2005 年以來(lái)，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)以年均 100% 的速度快速發(fā)展，到 2008 年底，我國(guó)風(fēng)電總裝機(jī)容量達(dá)到了 1215 萬(wàn) KW，占世界風(fēng)電總裝機(jī)容量的 10% 左右，這是一個(gè)相當(dāng)驚人的增長(zhǎng)。目前，從裝機(jī)容量來(lái)看，我國(guó)已成為亞洲第一、世界第四、風(fēng)電裝機(jī)容量超 1000 萬(wàn) KW 的風(fēng)電大國(guó)。排在前三位的依次是美國(guó)、德國(guó)和西班牙，其裝機(jī)容量分別為 2517 萬(wàn)、2390 萬(wàn)和 1675 萬(wàn) KW。
需求的快速增長(zhǎng)也帶動(dòng)了我國(guó)風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)的快速發(fā)展。
2004 年，我國(guó)風(fēng)機(jī)整機(jī)制造企業(yè)僅 6 家，目前明確進(jìn)入風(fēng)機(jī)整機(jī)制造的企業(yè)已超過(guò) 70 家，另外還有一些公司正在開(kāi)展進(jìn)入風(fēng)機(jī)整機(jī)制造的前期準(zhǔn)備工作，呈現(xiàn)出“你未唱罷我登場(chǎng)，百家風(fēng)企競(jìng)風(fēng)流”這樣一個(gè)喜憂參半的格局。喜的是經(jīng)過(guò)這些年的發(fā)展，內(nèi)資和合資企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大、技術(shù)能力不斷增強(qiáng)、市場(chǎng)占有率上升很快。2004 年，內(nèi)（合）資企業(yè)和外資企業(yè)占當(dāng)年風(fēng)電新增裝機(jī)的比例分別為 25% 和 75%，而到 2008 年這一比例正好顛倒了過(guò)來(lái)，內(nèi)（合）資企業(yè)已經(jīng)在風(fēng)電市場(chǎng)上占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)地位。至于這些整機(jī)制造廠家?guī)?dòng)的零部件生產(chǎn)企業(yè)究竟有多少，更是一個(gè)無(wú)法準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)的數(shù)字。這些風(fēng)機(jī)整機(jī)制造企業(yè)及零部件企業(yè)的發(fā)展壯大，有力地促進(jìn)了我國(guó)風(fēng)電制造業(yè)技術(shù)水平和生產(chǎn)規(guī)模的提高。憂的是這 70 余家風(fēng)機(jī)企業(yè)的技術(shù)水平、生產(chǎn)規(guī)模、服務(wù)能力參差不齊，真正形成規(guī)模、比較有競(jìng)爭(zhēng)能力的還只有寥寥幾家，大多數(shù)企業(yè)對(duì)于未來(lái)面臨的巨大風(fēng)險(xiǎn)都估計(jì)不足，這是我國(guó)目前風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)存在的一個(gè)突出問(wèn)題。
從未來(lái)的發(fā)展形勢(shì)來(lái)看，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)至少將有十多年的黃金發(fā)展期。從世界范圍來(lái)看，美國(guó)、德國(guó)等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家為解決能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題，都將大規(guī)模發(fā)展風(fēng)力發(fā)電作為主要解決方案。在我國(guó)，情況也是如此。2008 年底，1215 萬(wàn) KW 的風(fēng)電裝機(jī)容量占我國(guó)電力總裝機(jī)容量的比例還僅為 1.5%，預(yù)計(jì)到 2020 年這一比例將達(dá)到 10% 左右，即到 2020 年風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到 1.4 億 KW 這樣的水平，這是十分可觀的數(shù)字。這表明，從宏觀形勢(shì)來(lái)看，風(fēng)電行業(yè)大發(fā)展的高潮確實(shí)已經(jīng)到來(lái)。
風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀
風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng)是風(fēng)機(jī)的重要組成部分，它承擔(dān)著風(fēng)機(jī)監(jiān)控、自動(dòng)調(diào)節(jié)、實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲以及保證良好的電網(wǎng)兼容性等重要任務(wù)，它主要由監(jiān)控系統(tǒng)、主控系統(tǒng)、變槳控制系統(tǒng)以及變頻系統(tǒng)（變頻器）幾部分組成。各部分的主要功能如下： 監(jiān)控系統(tǒng)（ SCADA ）：監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)全風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)狀況的監(jiān)視與啟、停操作，它包括大型監(jiān)控軟件及完善的通訊網(wǎng)絡(luò)。 主控系統(tǒng)：主控系統(tǒng)是風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的主體，它實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟動(dòng)、自動(dòng)調(diào)向、自動(dòng)調(diào)速、自動(dòng)并網(wǎng)、自動(dòng)解列、故障自動(dòng)停機(jī)、自動(dòng)電纜解繞及自動(dòng)記錄與監(jiān)控等重要控制、保護(hù)功能。它對(duì)外的三個(gè)主要接口系統(tǒng)就是監(jiān)控系統(tǒng)、變槳控制系統(tǒng)以及變頻系統(tǒng)（變頻器），它與監(jiān)控系統(tǒng)接口完成風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的交換，與變槳控制系統(tǒng)接口完成對(duì)葉片的控制，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲以及恒速運(yùn)行，與變頻系統(tǒng)（變頻器）接口實(shí)現(xiàn)對(duì)有功功率以及無(wú)功功率的自動(dòng)調(diào)節(jié)。
變槳控制系統(tǒng)：與主控系統(tǒng)配合，通過(guò)對(duì)葉片節(jié)距角的控制，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲以及恒速運(yùn)行，提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行靈活性。目前來(lái)看，變槳控制系統(tǒng)的葉片驅(qū)動(dòng)有液壓和電氣兩種方式，電氣驅(qū)動(dòng)方式中又有采用交流電機(jī)和直流電機(jī)兩種不同方案。究竟采用何種方式主要取決于制造廠家多年來(lái)形成的技術(shù)路線及傳統(tǒng)。
變頻系統(tǒng)（變頻）器：與主控制系統(tǒng)接口，和發(fā)電機(jī)、電網(wǎng)連接，直接承擔(dān)著保證供電品質(zhì)、提高功率因素，滿足電網(wǎng)兼容性標(biāo)準(zhǔn)等重要作用。
從我國(guó)目前的情況來(lái)看，風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的上述各個(gè)組成部分的自主配套規(guī)模還相當(dāng)不如人意，到目前為止對(duì)國(guó)外品牌的依賴仍然較大，仍是風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)中最薄弱的環(huán)節(jié)。而風(fēng)機(jī)其它部件，包括葉片、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、軸承等核心部件已基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化配套（盡管質(zhì)量水平及運(yùn)行狀況還不能令人滿意），之所以如此，原因主要有：
?。?）我國(guó)在這一技術(shù)領(lǐng)域的起步較晚，尤其是對(duì)兆瓦級(jí)以上大功率機(jī)組變速恒頻控制技術(shù)的研究，更是最近幾年的事情，這比風(fēng)機(jī)技術(shù)先進(jìn)國(guó)家要落后 20 年時(shí)間。前已述及，我國(guó)風(fēng)電制造產(chǎn)業(yè)是從 2005 年開(kāi)始的最近四年才得到快速發(fā)展的，國(guó)內(nèi)主要風(fēng)機(jī)制造廠家為了快速搶占市場(chǎng)，都致力于擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，無(wú)力對(duì)控制系統(tǒng)這樣的技術(shù)含量較高的產(chǎn)品進(jìn)行自主開(kāi)發(fā)，因此多直接從 MITA、Windtec 等國(guó)外公司采購(gòu)產(chǎn)品或引進(jìn)技術(shù)。
?。?）就風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)本身的要求來(lái)看，確有它的特殊性和復(fù)雜性。從硬件來(lái)講，風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)隨風(fēng)機(jī)一起安裝在接近自然的環(huán)境中，工作有較大振動(dòng)、大范圍的溫度變化、強(qiáng)電磁干擾這樣的復(fù)雜條件下，因此其硬件要求比一般系統(tǒng)要高得多。從軟件來(lái)講，風(fēng)機(jī)要實(shí)現(xiàn)完全的自動(dòng)控制，必須有一套與之相適應(yīng)的完善的控制軟件。主控系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)和變頻器需要協(xié)同工作才能實(shí)現(xiàn)在較低風(fēng)速下的最大風(fēng)能捕獲、在中等風(fēng)速下的定轉(zhuǎn)速以及在較大風(fēng)速下的恒頻、恒功運(yùn)行，這需要在這幾大部件中有一套先進(jìn)、復(fù)雜的控制算法。國(guó)內(nèi)企業(yè)要完全自主掌握確實(shí)需要一定時(shí)間。
?。?）風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)是與風(fēng)機(jī)特性高度結(jié)合的系統(tǒng)，包括主控、變槳和變頻器在內(nèi)的控制軟件不僅算法復(fù)雜，而且其各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定與風(fēng)機(jī)本身聯(lián)系緊密，風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的任務(wù)不僅僅是實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的高度自動(dòng)化監(jiān)控以及向電網(wǎng)供電，而且還必須通過(guò)合適的控制實(shí)現(xiàn)風(fēng)能捕獲的最大化和載荷的最小化，一般的自動(dòng)化企業(yè)即使能研制出樣機(jī)，也很難得到驗(yàn)證，推廣就更加困難。而中小規(guī)模的風(fēng)機(jī)制造商又無(wú)力進(jìn)行這樣的開(kāi)發(fā)。
即便如此，國(guó)內(nèi)企業(yè)通過(guò)這幾年的努力，已經(jīng)在控制系統(tǒng)主要部件的開(kāi)發(fā)上取得了積極進(jìn)展，已基本形成了自主的技術(shù)開(kāi)發(fā)能力，所欠缺的主要是產(chǎn)品的大規(guī)模投運(yùn)業(yè)績(jī)以及
技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)積累。比如，作為風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)中技術(shù)含量最高的主控系統(tǒng)和變頻器，國(guó)內(nèi)企業(yè)在自主開(kāi)發(fā)上已取得重要進(jìn)展。東方自控經(jīng)過(guò)幾年的努力，已成功開(kāi)發(fā)出DWS5000風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)，并已完成各種測(cè)試及風(fēng)機(jī)運(yùn)行驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化生產(chǎn)，基本形成了自主開(kāi)發(fā)能力?？浦Z偉業(yè)也研制出了兆瓦級(jí)機(jī)組的控制系統(tǒng)。在變頻器方面，東方自控、合肥陽(yáng)光、清能華福、科諾偉業(yè)等一批企業(yè)也異軍突起，開(kāi)發(fā)出了大功率雙饋及直驅(qū)機(jī)型的變頻器，產(chǎn)品已有小批量在風(fēng)場(chǎng)投運(yùn)，呈獻(xiàn)出可喜的發(fā)展勢(shì)頭。
隨著國(guó)內(nèi)企業(yè)所開(kāi)發(fā)風(fēng)機(jī)容量越來(lái)越大，風(fēng)機(jī)控制技術(shù)必須不斷發(fā)展才能滿足這一要求，如葉片的驅(qū)動(dòng)和控制技術(shù)、如更大容量的變頻器開(kāi)發(fā)，都是必須不斷解決的新的課題，這里不進(jìn)行詳細(xì)闡述。當(dāng)前，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在我國(guó)電網(wǎng)中所占比例越來(lái)越大，風(fēng)力發(fā)電方式的電網(wǎng)兼容性較差的問(wèn)題也逐漸暴露出來(lái)，同時(shí)用戶對(duì)不同風(fēng)場(chǎng)、不同型號(hào)風(fēng)機(jī)之間的聯(lián)網(wǎng)要求也越來(lái)越高，這也對(duì)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)提出了新的任務(wù)。
（1）采用統(tǒng)一和開(kāi)放的協(xié)議以實(shí)現(xiàn)不同風(fēng)場(chǎng)、不同廠家和型號(hào)的風(fēng)機(jī)之間的方便互聯(lián)。目前，風(fēng)機(jī)投資用戶和電網(wǎng)調(diào)度中心對(duì)廣布于不同地域的風(fēng)場(chǎng)之間的聯(lián)網(wǎng)要求越來(lái)越迫切，雖然各個(gè)風(fēng)機(jī)制造廠家都提供了一定的手段實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)互連，但是由于采用的方案不同，不同廠家的風(fēng)機(jī)進(jìn)行互聯(lián)時(shí)還是會(huì)有很多問(wèn)題存在，實(shí)施起來(lái)難度較大。因此，實(shí)現(xiàn)不同風(fēng)機(jī)之間的方便互聯(lián)是一個(gè)亟待解決的重要課題。
?。?）需要進(jìn)一步提高低電壓穿越運(yùn)行能力（ LVRT ）。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，尤其是雙饋型風(fēng)機(jī)，抵抗電網(wǎng)電壓跌落的能力本身較差。當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，從前的做法是讓風(fēng)機(jī)從電網(wǎng)切出。當(dāng)風(fēng)機(jī)在電網(wǎng)中所占比例較小時(shí)，這種做法對(duì)電網(wǎng)的影響還可以忽略不計(jì)。但是，隨著在網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)機(jī)的數(shù)量越來(lái)越大，尤其是在風(fēng)力發(fā)電集中的地區(qū)，如國(guó)家規(guī)劃建設(shè)的六個(gè)千萬(wàn)千瓦風(fēng)電基地，這種做法會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重影響，甚至可能進(jìn)一步擴(kuò)大事故。歐洲很多國(guó)家，如德國(guó)、西班牙、丹麥等國(guó)家，早就出臺(tái)了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，要求在這種情況下風(fēng)機(jī)能保持在網(wǎng)運(yùn)行以支撐電網(wǎng)。風(fēng)機(jī)具有的這種能力稱為低電壓穿越運(yùn)行能力（LVRT），有的國(guó)家甚至要求當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落至零時(shí)還能保持在網(wǎng)運(yùn)行。我國(guó)也于今年 8 月由國(guó)家電網(wǎng)公司出臺(tái)了《風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》，其中規(guī)定了我國(guó)自己的低電壓穿越技術(shù)要求，明確要求風(fēng)電機(jī)組在并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落至 20% 額定電壓時(shí)能夠保持并網(wǎng)運(yùn)行 625 ms、當(dāng)?shù)浒l(fā)生 3 s 內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的 90% 時(shí)，風(fēng)電機(jī)組保持并網(wǎng)運(yùn)行的低電壓穿越運(yùn)行要求。應(yīng)該說(shuō)，這還只是一個(gè)初步的、相對(duì)較低的運(yùn)行要求。在今后可能還會(huì)出臺(tái)更為嚴(yán)格的上網(wǎng)限制措施。這些要求的實(shí)現(xiàn)，主要靠控制系統(tǒng)中變頻器算法及結(jié)構(gòu)的改善，當(dāng)然和主控和變槳系統(tǒng)也有密切聯(lián)系。
?。?）實(shí)現(xiàn)在功率預(yù)估條件下的風(fēng)電場(chǎng)有功及無(wú)功功率自動(dòng)控制。目前，風(fēng)電機(jī)組都是運(yùn)行在不調(diào)節(jié)的方式，也就是說(shuō)，有多少風(fēng)、發(fā)多少電，這在風(fēng)電所占比例較小的情況下也沒(méi)有多大問(wèn)題。但是，隨著風(fēng)電上網(wǎng)電量的大幅度增加，在用電低谷段往往是風(fēng)機(jī)出力最大的時(shí)段，造成電網(wǎng)調(diào)峰異常困難，電網(wǎng)頻率、電壓均易出現(xiàn)較大波動(dòng)。當(dāng)前，電網(wǎng)對(duì)這一問(wèn)題已相當(dāng)重視，要求開(kāi)展建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)和風(fēng)電出力自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在功率預(yù)測(cè)基礎(chǔ)上的有功功率和無(wú)功功率控制能力。事際上，這個(gè)系統(tǒng)的建設(shè)不是一件容易的事情，涉及到很多方面的技術(shù)問(wèn)題。但是，無(wú)論如何說(shuō)，序幕已經(jīng)拉開(kāi)。
發(fā)展展望
從上面的敘述中可以看出，控制系統(tǒng)作為風(fēng)電機(jī)組中最關(guān)鍵的核心零部件，目前仍是國(guó)內(nèi)風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)中最薄弱的環(huán)節(jié)，也是國(guó)內(nèi)目前唯一沒(méi)有實(shí)現(xiàn)批量國(guó)產(chǎn)化的部件，其主要原因在第二部分中已經(jīng)分析過(guò)。但是，我們也看到，以東方自控為代表的國(guó)內(nèi)一些企業(yè)，已經(jīng)在包括變頻器在內(nèi)的控制系統(tǒng)的自主研發(fā)方面邁出了重要的步伐，取得了很多成果。因此，預(yù)計(jì)再經(jīng)過(guò)兩到三年時(shí)間，將可實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的全面國(guó)產(chǎn)化配套，并具備如海上風(fēng)機(jī)等更大型風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)的自主研發(fā)能力，這樣，風(fēng)機(jī)國(guó)產(chǎn)化的最后一個(gè)瓶頸也將被突破。同時(shí)，借此一角，也呼吁國(guó)內(nèi)的風(fēng)機(jī)用戶樹(shù)立對(duì)國(guó)產(chǎn)控制系統(tǒng)的使用信心，支持國(guó)產(chǎn)化事業(yè)的發(fā)展。同時(shí)，國(guó)內(nèi)企業(yè)在服務(wù)支持及備件供應(yīng)方面畢竟有較大的優(yōu)勢(shì)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，一定會(huì)給風(fēng)電企業(yè)帶來(lái)良好的回報(bào)。
作者簡(jiǎn)介： 陳建國(guó) （ 1970 - ）
男，四川廣元人，1992 年畢業(yè)于浙江大學(xué)，同年至東方汽輪機(jī)廠工作，先后從事蒸汽輪機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與調(diào)試。目前擔(dān)任東方電氣自控公司副總經(jīng)理，負(fù)責(zé)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)工作。
（轉(zhuǎn)載）
