试把陆上风机的控制方法用于海上风机时，发现两者有巨大差异。“和陆上风机相比，海上风电机组容量大、扫风面积大，面临的风况更加复杂，会导致风机载荷增大、应力更不均衡，造成的风机疲劳损伤也更严重。”

常规风电场有功控制无法满足海上风机高可靠运行要求，难以保证海上风电场持续、准确地响应电网调频需求。2015年起，李群带领团队开始对海上风电机组控制技术展开攻关。

创新思路提出变速-变桨协调控制技术方案

为了解实际需求，攻关团队多次调研盐城、南通的海上风电场，并与风机制造企业技术人员深入交流，了解海上高湿、高盐碱的环境对海上风机机械部分的影响以及海上风机在运行中易出现的问题，掌握风机叶片载荷波动与轮毂载荷的量化关系。

面对快速变化的海上风速，海上风机需要频繁地调节桨距角，改变叶片的迎风角度，以调整发电出力、准确响应电网的调频需求。这就给叶片、叶片轴承和变桨执行机构带来了疲劳损伤问题。攻关团队试图通过加固轮毂、变桨执行机构等硬件，使风机能够承受频繁的控制动作。在不断论证的过程中，攻关团队认识到，对于离岸较远的海上风电场，硬件升级改造的成本高、实施难度大。

既然硬件的改造难以实施，那么能不能从软件入手，通过改变海上风机的调频控制代码来减少变桨执行机构的频繁动作?沿着这一思路，攻关团队着手设计风机调频策略。一开始，团队成员受限于风机传统控制方法框架，也就是变速、变桨独立调节，设计出来的调频策略改善效果并不明显。经过反复的优化和迭代过程，团队改变了“变速不变桨、变桨不变速”的传统风机控制设计思路，提出变速-变桨协调控制技术方案，攻克了常态化调频控制造成的风机疲劳损伤难题。

2020年3月19日，攻关团队开展海上风电调频控制方法可行性验证。“请检查风机出口三相电压、频率是不是已在预设范围内。”“再检查下负荷扰动模拟指令有没有问题。”……确认各项工作准备就绪后，李群按下了实验风机启动按钮。

“负荷突增10%以后，风机变桨机构每分钟累计调节桨距角8.8度!”李群高声说。而在同样的负荷增加10%的情况下，仅靠变桨控制方法达到同样的调整出力效果，变桨机构每分钟累计调节桨距角16.1度——攻关团队提出的变速-变桨协调控制技术方案大幅降低风机的机械动作强度，提升了风机控制性能。经比对测算，该技术可将风机机械部分的动作幅度平均降低45%。

产学研合作推动成果转化

江苏电科院依托该院与金风科技、南京理工大学等联合成立的江苏省海上风电工程研究中心，以产学研合作方式推动变速-变桨协调控制技术应用于海上风机。经过样机研制、全工况模拟测试、型式试验检测等一系列开发流程，2020年年底，应用变速-变桨协调控制技术的海上风机实现定型与量产。

2021年12月5日，我国目前离岸最远的海上风电项目——江苏大丰H8-2海上风电项目首批机组并网发电。“该项目容量最大的19台风机就采用了变速-变桨控制技术。目前所有风机运行良好，说明该项控制技术能够适应中远海复杂运行环境。”李群介绍，“目前我们工程研究中心正联合研制应用变速-变桨协调控制技术的容量更大的海上风机，这一技术的效果将更加凸显。”

在2020年12月29日召开的千万千瓦级海上风电友好并网关键技术及装备成果鉴定会上，由中国电机工程学会组织、以中国工程院院士为组长的鉴定组表示，江苏电科院提出的变速-变桨协调控制技术方案，满足了电网对海上风电一次调频性能的要求，技术达到国际领先水平。

目前，应用了变速-变桨协调控制技术的海上风机已在我国东南沿海多个风电场获得应用，累计装机容量已超400万千瓦。（章岑 汪成根 胡昊明）