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            潤陽能源:從深度分析到精準改造

            潤陽能源技術有限公司電氣首席工程師 董曉光

            從宏觀環境進行深入分析,最優先的是資源環境深入,風電就要優先要評估風資源,而風資源又依賴于地勢。中國幅員遼闊,從地勢圖可以大體估算,我國陸上現有三大風區分別是:阿爾泰山脈到天山山脈的新疆管廊風區、大興安嶺到陰山山脈的壩上風區以及另外一個比較大的風區是橫斷山脈附近的云貴風區。

            地勢是風能資源的主要影響原因,風資源直接影響風場的經濟價值,從而影響了風機的數量,而且地勢地形還能影響風機的生存環境,不僅決定了風資源,也影響著溫度和濕度情況。通俗的講每升高1000m氣溫會降低7℃,而且中國四季分明,溫差明顯。地勢不同的地區風資源以及溫度、濕度都各不相同,導致機組的生存環境也不同。高溫、低溫、高濕、凝露、沙塵等現象,也直接造成風機塔筒內部出現相對應的柳絮、飛蟲、結鹽、凝露等現象。

            從環境上考慮風機的適應情況,是潤陽能源技改的整體思路。結合各地不同的宏觀環境情況,潤陽能源可以提供最優的技改方案。

             

            - 環境結冰與葉片結冰機理 -

             
            中國幅員遼闊,高低落差大,結冰種類多,在我國整個區域除華南區域外,都會遭受結冰損失。風力發電機因為結冰、覆冰產生的功率損失、機械故障、覆冰拋落等問題已經成為影響風力發電機安全運行的嚴重隱患之一。分析各個區域的結冰機理,是防冰除冰的關鍵。因為水有液態、氣態、固態三相特征。液態可以轉為固態,氣態也可以直接轉為固態。因此在實際風力發電機相關的結冰就會出現幾種結冰類型。
             
            風機在運行期間會出現以下幾種結冰類型:第一種是霧凇,霧凇是指針狀和雪花狀的薄冰。多形成在溫度為-20℃左右的云中,水滴尺寸及含水量都較小的情況下。這種積冰的密度很小,通常在200~600kg/m³之間,并且在葉片上的附著力小,比較容易清除。
             
            第二種是霜凇和雪凇,霜凇是在-10℃~-15℃溫度下,云中水滴尺寸較大,含水量較高的寒冷環境下將會出現高密度的不透明狀白色積冰,一般密度在600—900kg/m³。也就是說霜凍積冰的附著力比較強。
             
            另一種較為惡劣的種類是明冰或雨凇,明冰或雨凇結冰現象是冰光滑透明、結構堅實。水滴尺寸非常大,含水量較高,該型積冰是指部分液滴沒有在撞擊葉片表面瞬間結冰,而是沿著表面流動隨后結冰。這種狀況下積冰的密度較高,達到900kg/m³,而且與葉片的表面附著力非常強。
             
            最后一種是混合冰或毛冰,由于空氣中水滴尺寸大小、水滴的數量(含水量)、風速、水滴溫度不斷變化,天氣氣候的持續時間、積累速度以及葉片的速度、弦長等的不同,在發生積冰的在0℃~-20℃范圍內,可能存在多種冰凇混合狀態,稱為毛冰。這種積冰起初很容易清除,但在葉片表面結成冰后就難于清除。
             
            根據國內的地勢,可以區分出各個地區可能會形成什么樣的結冰類型。通過2018年1月10日的氣溫與濕度云圖可以再做一下簡單分類。結冰與相對濕度、露點共同相關。所以,溫度較低露點變大,液態水滴會變小,濕度相當情況下,1、3、4區為霜凇工況;5區為雪凇工況;2區西北部為混合冰/明冰工況;2區中南部為多為明冰工況。
             
             
            從微觀維度深入分析,葉片表面的表面化學,主要分為化學表面的疏水與潤濕,潤濕是指風機葉片分子結構上會有小的“毛細血管”,水滴會流進風機葉片里形成錨固作用。疏水是指水分子有表面張力,有憎水或親水特性,親水特性就是水或冰侵入葉片的原因。在風力發電的防冰領域,我們不希望水汽、液滴向風機葉片潤濕、附著、結冰,所以我們更希望水滴在葉片上能處疏水態。
             
            葉片表面上的積冰過程,從積冰相變、冰層表面的水膜流動以及兩相流動、水滴撞擊、對流換熱都具有明顯的非穩態性,液態水含量LWC、水滴平均體積MVD、溫度、來流速度/轉速、攻角/變槳角度、弦長、持續時間與水膜滑動這些物理過程之間又相互影響。
             
            因此,葉片除冰有三種思路,親水疏水圖層誘導除冰、葉片加熱除冰、超聲波憎水或加熱功率除冰。
             
            - 受端(電網)環境的深入挖掘 -
             
            當前,中國預計每年用電量提升6%—7%左右,從2020年到2030年,中國的電量將會翻一倍。按目前的“碳達峰”“碳中和”發展規劃,火電將會被限制而新能源則會大力發展,新能源的電力平衡將會顯著增大。
             
            從宏觀環境上分析,“接受”環境一般強調的就是電網?,F在潤陽能源主要業務板塊有低電壓穿越、高電壓穿越、高低或低高連鎖穿越、孤島穿越/運行、超/次同步振蕩、一/二/……次調頻、全景監控等。目前風機已經越來越多,不能僅是保護自己的發電系統,更不能拖累電網、不能隨意脫網,且必要時支撐電網。
             
             
            很多省份風光發電占比達到15%-30%,電力系統平衡的壓力顯著加大,對電網調度提出較大挑戰;當達到30%甚至50%以上,電力系統的不僅需要調峰調頻,而且需要精度更高的虛擬電廠和負荷控制。在“十四五”風光棄電大概率回升,隨著儲能技術革新與成本下降,電力瞬時平衡的框架升級也會越來越急迫。
             
             
            針對未來的技改,要從不同的網架角度看風電的應用場景。隨著裝機容量越來越大,后續的限電一定會回升。發電側、用電側甚至配電側都需要提升,現在東北、華北、西北等地區都在政策文件上明確規定需要具備一次調頻功能。用戶側電力平衡、恒功率改為恒電壓控制且需要風電亦或分散式風電需要孤島運行及孤島穿越技術。
             
            風或電的資源決定了技改的經濟規模,而生存環境決定了風機的效率規模,技改是最終的輸出,那么針對技改的需要深入到數據、原理級別。
             
            - 從深入挖掘到精準改造 -
             
            風電機組深度改造是潤陽能源的主要業務領域。例如:三大電控系統改造,其中包括主控系統改造、變流器改造、變槳系統改造。同時,潤陽能源依托全國布局的生產基地、葉片工廠,承接明陽/非明陽保內保外大部件維修技改服務,包括齒輪箱維修改造、發電機維修改造、主軸維修改造、葉片維修、偏航系統維修改造等。針對軟件技改有主控軟件和SCADA技改等。
             
            嚴格的工程質量和充足的技術儲備是精準改造的落腳點。
             
            在整個技改過程中,潤陽能源采用定制化診斷挖掘技改,從業主現場了解情況,采集現場數據,再從大數據平臺、客戶集中控制平臺以及客訴平臺進行數據分析,從而制定整體的最優解決方案,并參照方案開展現場工作,形成最終結項報告。
             
            技改思路主要有三點:累積數據分析是技改信息輸入;器件問題總結是技改結果輸出;問題原理分析是技改最終手段。設計資料的技改挖掘就是機型的重新評估,其中主要包括:機組選型評估、功率曲線評估、可利用率評估、風資源評估、微觀選址評估等。其次是基于損壞器件維修結果的技改挖掘一定要落在器件的最終故障上,找到故障后進行統計型維修。
             
            例如風電中的通訊故障,通信故障其實是逆變器、電動機、充電機等大功率設備對CAN的影響足以中斷通訊,或者損壞CAN節點。干擾不但影響信號,更嚴重的會導致主板死機或者燒毀,所以接口和電源的隔離是抗干擾的第一選擇。
             
            隔離的主要目的是:避免地回流燒毀電路板和限制干擾的幅度,保護控制器不死機。未隔離時,兩個節點的地電位不一致,導致有回流電流,產生共模信號,CAN的抗共模干擾能力是-12~7V,超過這個差值則出現錯誤,如果共模差超過±36V,會燒毀收發器或者電路板。
             
            但隔離只是阻擋,如果干擾強度很高,比如達到2KV浪涌,隔離也會被破壞。所以要想達到更高的防護等級,必須增加防浪涌電路。風電屬于惡劣電壓工況所以通信回路浪涌抑制需要添加,同時CAN線提高雙絞程度。
             
             
            差分信號的抗干擾能力的必要條件是,CANH和CANL要很緊密地靠在一起,否則受到的干擾強度就不一樣,就會導致差分信號受到干擾。通常雙絞線只有33絞/米,而在強干擾場合,雙絞程度要超過55絞/米才能達到較好的抗干擾效果。
             
            另外線纜的芯截面積要大于0.35~0.5 mm² ,CANH對CANL的線間電容小于75 pF/m,如果采用屏蔽雙絞線,CANH (或CANL) 對屏蔽層的電容小于110 pF/m??梢愿玫亟档途€纜阻抗,從而降低干擾時抖動電壓的幅度。
             
            遠離干擾源是最簡單的抗干擾方法,如果CAN線與強電干擾源遠離0.5米,干擾就基本影響不到,所以CAN線必須要和電流會劇烈變化的線纜遠離。比如繼電器、電磁閥、逆變器、電機驅動線等。
             
            另一種方法是終端電阻抑制振鈴,若雙絞線末端增加一個電阻,末端信號波形明顯改善,振鈴消失,從而解決通訊問題。所以基于問題原理分析有變流器通信回路和變槳通信回路,同時有雙絞、終端電阻、屏蔽等解決方式。
             
            - 全鏈條的技改服務 -
             
            作為明陽智慧能源集團旗下風電全生命周期價值管理與服務提供商,潤陽能源深入分析環境影響,精準識別未來的趨勢,給用戶帶來提前的價值。擁有完備的技術測試系統,風電全真模擬平臺、全容量電網模擬器、變槳測試平臺、環境試驗室、IP防護實驗等為精準服務保駕護航。
             
            深度分析、精準服務、廣度覆蓋是潤陽能源技改對技改秉持的原則,更好地為客戶提供保障,創造價值。
             
             
             
             
             
             
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