中南大学-专题研讨-智能风电场的发展趋势及市场需求 - 图文

中南大学

专题研讨报告

智能风电场的发展趋势及市场需求

姓 名：阮向艳 学 号：094617047 攻 读 学 位：工程硕士专业学位 指 导 教 师：唐朝晖 教授 学 科 专 业：控制工程

所 在 单 位：信息科学与工程学院 日 期：2014年4月12日

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一、 课题研究背景 在过去的2、3年中，风电整机行业产能过剩，整机企业竞争残酷，没有掌握核心技术的企业纷纷倒下，具备自主创新能力整机企业在行业洗牌过程中逐渐表现出竞争优势。在2013年风电新增装机容量中，金风科技新增装机量遥遥领先，成为整机行业中一支独秀；远景能源作为一匹黑马，成功进入整机行业前五名（排名第四），跨入整机第1梯队行内。尤其是远景能源，提出了“智能风机”与“智慧风场系统”，给风电市场带来全新的冲击，越来越多的业主对此感兴趣。基于核心技术的积累，远景能源逐渐从“整机制造”转型为“整机系统方案解决”供应商（“卖产品”转型为“卖技术”、“卖服务”）。作为远景能源的核心技术亮点之一，“智慧风场系统”已成功进中标美国风电场以及龙源集团，该系统为风场规划、设计、运营维护、后期评估等整个生命周期中发挥着重要作用。2014年3月份，公司在株洲召开“南车风电产业技术路线研究及降本风机研制项目推进会”,在与远景能源的对标过程中，明确指出“智能风电场管理系统”是一项核心技术，要求做好技术、需求分析，并作出技术应对。 基于上述背景，本报告对“智能风电场系统”进行市场需求、关键技术、资源需求等进行详细分析。 二、 课题的市场发展与趋势分析 2.1. 市场发展与趋势 SCADA系统是风机产品的标配，随风机技术引进的来源不一致，SCADA系统接口及通讯各有千秋，但基本功能差不多，即实现数据采集和监控功能，生成一些基本的报表。随着风电行业的发展，不断有业主对CMS、AGC、AVC、风资源预测系统、视频和火情监控等提出安装或者预留接口提选配要求，其目的更好的管理风机运行，使风机在空旷的野外在安全运行的前提下，更多的发电，创造更多利润。根据以往的招标情况来看，AGC、AVC、CMS等目前已经成为招标的硬性要求，成为标配。但目前业主对上述系统的要求均为单个功能要求，每个整机厂家根据自身产品特点，开发接口及通讯。 而远景能源率先从业主角度出发，集技术力量与资源开发出“智慧风场系统”，并成功中标美国大西洋电力以及龙源集团、大唐风场管理系统。远景能源目前已将“智慧风场系统”作为其核心技术之一，集人力、物力推广，该系统逐渐得到业主认可。 2.2. 竞争对手产品分析 “智能风电场系统”最大的竞争对手为远景能源的“智慧风场系统”，远景能源对“智慧风场系统”描述如下： 远景全球首创基于物联网和云计算的智慧风场管理系统，革新了全球可再生能源的资产管理第 2 页 共 8 页

模式，从构建适合风电特点的管理模式出发，创造性地将行业内外最新的风电知识与管理经验固化在一系列智慧风场系统中，将风机、风电场、电网、设备厂家、运营商等通过传感器、数据传输设备以及监控中心有机的联接起来，形成一套完整的智慧风场解决方案，不但在短期内帮助企业显著提升了电量，而且在整体上提升企业的运营水平，为全球风电资产运营管理树立了新标杆。 远景智慧风场管理系统主要为客户带来如下几方面的价值： 2.2.1. 充分的电网友好性 远景智慧风场管理系统能与远景的智慧风机全面无缝集成，实现充分的电网友好。与智慧调度方案对接，实现调度的最优化，从而充分挖掘目前电源结构和送出能力下风电消纳的潜力，明显提高电网对风电的消纳能力。具体体现在3 个方面: A) 快速且准确地响应电网要求 将风电功率预测的超短期预测与风机控制系统结合，增加风电控制的提前量，控制风电发电功率骤变的速度，（如果预测到风速即将下降，就提前减少风机出力，使得风电功率变换平缓，减少对电网的冲击）；并且减少风速剧烈波动或大风停机对电网的冲击。（如果遇到即将大风停机，做到提前减少风机出力，避免突然停机给电网的冲击）当电网限电时，传统风电场采取较为保守的策略，把实际发电量控制在限电量的90%甚至更少。使用远景智慧风场，通过能量管理模块获得精准的功率输出控制，可以精准地把发电量限制在限电量的99%左右，利用电网现有的消纳能力提高发电小时数，也大大减少了由于电网限电带来的电量损失。 B) 先进的风机控制技术，增强风电对电网安全稳定的支撑能力 (1) 风机对电网电压的支撑能力。通过控制风机的无功功率，来支撑风场并网点的电压。 (2) 增强的有功功率控制能力。风机在正常的时候留有一定出力的裕量（差额控制），不仅可以减少电力系统的热备用容量，还能增强风机的有功功率控制能力，确保风机出力在需要的时候可以快速增加、减少。 (3) 有功功率变化率控制。不仅控制有功功率的上升斜率，还可以控制下降斜率。 (4) 风机频率的控制能力。通过增加或减少风机的有功出力，辅助电力系统的频率调节。 (5) 通过虚拟阻尼，使风电的并网更接近传统的同步发电机。利用风机的机械惯量，短时存储或释放部分能力，相当于增加了风电的等效阻尼。进一步通过先进的控制，可以扩大风机的等效阻尼，使得风机具有一定的频率控制能力。 C) 风场级的一体化优化控制 远景智慧风场管理系统综合风电场内风机的各项信息，能有效降低风电场内风机之间的耦合性，弱化气象扰动下风电网的动态出力响应特性；同时，融合风场内各风机的运行状态，增加后第 3 页 共 8 页

排风机控制的提前量，风机组之间组成一个队列，迎风的前排风机的运行效果，会影响后排风机的控制策略，可以提高后排风机控制的提前量。 2.2.2. 提高风电利用小时数 A) 快速响应并维修故障 通过远景智慧风场SCADA 模块，震动监测模块和资产管理模块的集成，建立起一套风机预测与预防性维护的平台，使风场快速获得预测性状态维护的能力，初步建立起具备预测、预防、定期故障维护综合能力的运维管理体系，最小化风机损失电量。通过实时连接SCADA 系统和维护管理系统，发生故障后，系统立即触发维护服务请求，以快速响应风机故障。其次，系统可以监控风机的健康状况，一旦发现可能出现的风机大部件亚健康报警，则自动触发服务请求，维护人员通过预防性维护，避免风机未来出现大的故障停机。 震动监测模块使预测性与预防性维护成为可能，通过在每台风机上安装CMS 振动监测系统，全面监测每台风机传动链健康状况，提早发现亚健康的风机设备，预测判断设备恶化趋势明显时，提前进行更换设备，避免由于突然损坏或气候限制无法更换造成的电量损失。同时，也可在故障恶化前进行处理，优化维修成本。 资产管理模块给维修人员明确的故障点分析诊断，明确的作业所需备件和工具使用指导，以及历史工单查询，从而减少因不熟悉工具、备件、检修方法导致的维修作业时间浪费，同时增加工作有效性，降低维护维修返工次数。并且尽可能的把风机检修与定位工作安排在限电或无风的时候，来降低可能的电量损失。 B) 更及时更高效地减少电量损失 基于智慧风场平台，远景能源提出一套基于能量可利用率的统一、透明的风场关键绩效指标KPI 体系。该指标体系集成了国内外业界最新的风电运营公司级与风场级四大类KPI的指标，并通过能量可利用率将四大类指标系统地结合在一起，用户可以按照风场电量损失的脉络，层层钻取报表与KPI，使风场运行分析报表的工作真正成为可以找到风场运营不足点，并加以改进，提高风场发电量的增值工作。 对能量可利用率层层钻取，四类KPI 指标在能量损失的主线下系统地层层展现，设有专门指标定量分析设备性能原因对于电量的损失，如有效风速下的平均故障时间间隔、按故障分类的电量损失、按设备分类的电量损失等；设有专门指标定量分析以及人为工作原因造成的发电量损失，比如维护时间、响应时间、工作安排合理性指数等等。找到电量损失原因之后，就可迅速采取相应的措施进行防范，来避免未来可能的设备损坏和工时浪费，提高未来的发电小时数。 第 4 页 共 8 页

2.3. 远景智慧风场管理系统其他的管理价值 除上述电网友好性的明显价值以外，通过部署远景的智慧风场软件系统，风电运营商能够快速地获取系统内固化的先进管理做法，快速提升管理能力，并能帮助实现显著的财务效益。具体来说，智慧风场软件系统的管理价值体现在以下方面： A) 有效降低风场运维成本。 首先，通过基于风机健康状况诊断的预防性维护，从而在整体上减少故障频率和维修次数，减少现场所需维护作业量；其次，根据运维数据和规律，制定更优化的安全库存，减少不必要的库存费用，而且当故障性维修的减少，会进一步减少备件的消耗和所需库存水平；再者，运用风机状态监测系统，在故障早期就发现并预警，从而消除严重故障的发生。最后，系统的远程监控能力、故障诊断能力等等都可以有效节约对现场运维人员的数量和技能的要求，从而节约相关成本。 B) 帮助客户快速提升管理能力。 这体现在两个方面，一方面系统具备实时的风电场状态把握能力，能对风场运行情况、发电量损失分析、风机的全生命周期数据和维修历史等多方面的数据进行快速、准确、全面的分析，供管理决策使用；另一方面，系统还可以自动挖掘和揭示潜在的改进机会，比如发现重复频繁发生的故障、严重影响风机寿命的故障、深度的故障根因分析、成本分析等等。龙源、大唐、中广核、河北建投等国内领先的风场开发商，已开始与远景合作。远景智慧风场管理系统从2011 年9 月在大唐集团达里5 万千瓦风电场开始实施，2012 年1 月正式上线，运用远景智慧风场资产和能源管理平台的大唐达里风电场明显提升了10%以上的发电量，为企业创造了巨大的经济效益。由于效果显著，目前已经从一个风场试点，拓展到几个区域。远景智慧风场系统技术领先，更是受到了欧洲和北美的风电场运营商的高度认可和青睐。2012 年8 月20 日，远景成功中标美国大西洋电力（Atlantic Power）在Canadian Hills(300MW)风电场的风场管理平台合同；远景能源自主研发的远景智慧风场系统，整合业内首创的风电云服务交付模式，在同IBM、傲时等国际著名软件公司的竞争中，成功赢得了这一为期十年的风电管理平台云服务合同。目前远景正在管理包括美国大西洋电力、美国Pattern 能源在内的超过5000 兆瓦的全球新能源资产，未来将会开创一个数千亿级规模的能源管理市场。 三、 智能风电场主要研究内容 对标远景智慧风场系统， “智能风电场”至少包括以下功能： 1）风场风资源实时评估系统； 2）CMS系统； 第 5 页 共 8 页

3）远程通用监控系统； 4）风机自动诊断专家系统； 5）风场信息管理系统； 6）能量管理系统； 7）风机自适应动态控制系统； 8）视频和火情监控系统; 9) 自动消防系统。 为了便于系统的集成和智能化的实现，采用IEC61400-25和IEC61850，给各子系统提供统一的网络通讯标准，使各系统信息共享。 升压站数据IEC61850升压站监控服务器气象数据?……振动数据私有协议风机CMS服务器IEC61400-25风电厂应用系统服务器操作员站风机数据私有协议风机SCADA服务器工程师站例行巡检数据 图1 智能风电场系统信息交互 所以，智能风电场的核心是一套智能维护管理系统软件平台，它将风电机组、测风塔、升压站、远程调度中心等系统的信息集成，实现风电场的综合监控。 第 6 页 共 8 页

风电场智能维护管理系统运维评价系统KPI资产管理系统EAM风机智能故障诊断系统电气&主控系统传动系统风电机组运行数据风机SCADA系统风机CMS系统例行巡检备件管理 图2 智能风电场的架构 四、 智能风电场研发的前景 国家相继出台了一些政策如《可再生能源发展“十二五”规划》、《国务院关于取消和下放一批行政审批项目等事项的决定》、《国家能源局关于做好2013年风电并网和消纳相关工作的通知》、《可再生能源电价附加补助资金管理暂行办法》等，宏观政策上鼓励风电发展。 另外，从能源领域《2015年支撑计划》所列的研究课题：《风电机组智能控制技术研究及示范》、《大型风电场智能化运行维护系统研究及示范》、《智能风电场设计优化关键技术研究及示范》可看出，国家级相关部门已经开始支持风机智能控制及风电场智能管理系列的研制及示范，代表着技术前沿与发展趋势。 完成“智能风电场系统”研发后，至少可带来如下经济效益： （2） 该系统作为一项新的核心特色技术，为公司新产品配套，增加公司产品的品牌价值和市场竞争力，能让公司与拥有与其它企业抗衡的资本； （2）该系统兼容其他风机产品，可对外单独销售，每个风场配备一套系统，价格约为200万/套（初步估计）。 第 7 页 共 8 页

一、 指导教师意见 签字： 日期： 二、 科研所（系、科室）审查意见 负责人签字： （单位盖章）日期： 三、 所在二级单位意见 负责人签字： （单位盖章）日期：

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