編者語：在風機主要部件已基本實現國內配套的情況之下，控制系統自主配套能力仍然較弱，仍是風電設備制造業中最薄弱的環節，本文對造成這一現象的原因進行了分析，提出了控制系統下一步還要解決的主要技術問題。

  我國風電行業目前的形勢
 
   2005 年以來，我國風電裝機以年均 100% 的速度快速發展，到 2008 年底，我國風電總裝機容量達到了 1215 萬 KW，占世界風電總裝機容量的 10% 左右，這是一個相當驚人的增長。目前，從裝機容量來看，我國已成為亞洲第一、世界第四、風電裝機容量超 1000 萬 KW 的風電大國。排在前三位的依次是美國、德國和西班牙，其裝機容量分別為 2517 萬、2390 萬和 1675 萬 KW。

   需求的快速增長也帶動了我國風電設備制造業的快速發展。

   2004 年，我國風機整機制造企業僅 6 家，目前明確進入風機整機制造的企業已超過 70 家，另外還有一些公司正在開展進入風機整機制造的前期準備工作，呈現出“你未唱罷我登場，百家風企競風流”這樣一個喜憂參半的格局。喜的是經過這些年的發展，內資和合資企業的生產規模不斷擴大、技術能力不斷增強、市場占有率上升很快。2004 年，內（合）資企業和外資企業占當年風電新增裝機的比例分別為 25% 和 75%，而到 2008 年這一比例正好顛倒了過來，內（合）資企業已經在風電市場上占據絕對主導地位。至于這些整機制造廠家帶動的零部件生產企業究竟有多少，更是一個無法準確統計的數字。這些風機整機制造企業及零部件企業的發展壯大，有力地促進了我國風電制造業技術水平和生產規模的提高。憂的是這 70 余家風機企業的技術水平、生產規模、服務能力參差不齊，真正形成規模、比較有競爭能力的還只有寥寥幾家，大多數企業對于未來面臨的巨大風險都估計不足，這是我國目前風電設備制造業存在的一個突出問題。

   從未來的發展形勢來看，風電產業至少將有十多年的黃金發展期。從世界范圍來看，美國、德國等工業發達國家為解決能源短缺和環境污染問題，都將大規模發展風力發電作為主要解決方案。在我國，情況也是如此。2008 年底，1215 萬 KW 的風電裝機容量占我國電力總裝機容量的比例還僅為 1.5%，預計到 2020 年這一比例將達到 10% 左右，即到 2020 年風電裝機容量將達到 1.4 億 KW 這樣的水平，這是十分可觀的數字。這表明，從宏觀形勢來看，風電行業大發展的高潮確實已經到來。

   風機控制系統的發展現狀

   風機的控制系統是風機的重要組成部分，它承擔著風機監控、自動調節、實現最大風能捕獲以及保證良好的電網兼容性等重要任務，它主要由監控系統、主控系統、變槳控制系統以及變頻系統（變頻器）幾部分組成。各部分的主要功能如下：      監控系統（ SCADA ）：監控系統實現對全風場風機狀況的監視與啟、停操作，它包括大型監控軟件及完善的通訊網絡。      主控系統：主控系統是風機控制系統的主體，它實現自動啟動、自動調向、自動調速、自動并網、自動解列、故障自動停機、自動電纜解繞及自動記錄與監控等重要控制、保護功能。它對外的三個主要接口系統就是監控系統、變槳控制系統以及變頻系統（變頻器），它與監控系統接口完成風機實時數據及統計數據的交換，與變槳控制系統接口完成對葉片的控制，實現最大風能捕獲以及恒速運行，與變頻系統（變頻器）接口實現對有功功率以及無功功率的自動調節。

   變槳控制系統：與主控系統配合，通過對葉片節距角的控制，實現最大風能捕獲以及恒速運行，提高了風力發電機組的運行靈活性。目前來看，變槳控制系統的葉片驅動有液壓和電氣兩種方式，電氣驅動方式中又有采用交流電機和直流電機兩種不同方案。究竟采用何種方式主要取決于制造廠家多年來形成的技術路線及傳統。

   變頻系統（變頻）器：與主控制系統接口，和發電機、電網連接，直接承擔著保證供電品質、提高功率因素，滿足電網兼容性標準等重要作用。

   從我國目前的情況來看，風機控制系統的上述各個組成部分的自主配套規模還相當不如人意，到目前為止對國外品牌的依賴仍然較大，仍是風電設備制造業中最薄弱的環節。而風機其它部件，包括葉片、齒輪箱、發電機、軸承等核心部件已基本實現國產化配套（盡管質量水平及運行狀況還不能令人滿意），之所以如此，原因主要有：

   （1）我國在這一技術領域的起步較晚，尤其是對兆瓦級以上大功率機組變速恒頻控制技術的研究，更是最近幾年的事情，這比風機技術先進國家要落后 20 年時間。前已述及，我國風電制造產業是從 2005 年開始的最近四年才得到快速發展的，國內主要風機制造廠家為了快速搶占市場，都致力于擴大生產規模，無力對控制系統這樣的技術含量較高的產品進行自主開發，因此多直接從 MITA、Windtec 等國外公司采購產品或引進技術。

   （2）就風機控制系統本身的要求來看，確有它的特殊性和復雜性。從硬件來講，風機控制系統隨風機一起安裝在接近自然的環境中，工作有較大振動、大范圍的溫度變化、強電磁干擾這樣的復雜條件下，因此其硬件要求比一般系統要高得多。從軟件來講，風機要實現完全的自動控制，必須有一套與之相適應的完善的控制軟件。主控系統、變槳系統和變頻器需要協同工作才能實現在較低風速下的最大風能捕獲、在中等風速下的定轉速以及在較大風速下的恒頻、恒功運行，這需要在這幾大部件中有一套先進、復雜的控制算法。國內企業要完全自主掌握確實需要一定時間。

   （3）風機控制系統是與風機特性高度結合的系統，包括主控、變槳和變頻器在內的控制軟件不僅算法復雜，而且其各項參數的設定與風機本身聯系緊密，風機控制系統的任務不僅僅是實現對風機的高度自動化監控以及向電網供電，而且還必須通過合適的控制實現風能捕獲的最大化和載荷的最小化，一般的自動化企業即使能研制出樣機，也很難得到驗證，推廣就更加困難。而中小規模的風機制造商又無力進行這樣的開發。

   即便如此，國內企業通過這幾年的努力，已經在控制系統主要部件的開發上取得了積極進展，已基本形成了自主的技術開發能力，所欠缺的主要是產品的大規模投運業績以及

   技術和經驗積累。比如，作為風機控制系統中技術含量最高的主控系統和變頻器，國內企業在自主開發上已取得重要進展。東方自控經過幾年的努力，已成功開發出DWS5000風機控制系統，并已完成各種測試及風機運行驗證，實現了規模化生產，基本形成了自主開發能力。科諾偉業也研制出了兆瓦級機組的控制系統。在變頻器方面，東方自控、合肥陽光、清能華福、科諾偉業等一批企業也異軍突起，開發出了大功率雙饋及直驅機型的變頻器，產品已有小批量在風場投運，呈獻出可喜的發展勢頭。

   隨著國內企業所開發風機容量越來越大，風機控制技術必須不斷發展才能滿足這一要求，如葉片的驅動和控制技術、如更大容量的變頻器開發，都是必須不斷解決的新的課題，這里不進行詳細闡述。當前，由于風力發電機組在我國電網中所占比例越來越大，風力發電方式的電網兼容性較差的問題也逐漸暴露出來，同時用戶對不同風場、不同型號風機之間的聯網要求也越來越高，這也對風機控制系統提出了新的任務。

   （1）采用統一和開放的協議以實現不同風場、不同廠家和型號的風機之間的方便互聯。目前，風機投資用戶和電網調度中心對廣布于不同地域的風場之間的聯網要求越來越迫切，雖然各個風機制造廠家都提供了一定的手段實現風機互連，但是由于采用的方案不同，不同廠家的風機進行互聯時還是會有很多問題存在，實施起來難度較大。因此，實現不同風機之間的方便互聯是一個亟待解決的重要課題。

   （2）需要進一步提高低電壓穿越運行能力（ LVRT ）。風力發電機組，尤其是雙饋型風機，抵抗電網電壓跌落的能力本身較差。當發生電網電壓跌落時，從前的做法是讓風機從電網切出。當風機在電網中所占比例較小時，這種做法對電網的影響還可以忽略不計。但是，隨著在網運行風機的數量越來越大，尤其是在風力發電集中的地區，如國家規劃建設的六個千萬千瓦風電基地，這種做法會對電網造成嚴重影響，甚至可能進一步擴大事故。歐洲很多國家，如德國、西班牙、丹麥等國家，早就出臺了相關標準，要求在這種情況下風機能保持在網運行以支撐電網。風機具有的這種能力稱為低電壓穿越運行能力（LVRT），有的國家甚至要求當電網電壓跌落至零時還能保持在網運行。我國也于今年 8 月由國家電網公司出臺了《風電場接入電網技術規定》，其中規定了我國自己的低電壓穿越技術要求，明確要求風電機組在并網點電壓跌落至 20% 額定電壓時能夠保持并網運行 625 ms、當跌落發生 3 s 內能夠恢復到額定電壓的 90% 時，風電機組保持并網運行的低電壓穿越運行要求。應該說，這還只是一個初步的、相對較低的運行要求。在今后可能還會出臺更為嚴格的上網限制措施。這些要求的實現，主要靠控制系統中變頻器算法及結構的改善，當然和主控和變槳系統也有密切聯系。
 
   （3）實現在功率預估條件下的風電場有功及無功功率自動控制。目前，風電機組都是運行在不調節的方式，也就是說，有多少風、發多少電，這在風電所占比例較小的情況下也沒有多大問題。但是，隨著風電上網電量的大幅度增加，在用電低谷段往往是風機出力最大的時段，造成電網調峰異常困難，電網頻率、電壓均易出現較大波動。當前，電網對這一問題已相當重視，要求開展建設風電場功率預測系統和風電出力自動控制系統，實現在功率預測基礎上的有功功率和無功功率控制能力。事際上，這個系統的建設不是一件容易的事情，涉及到很多方面的技術問題。但是，無論如何說，序幕已經拉開。

   發展展望 

   從上面的敘述中可以看出，控制系統作為風電機組中最關鍵的核心零部件，目前仍是國內風電設備制造業中最薄弱的環節，也是國內目前唯一沒有實現批量國產化的部件，其主要原因在第二部分中已經分析過。但是，我們也看到，以東方自控為代表的國內一些企業，已經在包括變頻器在內的控制系統的自主研發方面邁出了重要的步伐，取得了很多成果。因此，預計再經過兩到三年時間，將可實現風機控制系統的全面國產化配套，并具備如海上風機等更大型風電機組控制系統的自主研發能力，這樣，風機國產化的最后一個瓶頸也將被突破。同時，借此一角，也呼吁國內的風機用戶樹立對國產控制系統的使用信心，支持國產化事業的發展。同時，國內企業在服務支持及備件供應方面畢竟有較大的優勢，從長遠來看，一定會給風電企業帶來良好的回報。

　　作者簡介： 陳建國 （ 1970 -  ）

   男，四川廣元人，1992 年畢業于浙江大學，同年至東方汽輪機廠工作，先后從事蒸汽輪機及燃氣輪機控制系統的開發與調試。目前擔任東方電氣自控公司副總經理，負責風機控制系統的國產化開發工作。