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河北新技术:零电压穿越突破风电并网瓶颈

2015/2/9 11:09:35
文章来源:网络

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  国电联合动力技术(保定)有限公司整机车间主机装配区。

  风力发电,因风而或有不稳;但风电并网,却要求在不稳定中寻求稳定。

  当电网出现故障,即便是电网电压跌落至零,风电机组也不能脱网“罢工”,需要坚持200毫秒不间断并网———凭借这一完全自主知识产权的“零电压穿越”技术,日前,国电联合动力技术(保定)有限公司研发的6MW海上风电机组正式下线。这是目前国内单机功率最大的风力发电机组,代表了我国大型风力发电机组制造技术的最高水平。

  “低电压穿越和零电压穿越是风电设备的核心技术,是决定风电机组能否安全并网的关键指标。”国电联合动力技术(保定)有限公司副总经理王洪斌表示,不突破这一关键技术,就无法跨过风电并网的门槛。依托风电设备及控制国家重点实验室,2011年4月,国电联合动力率先通过德国GL劳氏船级社的零电压穿越测试,填补了我国在此领域的技术空白,“零电压穿越是低电压穿越的极限状态,而目前国内通过零电压测试的企业还不足三家”。

  瓶颈

  80%的风力发电机组无法实现低电压穿越,难以满足风电并网的技术要求

  “低电压穿越技术已经成为风电并网绕不开的话题。”令王洪斌极为关切的,是今年6月1日起开始执行的《风电场接入电力系统技术规定》(简称“新国标”)。“事实上,我国已将风力发电领域的门槛抬高。早在2009年国家电网‘企业标准’和2010年国家能源局颁布的《风电标准体系框架》中,低电压穿越都被当做一个重要的技术标准提出来。”

  风力发电是技术较成熟、最具商业潜力的新能源之一。目前我国已进入大规模开发利用阶段,到2010年底超过美国成为世界第一大风电装机大国。“自从2009年年底,国家电网推出并网标准之后,目前各家风场在购买新风机时基本都将‘具备低电压穿越能力’写入招标书。”王洪斌介绍,但我国的风电机组技术水平较差,占国内风电机组约80%的风力发电机组,存在着无法实现低电压穿越、难以满足电网并网技术要求的难题。

  什么是低电压穿越?业内人士如此比喻:这就好比在电网这条高速公路上,行驶中的风电遇到公路流量大幅波动或路障时,不是选择迅速靠边停车,引起交通混乱,而是开辟一个窄的通道,以保障公路有效通行。“风电不像火电能24小时、365天持续稳定在一个功率发电,风大的时候发电量就大,风小的时候基本不发电,发电功率完全取决于风力。”国电联合动力技术(保定)有限公司技术部副经理井延伟表示,正是由于风电这种不可控性和反调峰性,给电网调峰、调频和调压,保障电网安全带来了很大挑战。目前国内风电整机制造企业多达70余家,但是关键核心技术仍掌握在少数外国公司手中,国内自主研发相对滞后。

  突破

  并网电压跌落到零时,风机设备能坚持200毫秒不脱网

  “这就是电器控制柜,它是风电机组的控制系统,相当于人的‘大脑’。”6月26日,在国电联合动力技术(保定)有限公司整机生产车间,工作人员指着一个将近两米高的柜子说:“控制系统具备零电压穿越能力,可以使机组具有良好的电网适应性。在并网电压跌落到零时,风机设备能坚持200毫秒不脱网。”

  200毫秒能干什么?甚至来不及眨一下眼,时间短到几乎可以忽略不计。然而,“这可是‘救命’的200毫秒,是世界上对风电机组最严苛的要求。”王洪斌说,“夺”来的200毫秒能给电网赢得足够的时间进行电力平衡,避免大面积停电事故的发生,可以极大提高电网的安全稳定性。

  从2009年在行业内首先提出“电网友好型风力发电机组”概念并进入自主研发阶段,在基本没有任何技术参照的情况下,两年多时间里,重点实验室通过成百上千次实验进行摸索,先后完成包括控制系统响应时间、控制策略、整体可靠性等多项风电接纳能力及运行规律研究报告。“技术核心是在并网点电压跌落时,风机能够保持甚至向电网提供一定的无功功率,支持电网恢复。”井延伟解释,风力发电机的主控系统、变频器和变桨系统均连接设有UPS电源和相关装置。零电压穿越状态启动后,由UPS电源供电,由变流器的发电机转子控制单元向电网发送无功补偿;在电网电压返回到正常工作电压之后,零电压穿越模式会关闭,风力发电机的有功功率增加到设定值。

  “仅仅五分之一秒,却含义深远。”王洪斌表示,零电压技术的突破,是我国风机设备低电压穿越技术的里程碑式进步。

  机遇

  国产风机具备国际标准,拿到进入欧美国家准入证

  “截至5月底,6台出口到美国的1.5MW近海风机已经成功发电600多万度,未发生一起脱网事故。”近日,来自美国方面的这一反馈令井延伟感到欣慰。自去年6月8日从保定起运,作为我国首批出口到美国的近海风机,井延伟一直密切关注这一检验他们零电压穿越技术成果的真正实践。“目前美国业主对此高度评价,预计有望迎来后续订单。”

  零电压穿越技术的突破,不仅为国内风机并网提供技术支撑,还为国产风机设备出口打开一扇大门。

  从国外风机技术发展趋势来看,一般来说,综合风机制造、运输、吊装和基础等因素单机容量越大,风机单位千瓦的造价就越低。基于经济效益的优势,风机单机容量将朝更大功率方向发展。近年来,欧洲提出了2020年海上风电规模达到4000万千瓦的宏伟目标。目前,德国Repower的5兆瓦和6兆瓦,Enercon的4.5兆瓦和6兆瓦风机已经开始批量生产,并投入运行。“新技术的应用,使风机国际竞争力更强,意味着国产风机具备了同步国际的标准,相当于我们拿到了一张进入欧美国家的准入证,为日后国产风机设备出口美洲、欧洲等国家打下了坚实的基础。”井延伟表示。

  “目前正在连云港进行中试的6MW海上风电机组,具备零电压穿越能力,在额定功率时每小时能发电6000度,如果中试成功,可以满足6000户普通家庭一年的用电量,从而在大功率机组研制方面达到国际领先水平。”

  新技术带来的新机遇远不止这些。“我们已经成功实现多型号电控系统、叶片等关键零部件的自主设计和生产。”井延伟说,电控系统是风电机组的核心单元之一,包括控制系统、变流器及变桨系统等配套产品,是左右风力发电机组性能的关键单元。目前,国内风电机组电控系统基本还是以国外进口为主。“掌握核心零部件的设计和自产,意在打造具有中国自主知识产权的完整产业链,对中国风电行业的技术发展有重要推动作用。”“未来,风电的发展趋势是机组由小变大,并网容量由少变多,向单机大功率和海上电站建设方向发展,风电在很多地方可能成为第二或第三大电源,这就要求风电设备不断提高核心技术水平。”王洪斌预测,未来3至5年,风机如果要作为主力电源,一定要满足更加严格的并网要求,他们正在为这一目标而努力。(*记者周洁实习生耿嘉)

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