浅谈风电智能化时代开启

浅谈风电智能化时代开启

李卓

大唐乌昌新能源公司

摘要：在风电产业发展过程中，现有的人工现场运行服务模式已难以满足快速增长的需要。目前，以风电整机企业和业主单位为龙头，整合相关企业、高校、研究院所和科研机关的研发资源，在智能控制技术方面取得了一定的优势。本文详细分析了风电机组技术的发展历程和国内外发展现状，分析了国内外技术的差距与瓶颈，并对风电机组技术在提升结构效率、降低经济成本、增强环境友好性和资源节约利用等方面的发展趋势和市场需求进行了展望。

        关键词：风力发电；风电机组；技术

1.风力发电的原理

       把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，这就是风力发电。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三米的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染。

       风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。这种风力发电机组，大体上可分风轮（包括尾舵）、发电机和铁塔三部分。风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，它由两只（或更多只）螺旋桨形的叶轮组成。当风吹向浆叶时，桨叶上产生气动力驱动风轮转动。桨叶的材料要求强度高、重量轻，目前多用玻璃钢或其它复合材料（如碳纤维）来制造。由于风轮的转速比较低，而且风力的大小和方向经常变化着，这又使转速不稳定；所以在带动发电机之前，还必须附加一个把转速提高到发电机额定转速的齿轮变速箱，再加一个调速机构使转速保持稳定，然后再联接到发电机上。为保持风轮始终对准风向以获得最大的功率，还需在风轮的后面装一个类似风向标的尾舵。铁塔是支承风轮、尾舵和发电机的构架。它一般修建得比较高，为的是获得较大的和较均匀的风力，又要有足够的强度。铁塔高度视地面障碍物对风速影响的情况，以及风轮的直径大小而定，一般在6-20米范围内。发电机的作用，是把由风轮得到的恒定转速，通过升速传递给发电机构均匀运转，因而把机械能转变为电能[1]。

2.风电系统的发展

        当前，由于世界经济的快速发展，全球能源供应紧张，环境问题日益突出。介于此，人类不得不寻找可再生的清洁能源。风能具有储存量大，分布广泛，清洁无污染的特点，非常符合目前形势的需求。风力发电技术作为利用风能的重要途径之一得到了飞速发展，现在已逐渐趋于成熟化。然而由于风力发电本身条件的限制，风电机组大多安装在人烟稀少等自然环境很恶劣的地方，常年经受极端条件的影响，随着运行时间的延长，这些机组陆续会出现一些故障，比如发电机、齿轮箱、叶片以及控制系统等发生故障，从而导致设备停机，造成严重的经济损失。为了避免经济的损失，需要提高机组运行的可靠性，预防故障，提前发现机组的异常，时刻了解机组的运行状态，把握它的发展趋势。为此，需要利用先进的状态监测手段，来了解风电机组的运行状态与趋势。从而分析形成的或正在形成的故障，以此来避免由于故障而产生的损失。我国风电产业发展迅速，发电技术越来越趋于成熟化，但是在线监测系统的发展却非常滞后，不能满足我国风电市场的需求，对风电厂的效率产生了严重的影响。所以，随着我国风电产业的迅速发展，在线监测系统的研究有着重要的现实意义。为了解决上述问题，应该着重研究精确数据采集系统，用于为在线监测系统提供可靠的数据来源。由于风电机组运行环境的要求，数据采系统一定要具有快速性、可靠性、体积小以及低成本的特点，为此本课设便围绕着以单片机为核心的数据采集系统来展开研究[2]。

3.智能化在风力发电自动化控制系统中的优势分析

（１）智能化信息技术将会为风力发电自动化控制者在管理决策方面起决定性作用。随着风力发电自动化控制系统数据的急剧扩容和爆炸性的增长，利用影像数据、发电机组运行数据等，并运用智能化信息技术对各种数据进行筛选、分析，为各类情况和故障提供服务和协助，将是未来风力发电自动化控制系统工作的主要方式。（２）智能化信息技术提供越来越多个性化的服务。对于个体而言，利用大数据技术对风力发电机全部数据进行掌握，集中信息形成个体的档案可以让单个风力发电机得到更有针对性的服务方案。（３）催生新的业务方式和服务方式。除了一般的为风力发电自动化控制系统提供支持服务外，运用智能化信息技术还可以通过网络平台，管理者可以实现网络管理、异地管理等功能。

4.风电产业发展面临的困境

        (1)风电机组控制技术。目前风电控制技术多采用传统控制模式，无法自动适应机组运行环境变化、部件性能状态变化后对机组运行性能的影响，制约风电机组对风能的最大利用，也影响了机组的可靠性。缺乏智能控制系统测试和验证技术的研究，不利于智能控制技术的推广和应用。分散式风电在未来几年将会得到迅速发展，但目前在分散式弱电网接入条件下，缺乏风电机组所必须的适应性和运行方式的研究，将制约分散式接入风电的建设和推广。（2）故障预测。风电机组故障预测是指在故障发生前一段时间，在运用SCADA数据、在线监测数据等对可能发生故障的早期特征进行分析的基础上，对故障发生概率、故障发生时间进行预判的手段。目前，已有风电机组在线监测技术缺乏后续专家诊断系统支持，数据特征得不到充分、准确的判断，应用效益不显著；风电场配置多个数据平台，存储的海量历史数据缺乏系统挖掘分析；不同类型风电机组运行状态参差不齐，缺少对设备发电性能劣化程度的评估分析手段。上述现状导致风电机组在故障发展初期得不到及时维护，当发展为恶性设备损坏事故后，将带来高维修成本和高发电量损失[3]。

5.风电智能化

        5.1风电机组故障智能诊断和预警

        当前风电机组的运维主要采用定期检修和故障后维修的“被动”维修方式，需要改变风电机组运行维护方式，充分利用风电状态监控，开展预警相关研究，变风电机组“被动”维修为“主动”维修，提高风电运维效率，增加风电开发收益。当前在役风电场均配有监控与数据采集系统（SCADA），具备多年运行积累的历史数据；2010年以来，为监测风电机组振动状态，新增风电机组都配有振动状态监测系统（CMS），基于大数据技术开展风电状态监控及智能预警研究已具备开展条件。结合机组主控制系统、SCADA数据和CMS数据，开展风电机组状态预测与故障诊断方法研究，开展振动信号检测与分析研究，对风电机组关键部件故障进行特征提取与精确定位，并结合疲劳载荷分析和智能控制技术，对风电机组进行健康状态监测、故障诊断、寿命评估及自动化处置已经成为各个厂商都在积极投入的技术方向。

        5.2实现风力发电传输系统数据整合分析

        随着各智能系统向着智能化技术的转型，引入智能化技术的风力发电自动化控制系统均采用了ＴＣＰ／ＩＰ传输协议。既然传输协议标准化了，传输系统的共享也是必然的，一套综合布线系统和网络设备便可解决各系统的内部及相互之间的通信。然而我们需要注意的是，基于公共局域网的智能化系统共享同一传输网络是没有问题的。通过技术分析，我们可以发现，风力发电自动化控制系统用户端设备须通过公共局域网及宽带路由器访问互联网云端的服务器来实现智能控制。可视对讲系统的用户端（简称“室内机”）作为用户室内共享设备就必须实现既可以访问风力发电系统局域网又能够通过管理系统内中的局域网访问Ｉｎｔｅｒｎｅｔ。通过合理的网络规划是可以实现的。

6.风电新概念技术发展趋势和需求

        从长期来看，风电等可再生能源的综合利用仍然处于起步阶段，在低碳环保可持续发展理念下，风电机组技术未来也会发展出一些全新的理念，新的材料和工艺也将不断被利用到风电机组中，使我们能更高效、更灵活、更低成本地获取风能，较为典型的如采用碳化硅（SiC）器件的变流技术、叶片编织成型技术和多叶轮结构等。截至2017年年底，我国已有超过10万台风电机组并网运行，按使用寿命20年计算，到2027年，我国就将每年面临近万台风电机组的退役问题。尽管良好的故障监控技术与运维技术可以有效增长机组使用寿命，但退役的风电设备如何安置处理，已经是一个不可忽视的问题。目前国内该领域研究关注度不高，且多处于探索阶段，如叶片及永磁材料的分解回收方法等，但技术和商业可行性仍有待验证。

        结语

        随着智慧风场的逐步建设，集控中心的运作日渐成熟，风场的安全管理水平及效率得到提升，将逐步实现少人、无人的值守模式，降低运维成本。

参考文献

       [1]智能化成为风电后市场发展方向[J]. 电力勘测设计, 2017(1):43-43.

       [2]姚兴佳,刘颖明,宋筱文.我国风能技术进展及趋势[J].太阳能,2016(10):19–30.

      [3]李琼慧，王彩霞.从电力发展“十三五”规划看新能源发展[J].中国电力.2017（01）