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润阳能源：从深度分析到精准改造

润阳能源技术有限公司电气首席工程师 董晓光

从宏观环境进行深入分析，最优先的是资源环境深入，风电就要优先要评估风资源，而风资源又依赖于地势。中国幅员辽阔，从地势图可以大体估算，我国陆上现有三大风区分别是：阿尔泰山脉到天山山脉的新疆管廊风区、大兴安岭到阴山山脉的坝上风区以及另外一个比较大的风区是横断山脉附近的云贵风区。

地势是风能资源的主要影响原因，风资源直接影响风场的经济价值，从而影响了风机的数量，而且地势地形还能影响风机的生存环境，不仅决定了风资源，也影响着温度和湿度情况。通俗的讲每升高1000m气温会降低7℃，而且中国四季分明，温差明显。地势不同的地区风资源以及温度、湿度都各不相同，导致机组的生存环境也不同。高温、低温、高湿、凝露、沙尘等现象，也直接造成风机塔筒内部出现相对应的柳絮、飞虫、结盐、凝露等现象。

从环境上考虑风机的适应情况，是润阳能源技改的整体思路。结合各地不同的宏观环境情况，润阳能源可以提供最优的技改方案。

 

- 环境结冰与叶片结冰机理 -

 
中国幅员辽阔，高低落差大，结冰种类多，在我国整个区域除华南区域外，都会遭受结冰损失。风力发电机因为结冰、覆冰产生的功率损失、机械故障、覆冰抛落等问题已经成为影响风力发电机安全运行的严重隐患之一。分析各个区域的结冰机理，是防冰除冰的关键。因为水有液态、气态、固态三相特征。液态可以转为固态，气态也可以直接转为固态。因此在实际风力发电机相关的结冰就会出现几种结冰类型。
 
风机在运行期间会出现以下几种结冰类型：第一种是雾凇，雾凇是指针状和雪花状的薄冰。多形成在温度为-20℃左右的云中，水滴尺寸及含水量都较小的情况下。这种积冰的密度很小，通常在200~600kg/m³之间，并且在叶片上的附着力小，比较容易清除。
 
第二种是霜凇和雪凇，霜凇是在-10℃~-15℃温度下，云中水滴尺寸较大，含水量较高的寒冷环境下将会出现高密度的不透明状白色积冰，一般密度在600—900kg/m³。也就是说霜冻积冰的附着力比较强。
 
另一种较为恶劣的种类是明冰或雨凇，明冰或雨凇结冰现象是冰光滑透明、结构坚实。水滴尺寸非常大，含水量较高，该型积冰是指部分液滴没有在撞击叶片表面瞬间结冰，而是沿着表面流动随后结冰。这种状况下积冰的密度较高，达到900kg/m³，而且与叶片的表面附着力非常强。
 
最后一种是混合冰或毛冰，由于空气中水滴尺寸大小、水滴的数量（含水量）、风速、水滴温度不断变化，天气气候的持续时间、积累速度以及叶片的速度、弦长等的不同，在发生积冰的在0℃～-20℃范围内，可能存在多种冰凇混合状态，称为毛冰。这种积冰起初很容易清除，但在叶片表面结成冰后就难于清除。
 
根据国内的地势，可以区分出各个地区可能会形成什么样的结冰类型。通过2018年1月10日的气温与湿度云图可以再做一下简单分类。结冰与相对湿度、露点共同相关。所以，温度较低露点变大，液态水滴会变小，湿度相当情况下，1、3、4区为霜凇工况；5区为雪凇工况；2区西北部为混合冰/明冰工况；2区中南部为多为明冰工况。
 
 
从微观维度深入分析，叶片表面的表面化学，主要分为化学表面的疏水与润湿，润湿是指风机叶片分子结构上会有小的“毛细血管”，水滴会流进风机叶片里形成锚固作用。疏水是指水分子有表面张力，有憎水或亲水特性，亲水特性就是水或冰侵入叶片的原因。在风力发电的防冰领域，我们不希望水汽、液滴向风机叶片润湿、附着、结冰，所以我们更希望水滴在叶片上能处疏水态。
 
叶片表面上的积冰过程，从积冰相变、冰层表面的水膜流动以及两相流动、水滴撞击、对流换热都具有明显的非稳态性，液态水含量LWC、水滴平均体积MVD、温度、来流速度/转速、攻角/变桨角度、弦长、持续时间与水膜滑动这些物理过程之间又相互影响。
 
因此，叶片除冰有三种思路，亲水疏水图层诱导除冰、叶片加热除冰、超声波憎水或加热功率除冰。
 
- 受端（电网）环境的深入挖掘 -
 
当前，中国预计每年用电量提升6%—7%左右，从2020年到2030年，中国的电量将会翻一倍。按目前的“碳达峰”“碳中和”发展规划，火电将会被限制而新能源则会大力发展，新能源的电力平衡将会显著增大。
 
从宏观环境上分析，“接受”环境一般强调的就是电网。现在润阳能源主要业务板块有低电压穿越、高电压穿越、高低或低高连锁穿越、孤岛穿越/运行、超/次同步振荡、一/二/……次调频、全景监控等。目前风机已经越来越多，不能仅是保护自己的发电系统，更不能拖累电网、不能随意脱网，且必要时支撑电网。
 
 
很多省份风光发电占比达到15%-30%，电力系统平衡的压力显著加大，对电网调度提出较大挑战；当达到30%甚至50%以上，电力系统的不仅需要调峰调频，而且需要精度更高的虚拟电厂和负荷控制。在“十四五”风光弃电大概率回升，随着储能技术革新与成本下降，电力瞬时平衡的框架升级也会越来越急迫。
 
 
针对未来的技改，要从不同的网架角度看风电的应用场景。随着装机容量越来越大，后续的限电一定会回升。发电侧、用电侧甚至配电侧都需要提升，现在东北、华北、西北等地区都在政策文件上明确规定需要具备一次调频功能。用户侧电力平衡、恒功率改为恒电压控制且需要风电亦或分散式风电需要孤岛运行及孤岛穿越技术。
 
风或电的资源决定了技改的经济规模，而生存环境决定了风机的效率规模，技改是最终的输出，那么针对技改的需要深入到数据、原理级别。
 
- 从深入挖掘到精准改造 -
 
风电机组深度改造是润阳能源的主要业务领域。例如：三大电控系统改造，其中包括主控系统改造、变流器改造、变桨系统改造。同时，润阳能源依托全国布局的生产基地、叶片工厂，承接明阳/非明阳保内保外大部件维修技改服务，包括齿轮箱维修改造、发电机维修改造、主轴维修改造、叶片维修、偏航系统维修改造等。针对软件技改有主控软件和SCADA技改等。
 
严格的工程质量和充足的技术储备是精准改造的落脚点。
 
在整个技改过程中，润阳能源采用定制化诊断挖掘技改，从业主现场了解情况，采集现场数据，再从大数据平台、客户集中控制平台以及客诉平台进行数据分析，从而制定整体的最优解决方案，并参照方案开展现场工作，形成最终结项报告。
 
技改思路主要有三点：累积数据分析是技改信息输入；器件问题总结是技改结果输出；问题原理分析是技改最终手段。设计资料的技改挖掘就是机型的重新评估，其中主要包括：机组选型评估、功率曲线评估、可利用率评估、风资源评估、微观选址评估等。其次是基于损坏器件维修结果的技改挖掘一定要落在器件的最终故障上，找到故障后进行统计型维修。
 
例如风电中的通讯故障，通信故障其实是逆变器、电动机、充电机等大功率设备对CAN的影响足以中断通讯，或者损坏CAN节点。干扰不但影响信号，更严重的会导致主板死机或者烧毁，所以接口和电源的隔离是抗干扰的第一选择。
 
隔离的主要目的是：避免地回流烧毁电路板和限制干扰的幅度，保护控制器不死机。未隔离时，两个节点的地电位不一致，导致有回流电流，产生共模信号，CAN的抗共模干扰能力是-12~7V，超过这个差值则出现错误，如果共模差超过±36V，会烧毁收发器或者电路板。
 
但隔离只是阻挡，如果干扰强度很高，比如达到2KV浪涌，隔离也会被破坏。所以要想达到更高的防护等级，必须增加防浪涌电路。风电属于恶劣电压工况所以通信回路浪涌抑制需要添加，同时CAN线提高双绞程度。
 
 
差分信号的抗干扰能力的必要条件是，CANH和CANL要很紧密地靠在一起，否则受到的干扰强度就不一样，就会导致差分信号受到干扰。通常双绞线只有33绞/米，而在强干扰场合，双绞程度要超过55绞/米才能达到较好的抗干扰效果。
 
另外线缆的芯截面积要大于0.35~0.5 mm² ，CANH对CANL的线间电容小于75 pF/m，如果采用屏蔽双绞线，CANH （或CANL） 对屏蔽层的电容小于110 pF/m。可以更好地降低线缆阻抗，从而降低干扰时抖动电压的幅度。
 
远离干扰源是最简单的抗干扰方法，如果CAN线与强电干扰源远离0.5米，干扰就基本影响不到，所以CAN线必须要和电流会剧烈变化的线缆远离。比如继电器、电磁阀、逆变器、电机驱动线等。
 
另一种方法是终端电阻抑制振铃，若双绞线末端增加一个电阻，末端信号波形明显改善，振铃消失，从而解决通讯问题。所以基于问题原理分析有变流器通信回路和变桨通信回路，同时有双绞、终端电阻、屏蔽等解决方式。
 
- 全链条的技改服务 -
 
作为明阳智慧能源集团旗下风电全生命周期价值管理与服务提供商，润阳能源深入分析环境影响，精准识别未来的趋势，给用户带来提前的价值。拥有完备的技术测试系统，风电全真模拟平台、全容量电网模拟器、变桨测试平台、环境试验室、IP防护实验等为精准服务保驾护航。
 
深度分析、精准服务、广度覆盖是润阳能源技改对技改秉持的原则，更好地为客户提供保障，创造价值。