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风电标准:大风起兮“电”飞扬

放大字体  缩小字体 发布日期:2014-03-28   来源:中国电子报   
  标准是构成国家核心竞争力的基本要素,是规范经济和社会发展的重要技术制度。近日,由中关村标准故事编委会组织编写,北京市市委常委苟仲文、工业和信息化部副部长杨学山作序,《中国电子报》多位记者参与撰写的《中关村标准故事——探秘标准创新 引领产业发展》一书正式出版。书中的30个故事从不同侧面记述了中关村企业在实施标准化战略的实践中,自主创新、不懈求索的历程与成就。《中国电子报》特摘登该书电子信息技术标准相关章节,以飨读者。

“过去风吹来的是害,现在给我们吹来的是钱!”吉林省白城市通榆县变风灾为利的故事,是我国风能发电行业的一段佳话。通榆县西邻科尔沁草原的沙漠化地带,长年刮着6级以上的大风,肆虐的狂风常年卷起漫天黄沙,吹打着这里的人们。当地人戏称这里是一年一场风,从春刮到冬。但就在这块被联合国教科文组织认定为世界上最不适宜人类居住的地方,伴随着风电的开发和风电设备制造业的兴起,通榆县的财政收入获得了历史性的突破,人民生活水平也随之大幅提升。一贯靠国家输血的贫困县,慢慢地学会了自己“长肉”,其所在的白城市也成为中国最大的风力发电基地之一。

市场竞争:用好标准利器

我国“十二五”期间风电的发展目标是,风电机组整机设计和核心部件制造技术取得突破,基本形成完整的具有国际竞争力的风电设备制造产业体系。

“十一五”时期,我国风电装备制造产业实现了单机容量向兆瓦级的跨越发展,研发设计和制造水平与世界先进水平的差距迅速缩小,1.5MW和2MW风电机组成为主流机型,3MW机组已研制成功并开始批量工程应用,5MW和6MW陆上和海上风电机组相继研制完成,风电设备关键零部件的技术能力迅速提高,但其中的主控系统和变桨系统仍基本依靠进口。我国“十二五”期间风电的发展目标是,风电机组整机设计和核心部件制造技术取得突破,基本形成完整的具有国际竞争力的风电设备制造产业体系,形成3~5家具有国际竞争力的整机制造企业和10~15家优质零部件供应企业。

“以目前的情况看来,实现‘十二五’目标的难度很大,还须国内业界迎头赶上。”华锐风电科技研发部的李博士在接受记者采访时表示。根据对我国正在制造和生产的风电机组的调查分析,其主要技术来源大致可分为以下5类:第一类,引进国外的设计图纸和技术,或是与国外设计技术公司联合设计,在国内进行制造和生产;第二类,购买国外成熟的风电技术,在国内进行许可生产;第三类,与国外公司合资,引进国外的成熟技术,在国内进行生产;第四类,国外的风电机组制造公司在国内建立独资企业,利用其成熟的设计制造技术在国内进行生产;第五类,采用国内大学和科技公司自行开发的设计制造技术,在国内进行生产。

作为国内风电行业的龙头老大,华锐风电有着一套成熟而有特色的技术发展模式。“以华锐风电的经验而言,我们走的路线是引进技术、转化专利、制定标准。”李博士透露。华锐风电引领潮流,围绕着技术核心规划了整个发展策略,在公司发展的不同阶段,每个策略又都发挥了关键的作用。2006年,在中国以进口风电机组和单机容量750kW为主力机型的背景下,华锐风电第一个引进国际先进的1.5MW风电机组技术,并通过消化、吸收、再创新,迅速实现了国产化和规模化,实现了国产化风电机组单机容量向兆瓦级的飞跃。

为了提高公司的科研能力,促进可持续发展,华锐风电招揽了大批国内外的高端人才,组成了研发团队,其中涵盖空气动力学、数值分析、机械、液压、电气和自动控制等专业。通过短短几年的努力,公司研发团队获得发明、实用新型以及外观设计专利近300项,获得计算机软件著作权10余项,遥遥领先于同行业其他企业。

随后,华锐风电成功研制出具有完全自主知识产权的我国第一批3MW海上风电机组,开发出我国海上风电成套关键技术装备,并成功应用于欧洲以外第一个海上风电场——上海东海大桥10万千瓦海上风电场,打破了国际风电巨头在海上风电方面的技术封锁。

2012年台风“海葵”来袭时,风场最大瞬时风力超过13级,东海大桥项目一期34台3MW海上风电机组平均可利用率达99%,全部正常运行,并在台风到达时全部安全切出,台风过后顺利恢复并网发电,以优秀的表现经受住了此次特大台风的考验,展示了华锐风电在海上风电领域的过硬技术。

华锐风电用不到两年的时间,陆续开发完成具有国际领先技术的5MW和目前全球单机容量最大的6MW风电机组,实现了海上装机和并网发电,且运行良好。这两种机型未来将成为世界风电市场的主流产品。5MW海上风电机组在上海东海大桥海上风电场项目二期顺利通过了240小时验收考核,考核期间5MW机组可利用率达到100%,240小时无故障运行。

在经济全球化的今天,标准的作用已经不仅是企业组织生产的依据,而且已成为企业应对市场竞争的强有力武器。李博士表示,企业要从整体出发,制定和贯彻一整套相互协调的综合标准。其中,技术标准处于核心地位,其保证产品的规划、研究、设计、制造、使用和维修等环节符合最优化原则,并保证创新成果取得最佳的经济和社会效益。

创新离不开标准,脱离了标准的创新是不成熟、不健全的,其生命力也是短暂的。任何一项技术成果,从研制到鉴定都必须经过技术标准的衡量,只有符合技术标准才能在生产领域得到推广和应用。

主控、变桨系统:掣肘风电产业发展

风电主控系统和变桨系统的自主配套还不尽如人意,包括关键硬件、控制软件等,目前对国外品牌的依赖程度较高,仍是我国风电设备制造业中最薄弱的环节。

风电主控系统和变桨系统作为风力发电机组的关键零部件,保障了风力发电机组的安全、可靠运行,提高了风能利用效率。因此,该领域的技术研发与创新备受业内关注。

20世纪80年代中期,进入风力发电市场的都是定桨距风力发电机组。定桨距是指叶片与轮毂的连接是固定的,桨距角固定不变,即当风速变化时,叶片的迎风角度不能随之变化。定桨距风电机组采用失速调节原理,在允许的风速范围内,定桨距风力发电机组的控制系统对由于风速变化引起的输出能量的变化不起任何调节作用。

20世纪90年代后,变桨距风力发电机组开始进入风力发电市场。变桨距是指安装在轮毂上的叶片通过控制可以改变其桨距角的大小。采用变桨距的风力发电机组,启动时可对转速进行控制,并网后可对功率进行控制,使风力发电机组的启动性能和功率输出特性都有显著改善。目前,国内外大型风电机组几乎全部采用变桨控制技术,并且随着机组容量的不断增大,为了克服风切变、湍流对机组载荷的影响,出现了独自变桨控制,即在实现变桨控制时每个叶片的桨距角并不一致,此种方法能够有效提高机组关键部件的寿命和可靠性。

从我国目前的情况来看,风电主控系统和变桨系统的各个组成部分的自主配套还不尽如人意,包括关键硬件、控制软件等,对国外品牌的依赖仍然较大,仍是我国风电设备制造业中最薄弱的环节。国内企业大多采取消化、引进、吸收、再创新的技术路线,国产化率较低,国产化效果不是很理想,运行状况也不尽如人意,且售后服务备受诟病。鉴于以上原因,国内不少有实力的企业开始了主控系统和变桨系统的自主研发工作,并取得了不错的成果。

“目前,国内几乎所有的整机厂商都已介入主控系统及变桨系统的自主研发。”李博士叹道,“但国内相关的产业链尚未完全建立,自主品牌依然不是主流。”

我国风电产业总体技术水平与国际先进水平还有一定差距,目前虽然大多数风机零部件基本实现了国产化,但这并不等于风电设备整机企业具有核心技术能力。在风机整机的研发和设计上,我国大多数厂家并没有完全掌握关键的核心技术,关键零部件技术大多掌握在国外企业的手中。因为没有关键零部件的定价权和掌控权,很多企业还要交纳不菲的许可证使用费,且被国外出让方限定在狭小的销售范围,无法走向国际市场,无法自主改善产品质量和升级换代,供货时间和周期也无法保障。

目前,我国许多风电设备企业不能有效控制质量,已经付出惨痛的代价,再加上售后服务跟不上,安装在风场的风机频频出现故障,不但发电效率受到影响,还会给电网造成危害。这也导致了我国风电装备制造业产品质量的恶性循环。

从目前的运行情况看,国内风机在主控系统和变桨系统等方面都出现过各种问题,面临风机维修成本大幅增加的隐患。风电场一般建在自然环境恶劣的地区,控制系统和变桨系统在元器件方面、设计方面以及控制操作等方面引发机组故障的概率较大。

主控、变桨系统标准:应运而生

两项风电标准的制定将有效指导风电控制系统设备的研发、制造,对提高我国风电设备自主创新能力和促进风电行业的发展有着积极作用。

我国目前沿用的风电标准大部分是根据国际电工委员会(IEC)标准转化而来,其他国际通用的标准,如德国的GL标准、丹麦的DNV标准,并不完全适合我国的气候特征和地理环境。

在这种背景下,相关政府部门要求尽快开展风电相关产品特别是主控制系统和变桨控制系统的标准化工作。“两项标准的编制过程令人难忘。”李博士回忆道,“自计划项目下达后,各参与单位都积极成立了标准编制组,对标准进行详细的讨论分析,两次编制组会议、1次广泛征求意见和1次审查会的情况,仿佛都还历历在目。”

由中国电器工业协会牵头组建了标准编制专家组,其中汇聚了行业内众多的资深专家。2010年5月6日和7月22日,分别在郑州和杭州召开了第一次和第二次标准编制组工作会议。会上专家们对标准草案进行了讨论,形成了标准的征求意见稿。各参会代表针对目前流行的双馈机组、直驱机组和半直驱机组控制技术进行了激烈的讨论,并针对常温型和低温型的环境因素进行了详细分析。大家普遍认为,在制定国内的风电标准时,应该广泛借鉴和吸纳国际标准,但与此同时,对于国际标准中不适应中国发展条件的内容应及时修正,并应该及时向国际标准机构反馈。

两项标准形成标准征求意见稿后,紧接着又收集了大量相关单位、研究机构的意见,并最终形成标准送审稿。2011年3月25日,审查会议在北京召开,评审专家审阅了两项能源行业标准送审稿,并进行了充分讨论,提出了进一步修改完善的意见。“评审组充分肯定了我们一直致力的工作,也给出了非常具体的指导意见。”李博士回忆道。

评审组一致认为,两项能源行业风电标准的制定将有效指导风电控制系统设备制造企业、科研院所等单位进行研发、制造、试验、检查等工作,对提高我国风电设备自主创新能力和促进风电行业的发展有着积极作用。同时,各位专家也提出了一些宝贵的修改意见,涉及风力发电机组主控制系统和变桨控制系统的方方面面。

主控制系统是风力发电机组的核心技术,主控系统对整个风力发电机组实施正常操作、调节和保护,以确保机组运行过程的安全性和可靠性。据李博士介绍,专家们针对《双馈风力发电机组主控制系统技术规范》中的检验项目进行了讨论,包括风力发电机组的最大功率、恒功率运行控制、液压系统自动控制等项目。考虑到实际的可操作性,针对以上几项试验进行评估后,专家一致认为通过型式试验后,无需再进行出厂试验。

变桨控制系统通过控制叶片的桨距角来控制风轮的转速,进而控制风力发电机组的输出功率,并能够通过空气动力制动的方式使风机安全停机。专家们针对《风力发电机组电动变桨控制系统技术规范》中的功能要求,深入讨论了变桨系统后备电源的容量是否需要满足在桨叶额定载荷情况下完成10次紧急顺桨动作。风力发电机组变桨系统的后备电源是在电网掉电等危急工况下保证叶片能够顺桨并完成安全停机的设备,对风电机组的安全运行起着至关重要的作用。后备电源能够满足叶片在规定载荷下完成一次紧急顺桨动作,就能够使风力发电机组完成安全停机,但是考虑到安全余量,需要对后备电源的容量进行评估。

延伸阅读

风电大国 标准助力

近年来,我国风电产业发展迅猛,无论从装机容量、发展规模还是风机制造能力上看,都已成为名副其实的风电大国。中国风电的未来发展要从追求速度向追求质量转变,从追求装机容量向追求风力发电量转变,这就需要建立先进的风电标准体系。

国家能源局发布的风电产业技术标准,有利于突破当前制约我国风电发展的瓶颈,实现由风电大国向风电强国的转变。当前我国风电发展迅猛,但技术标准体系相对滞后,根据我国本土风电特点制定相应的技术标准,有利于淘汰落后产能,杜绝低水平重复建设,保障行业健康发展。

华锐风电参与制定的NB/T 31017-2011《双馈风力发电机组主控制系统技术规范》和NB/T 31018-2011《风力发电机组电动变桨控制系统技术规范》两项行业标准,为支持国内企业在消化吸收国外先进技术的基础上实现产业化提供了重要参考依据。这两项标准结合了目前风力发电行业的现状,参考了国内外已有的经验和标准条款,是以我国自主研发技术为主拟定的比较完善的技术标准。这两项标准结合风电机组的技术性能以及相关性能测试、产品试验等方面的要求,形成了能够有效指导我国相关单位开展自主研发、设计、制造、试验、检测的标准规范,可有效地提高风力发电机组产品设计的质量,可提供准确的试验、改进和验证依据,可有效地提高我国风电机组的性能。以此两项标准为依据,能够建立全行业风电标准、检测、认证体系,推动我国风电产业的健康有序发展。

《双馈风力发电机组主控制系统技术规范》和《风力发电机组电动变桨控制系统技术规范》于2011年8月6日发布,同年11月1日实施。经过两年多的实施,这两项标准已经给产业带来的十分明显的推动效果。各大风电制造企业在这两项标准的带动下,对双馈风力发电机组的主控制系统和风力发电机组的电动变桨控制系统进行了全面的检查和升级,在国家相关部门和各风电设备制造企业的共同努力下,双馈风力发电机组的主控制系统和风力发电机组的电动变桨控制系统的质量均获得了全面的提升,这对我国风力发电设备制造产业的健康发展起到了积极的推动作用。让我们共同见证我国具有国际竞争力的风电设备制造产业体系的形成。
 
 
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