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风电控制技术的未来发展探索

2019-07-24 10:53编辑:admin人气:


  除了需要抵御自然界中的不可预知力之外,风力发电机还必须能够克服其他几项困难。由于这个原因,控制技术的首要任务就是在最大限度获取能源的前提下,优化总体管理功能,将安全以及诸如风效应和材料应力之类的因素纳入到总体考虑当中。

  然而,风力控制技术的进一步发展和普及,也带来了新的挑战。尽管风力发电机在过去一般是作为独立的单位运行(向电网提供电力,而不从中获取能量),今天发电机则更多的被集成在风电场之中,或者作为能源供应系统的一个部分。除此之外,很多风机都建设在遥不可及的偏远地区,这就更加彰显了远程连接、开放式通讯机制、网络服务和故障预测的重要性。以上所有这些都说明,风力发电系统需要具有最高等级的可用性能(availability),服役周期需要超过20年。

  合适的硬件

  在硬件方面,发展的趋势很清楚的指向标准化控制平台,它可以提供更大的灵活性和更强的功能。高可用性与复杂的标准功能(比如全面远程诊断、网络连接),都是贝加莱系统一直以来的标准。

  尽管确实可以根据具体的应用情况来制定解决方案,但是在绝大多数情况下,只有使用标准化的控制平台才能降低系统成本。这是因为各行业所推崇的协同能力,可以提高效率进而摊薄开发成本。同时,标准化控制平台的成功实施最终要取决于对系统本身的理解,以及使用可以处理各种复杂计算和任务、质量不打折扣的强大CPU。

  风机的特点

  在原理上,风力发电与其他复杂机械并没有什么不同。然而,还是有些特别之处需要更加注意进行专门处理,比如远程维护和站外可视化。这些都非常重要,因为风机运行是无人值守的。电网操作人员和风电场管理团队已经为其专门制定了指南。为了最优化的执行任务,控制软件必须高效并且强大,而开发环境必须可以进行基于模型的闭合回路控制步骤编程。开发环境、控制平台以及系统元件之间的交互至关重要。各个通讯系统之间的延迟非常之低,可以实现完全的同步,这样才能让信号更加稳定。贝加莱为此提供了必须的平台。

  而在质量方面的要求同样也非常之高,因为风机是在曝露的环境下工作,它们很难以接近,并且需要面对的工作环境极其恶劣。要达到上面所提到的系统元件的可用性和服务寿命,就需要已被证明极为坚固的产品,同时还需要采取主动的措施进行质量和版本管理。

  风电控制中的潜在价值

  谈到风机控制,需要考虑的核心问题是保证转轮叶片正确校准对齐和平衡。重要的事情不仅仅是增加发电量,还要降低由于风力而产生的作用在涡轮机上的压力。了解这一过程CONTROLENGINEERINGChina版权所有,是调校控制器的首要工作。整体系统工作的效果越好,发电机运行就越高效。与此同时,还需要降低材料应力,这可以让涡轮发电机运行更加安静,服务寿命更长。在这个方面上,重要的是与制造商合作,或者如果需要的话为制造商提供所需的核心技术。

  当前,闭环控制回路不能检测出气流产生的扰动的强度,只是通过评价输电系统中的转速变化来检测它的速度。任何不幸在飞机上经历过气流的人,都会理解气流的能源和运动对于机翼会有多大的冲击。因此,在提高控制回路效率、降低材料应力方面,还大有可为。希望未来通过机械系统、控制技术和传感器的学科交叉研究,可以在控制回路方面实现切实的进步。

  在风能行业,因为考虑到大型风机可能会对人和环境持续产生风险,基于模型的设计、仿真和自动代码生成已经非常普遍了。建模和仿真可以帮助人们设计出安全的风电机。

  选择正确的总线系统

  如果要选择理想的总线系统,首要需要区分单个风机内部的系统网络以及与外部系统相连接的网络。在风机内部,每一个子系统都被界定的相对清楚,几乎可以使用任何解决方案执行必要的功能。比如,专利型的总线系统在这里就是可行的。举例来说,主控制系统、调校系统或者是发电机等子系统之间的连接,需要使用标准总线系统。通常,会同时使用几套系统。很多情况其实是所选元件和供应商的类别决定了总线系统的类别。

  考虑实际的情况,对于决策过程也非常重要。比如,如果通过集电环进行信号处理,由于EMC的特性或者线缆长度的原因使用光纤。这些条件,再加上经济和安全方面的考虑,总线系统的选择就有限制了。如果高性能不是首要需求,也许可以使用CAN或者Profibus,如果要求的动态性能更高、信号更加稳定,系统操作人员主要就会选择实时以太网协议了,比如POWERLINK。

  风机通常通过以太网与外部世界连接。然而,需要根据任务确定使用的不同机制和协议。比如,为了达到可视的目的,通常使用Web服务或者OPC和OPCUA。对于远程连接,有若干项IEC标准,比如EC61400-25、IEC61850-7-410和IEC61870-7-420。基于TCP/IP的通讯机制也有用到。

  控制风机:未来展望

  长久以来,不变的趋势就是要开发出更多的能源。然而,在不同的地区之间还是有着很大的差异。尽管一些离岸风电机可以输出5MW甚至更高的电力,其他的一些地区还是需要发电功率不足1MW的单个发电机。此外,液压调校系统也正在被电子系统所取代。

  这些大型系统,连同其电子调校控制回路,正在带来更多的经济和技术收益,让更多的优化和创新成为可能。在不久的将来,我们将会看到研究工作主要在个体调校、主动振动衰减以及集成环境监控几个方面进行。建模和传感器技术的进步,也将会极大的推动电机和发电控制的发展。

(来源:未知)

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