合肥为民电源张为民:小型风力发电机组用并网控制逆变器及行业标准

能加App 2021年10月19日 2876

2021年10月17日-20日,2021北京国际风能大会暨展览会(CWP 2021)在北京新国展隆重召开。作为全球风电行业年度最大的盛会之一,这场由百余名演讲嘉宾和数千名国内外参会代表共同参与的风能盛会,再次登陆北京。

本届大会以“碳中和——风电发展的新机遇”为主题,历时四天,包括开幕式、主旨发言、高峰对话、创新剧场以及关于“国际成熟风电市场发展动态及投资机会”“国际新兴风电市场发展动态及投资机会”“风电设备智能运维论坛”“碳达峰碳中和加速能源转型”等不同主题的15个分论坛。能见App全程直播本次大会。

在19日下午召开的中小型风能设备行业发展研讨会上,合肥为民电源有限公司总经理张为民发表了《小型风力发电机组用并网控制逆变器及行业标准》的主题发言。

以下为发言全文:

张为民:各位领导、各位专家、各位同仁大家下午好,今天有幸给大家汇报,内容是小型风力发展机组并网控制逆变转其标准。随着碳中和的推进,过去小风电主要在离网上面运行,极大的限制了他的应用和大力推广,光伏也是随着并网的发展,才有了大幅度上升的提高。随着并网的推进,发展的趋势也将是更好的发展阶段。

简单介绍一下我公司,成立于2005年,专注于小型风力发电控制器、逆变器。这个期间看到很多企业已经改行了,我们依然坚持,坚持对小型风电控制器、逆变器以及解决方案,也参与国家标准,发明专利是使用信息实现,这是我们再次参与的一些国家标准,起草小型工业化的逆变器、发电机,还起草了离网逆变转,并网控制逆变器正在起草,也希望跟大家一起合作。   

通过互补系统,小型风力发电机组的发电机,这些标准修建我们基本上都在参与,我们也希望同行们一起来推动标准的发展,让它更健全、更有助于我们行业的健康发展,避免我们行业进入了一个恶性竞争。我现在先介绍一下小型风电的应用场景,大家在做技术也知道,田埂地头、甚至住宅附近都适用小型风电,大风电虽然现在度电成本很好,但是由于大风电对电网条件,以及道路安装还有风资源各种场所的要求比较高。所以小风电有它自己的应用领域,所以大风机有大风机的架子,一定会有小风机自身的发展市场。

这个是我们控制逆变器的系统解决方案结构图,前面是机组,中间是控制逆变器,控制逆变器、控制往大风机叫这个机侧整流,机侧变流,网线变流等细分,这四个部分集中在一起,在大风机的过程中,大风机可能还有变价控制器,机仓控制器,总控制器还有电流器,小风电为了简化运行,便于安装维护以及这个系统的协调一致,就一体化运行。   

现在市场有很多种的电器方案,有的是把整流电路和深压电路还有前面控制放在一起,控制逆变是分离的,也有只有控制,变流另一部分组成都存在。也对这个行业的标准也就面临着比较大的困难,为了对这个进行统一,把它打包成控制逆变器一体化,把整流在控制放到一起,不管怎么分,做整机的时候,把它打包到一起去做检测做认证就可以了,这样避免很多家产品的不统一,因为现在市场产品还有各种自己做控制器,拿光伏逆变器来做的,各种形状都有,不排除大家各有各的想法和方案,但我们在做这个的时候,希望给大家做统一,也可以生产都行,但是制造的时候,把它放到一起去。  

下面讲一下风力发电机每个部分,风力发电在控制方面,无外乎四大部分,第一个叫切入控制,最大功率控制,再到额定风速点到7个风速之间的线速控制,以及国内气动控制,这个切入控制就比较简单。如果切入过早,可能风力发电机就被拖住了,发不了电,如果切入过迟,就可能在这个阶段下就会存在浪费。很多人会讲发电机的摩擦以及转移到量上去,跟踪方法一般主流有几种,大风机最佳尖速比方法,最佳尖速比是最通俗易懂,因为通过改变这个转速,根据风速改变转速,来达到最佳的最大功率跟踪,这是最根本的,最直接的方法也是最准确的方法,但是这种方法在小风机上应用的不太现实。   

增加风机成本,湍流比较严重,受到地面剪切的影响,风速很难测的准确,所以导致最佳尖速比很难去运行,而且中间还会涉及到很多检测环节控制,对信号要求特别多。所以小风机目前很少采用,小风机向后面延伸,简化一点就叫功率信号反馈法,功率信号反馈法它就是根据它转述以及他功率的对应关系,来进行功率跟踪,因为最佳尖速比方法对应的叫转速跟它的风速,这个里面的转速性和专业取下来,风速对应的是功率,所以说我们简化运行上面就采用了转速,对功率的这种跟踪方法就省去了风速仪还有各种其他的检测机构,相对比较简化。最优转矩控制法,采取了转速依然保留着,但是不采用功率了,因为小型风力发电机转矩根据转速二次方成定义的关系,所以根据这个转矩控制法,也能简化控制这种功率跟踪。还有爬山法,爬山法在光伏中间应用的比较多,但是在小型风力发电中间,这个还比较难,因为它不稳定,机组惯性导致刚爬上去,立刻状态改变了。后面就是其他方法,现在实际产品中间可能都是采用更简化的方法,比如说功率转速对应转矩的方法,但是我们现在很少转矩。同时检测转这个位置、信号,然后才能严格称之为转矩,小风机怎么办呢?

电流代替转矩,有一定的这种相关性,但是也引用了很多的误差,这个电流,因为发电机有功率因素,还有电流的非阵型化,就导致这个电流不能严格定义转矩,还有很多机组的差异性,机组差异性同时随着发电机时间使用,参数还会发生改变,就导致转速对应电流的方法不太正确,现在还有采用电压对应电流的,这就更简单了,但是电压跟转速是不是一对一呢?大家都有关系,所以现在延伸出来的关系都有链条,但是每个链条中间都有很多的误差,这些误差环节都被我们忽略掉,认为它不存在,但现实中它都是存在的,它还有各种惯性,各种时间常数。    

比如现在采用直流母线电压和风机的电压,就更避免很多的状态,电压不但与前面的转速有关,而且与后面逆变器功率都有关,导致了跟踪不在最佳状态,因为小风机呈现的方式很难达到最佳状态,所以有时候也不得已采用了折中控制方法。这就是我们目前最大功率跟踪的一些措施和方法。第二个最大功率叫限速控制,限速控制解决的是额定风速以上的阶段,过去小型风力发电是解决离网发电的问题,只解决有没有电的问题,制订额定风速以下发电就可以了,额定风速以上一般采用折尾的方式进行算术。但大型风电现在并网发电的,最后要求是供电成本,要求考虑风力的发电量,没有发电量度电成本不可能降下来,当然度电成本还有整机成本可靠性都有关系,但是你没有发电量度电成本肯定下不来。    

限速控制分几种,一是风力机独立完成,二是控制器独立完成,还有一种控制器控制风力机完成的,这个风力机独立完成就是两边。第二个就是叶片失速,叶片失速就是通过叶片的设计在这种情况下失速,对叶片的振动机械的控制就很难把握。机械变桨,通过它的转速离心锤的作用,来实现机械变桨,是独立完成。还有一种控制器完成的,就是电磁失速,通过这种功率来控制它的转矩,转矩大了以后,拖动发动机往下转速下降,转速下降以后它就偏离了他最佳的物流角,导致叶片失速。电动变桨就大风机差不多的一种结构,有大风机控制器发的指令,对风力发电机进行变桨控制保证额定控制的运行,还有偏航,因为风速的变化太快,因为我们的偏航速度是很慢的,1分钟只有几转的样子,很容易引起叫偏航误差,这个偏航误差一旦发生,上面的这个速度,载荷不但没有降下来,还会升上去,所以它有可能会导致更恶劣的工况发生,所以这种方案实际中不太好用。

最后讲刹车,有气动刹车、机械刹车、电磁刹车,机动刹车就是我们变角距,或者是消费电网模式,机械刹车就通过刹车盘来进行刹车,主要是有油压、电动的、电磁刹就是通过电磁力矩来把它制动,但这个就是以发电机有一定的载荷,抗载荷能力,同时需要设计为前提的。

我们讲讲电流,电流主要完成两部分,一个是整流,一个是升压。整流就是交流整个,升压就是把低压的环境升上可并网的低压,前面的整流一般要配上升压电路,才能进行整流升压,但对于全控整流自身具有升压功能,所以不需要在额外增加升压,全控整流它的好处就是电极电流噪音比较小,对噪音的控制以及基础的振动还有效率都有一定的提升。但是它控制起来比较复杂,所以在小风电方面一般也很少使用。

并网逆变,一种是两电平逆变,过去叫两电平全桥逆变,加变压器,为什么要加变压器?就是为了完成施压功能,还有一个就是逆变过程中,有共模电流,所以需要加变压器来进行隔离,但是三电平逆变三个台阶,它的斜坡电流很小,导致共模电流比较小,现在大型光伏都是被采用3D或者单向采用结构就是这个原理,这是我们并网控制逆变器一体机前面也有单项也有三项,这是10千瓦后面是30千瓦的技术,还有我已经画出来了,还有各种带储能的。

我们的产品优势就是一体化,运行维护比较简单,功能模块兼容性比较好,其他的手动制动、和电子制动,因为并网阶段效率比较重要,如果在这上面浪费5%的能量,给你整个机组造价会提升很多,所以为什么过去有时候大家基础很难做起来,比方你买控制逆变器,准备这个价格,不关注性能指标,那给你性能指标比较差,导致整个系统效率相对比较低。

行业标准,大风电有很多标准,但是小风电并网逆变器的标准一直缺乏,大风电很多东西没法套用,但是如果没有标准又严重影响行业的正常发展,并网我希望通过标准来规范。你比如要求整流控制,还有逆变电能质量,逆变功率控制,逆变运行适应性,启停,电磁兼容性,安全与保护。

风机控制整流,四大阶段加一个整流的切入控制,还有运行适应性,在电压运行范围能够正常的发电。还有一个软启动,现在介入的技术比较少,电网用它的要求可能没有,以后可能需要软启动,对电网的冲击不能一下达到额定功率,一下又没有了,这样如果你大批量的技术并上去之后电网冲击很大。以前我们说控制要平衡软启动,还有恢复并网系统开发电网以及前面风机的条件进行恢复并网自动开关机,还有其他性能效率稳定性运行时间,噪音耐振动,指示远程监控,外观与结构,防护等级,其他产品都很容易看到的东西。还有电磁兼容性,电磁兼容性过去我们接触讲少,但随着后期大面积推电网给我们电池兼容性一定会提出更大的要求。

就汇报到这里,希望大家一起把这个标准做好,谢谢大家。

 

(根据演讲速记整理,未经演讲人审核)