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电网电流防雷海上风电场将成主流趋势 并网瓶颈呼求智能电网

在可再生能源发电领域,风力发电一直是行业的领跑者。目前中国风电装机容量已达2268万千瓦,累计发电量达516亿千瓦时。中国已经计划进一步发展风力发电,预计风力发电在2020年将至少达到1.5亿千瓦的装机容量,争取在2030年和2050年实现3亿和5亿千瓦,届时风力发电将在发电总量中占10%和20%以上。

欧洲是全球风力发电的主场。即使在金融危机的重灾区欧洲在2009年也增加了577兆瓦风力发电能力,较2008年373兆瓦增加了54%。据欧洲风能协会预计,2010年欧洲将建成10个海上风电场,增加10亿瓦,相当于比2009年的装机容量增加75%。

借助自然界的风力推动涡轮机产生电能的发电方式不污染空气,可以称得上是一种清洁能源。和其它清洁能源相比,风电是目前应用最广的再生能源,在欧洲各国已经广泛投入了使用。

海上风电场将是主流趋势

从风电上网的价格来看,也比其它新能源低廉。一般火电上网的价格约在0.3元/千瓦时左右,而风电上网价在0.51元/千瓦时~0.61元/千瓦时,比太阳能发电更接近传统电价。平易近人的价格也是风电获得各国政府大力推动的原因。目前,一个风电场的投资成本折算到每千瓦造价约为8000元/千瓦左右,在风电场投资总成本中占据70%~75%的风电机组每千瓦价格成本从2007年以来一路下滑(2007年初:6700元/千瓦;2008年:6300元左右平均;2009年底:5000元/千瓦),平均每个月就有100元/千瓦左右的降幅。

ADI技术业务经理张松刚表示,未来随着风力发电技术的改进,风力发电机组将越来越便宜和高效。随着风力发电机组的单机容量增加,同样的装机容量需要更少数目的机组,这样就减少了基础设施的投入费用,进而节约了风力发电的成本。

在各种新能源中,风力发电的技术相对成熟,产业化程度较高。嘉兴斯达半导体有限公司副总裁许浩平说,风力发电塔架的高度将不断增加。增加风电塔的高度可以捕获更多风力资源从而提高发电量,而增加风电塔高度的费用要比大容量风力发电机的花费便宜。伴随塔架增高的是风力涡轮机桨叶的长度也不断增长。“更强捕捉风能的能力对于桨叶材料的要求也越来越高。”许浩平补充说道。

围绕风力发电的最大争议在于风力发电场占地面积对于土地金贵的城市来说是不可接受的,因此出现了大部分风力发电场建造在人烟稀少的西北地区。但人口密集的沿海城市才是消耗能源的大户,风电场远离电力负荷中心,给风电的传输、接入电网构成一定的障碍。而海上风电开发不仅靠近沿海城市,风力资源优于内陆,而且不占用土地资源。

张松刚表示,海上风力发电悄然兴起,并将成为重要的能源形式。在上海世博会期间,上海东海大桥海上风电场已经顺利并网投入使用。

“风力发电场正从内陆及大陆沿海逐步往海上发展,目前海上风电场已成为全球发展风电的热点。”许浩平指出,“这主要是因为海上风力资源丰富,更大单机容量机组的安装比陆上更容易实现。”

智能动态控制风电系统

尽管世界各地都如火如荼地展开风力发电场的建设,但是风力发电是低密度能源,具有不稳定性和随机性的特点,使风力发电设计面临诸多挑战。

“风能的利用最终取决于与电网并网的实现,而实现并网最主要的要求就是输出频率、电压和相位要保持与电网一致,”许浩平解释,这一要求在恒定的风速和风力下是比较容易实现的,但现实是风速和风力都在不断变化,因此如何将多变的风力电能转换成稳定的电能是风力发电系统的关键环节。“风电早期均采用变桨距和变速箱等技术来实现,但现今主流技术主要以智能控制技术为主。”

ADI Processor-DS亚洲业务区域经理陆磊认为,风力发电的主要挑战来自风电系统动态控制。由于风无时无刻不在变化,为了最大限度的利用风能,提高风力发电的效率,必须要对风力发电系统进行实时的控制。

陆磊说:“对于发电系统,大多数系统设计的任务是执行实时控制算法,因此大多数的控制系统采用了高性能的处理器或DSP,其中所用的DSP要能够满足一系列需求。”

他表示,ADI的浮点处理器特别适合用于应对风电控制算法的复杂性。其中SHARC浮点处理器作为核心算法处理器为业界提供了一种可行的解决方案,来满足设计风力发电系统的所有关键需求。除了能解决上述的挑战,SHARC处理器还使开发人员可以用一种非常灵活的方式将内部存储器分为数据和程序存储器,使应用程序能适应未来需求的变化而无需改动硬件。

此外,他还提到,对必须在100微秒或更少时间内执行的实时处理运算而言,速度也是一个关键因素。另外,风电系统的必要条件是充足的处理器内存,以避免造成处理延迟的等待状态。“此外,内部存储器可减少外部器件的数量,能最大限度地减少电路板设计中的EMI问题。”陆磊强调。

此外,张松刚还提到成本和价格因素也是阻碍风力发电增长的主要原因之一。“风电开发最大的瓶颈之一就是一次性投入巨大,单位成本较火电、水电高。”此外,长期维护也是一个不小的负担。张松刚指出,风力发电在实际开发过程里还受其它一些因素的制约,如风电场建设须综合考虑交通、地质、环境保护、与电网的连接条件等因素等。

智能电网有望打破风电瓶颈

风力发电对改善能源结构、提高多种复合能源的利用率起到了关键作用,但风力发电,特别是大规模的风力发电一旦实现并网运行将会给传统电网带来很大影响。

风电本身是一个间歇性不可控的能源,并入传统电网之后,整个能源系统都要进行相应的调整。随着风电单机容量的提升,发电峰谷差也逐渐加大,给发电调度和电网安全造成更大的冲击。

张松刚分析,首先由于风力发电的原动力不可控,发电输出的电能具有波动性和间歇性,当风力发电并网规模达到一定程度是将会改变电网的潮流分布,传统电网的潮流控制将发生重大改变,会直接影响电网的稳定性。其次,由于风力发电的不确定性,所带来的风能功率的波动性而使得电网电能质量的下降。

“风力发电与太阳能发电一样也会有孤岛效应,采用传统的电网保护及测控设备都无法满足要求,需要更新型的电网保护及控制设备;风力发电也需要更多的储能设备加入电网。”张松刚强调,传统电网很难满足大规模风力发电的并网接入,发展智能电网将是非常迫切的。

风力发电并网难的困境,导致大部分的风力发电设施在夜间风力发电高峰期停运,传统电网缺少消化和输送能力白白浪费了大量能源。风力发电场占用土地资源广,因此目前中国大部分风电场建造在偏远地区。许浩平指出,风电场所处地区配电网较落后,给风电并网造成一定困难。

而智能电网可以有效地优化电网调度、合理配置电源输送、增强电网抗故障能力,因此智能电网被视为打破风电瓶颈的突破口。

显然,智能电网比传统电网具有更强大的兼容性,为风电的发送、调配铺平了道路。张松刚指出,智能电网会增加更多的储能环节、更合理的分配能源消耗与调节电能流向、更多的引入电力电子装置区改善电能质量、根据不同的用户需求更好的调节供需双方的电能平衡、高智能及网络化的保护与控制设备的逐步推广使用等诸多方面缓解风力发电并网所带来的问题,并提高绿色能源在整个电网的利用率。

许浩平认为,在未来的几年中智能电网在标准化、自动化和互动化方面还需加强,使其真正成为一个电力行业中的互联网。

风电场防雷解决方案

雷一般可分为直击雷和感应雷,直击雷能量太大,一般只有大地才能够承接,因此一般只能用引雷针来保护暴露在野外的电子设备。对风电场来说,尽管风塔采用金属外壳,但为安全起见,最好还是要用引雷针或避雷针。

目前业内能提供引雷针的供应商主要有爱丽达、杜尔梅森和深圳雷晟,雷晟除了拥有自己品牌的引雷针以外,还代理前面两家的引雷针产品。

风电场的机房防雷方案与基站大致相同,主要防雷目标是可能会受到从电源线过来的感应雷影响的电子设备,如逆变器。这一般采用由MOV(压敏电阻)和GDT(气体放电管)构成的组合防雷方案。目前业内主要的MOV供应商有Littelfuse、TDK-EPC、泰科电子、合肥宇潜电气科技,GDT供应商主要有泰科电子、TDK-EPC、DEHN、OBO、深圳槟城电子,深圳天顺和雷晟都是DEHN防雷器的代理商。

不管是保护交流110V/220V开关电源还是48V直流开关电源,传统的防雷解决方法是:第一级防雷采用GDT,第二级防雷采用MOV。

MOV为业界广泛采用的主要原因是有耐冲击电流大、响应时间快和成本低的优点,但众所周知,MOV存在技术上至今无法突破的瓶颈,MOV在未受冲击前,具有较好的绝缘阻抗,即漏电流很低;但当遭受感应雷的冲击后,压敏电阻会劣化,导致绝缘阻抗下降,漏电流加大,随着外界的冲击加剧,这种漏电流会加大导致电路板烧坏甚至短路起火。

目前业界采用了二种方法来解决这一问题,一是将压敏电阻封壳,但这是一个治标不治本的方法,二是串入保险丝的方法,但这一种方法会出现一个矛盾:如果为防止较小的漏电流而使用较小电流的保险丝,这时通流量也会降低,否则较大的雷击电流会烧坏小电流保险丝;如果为提高通流量而采用较大电流的保险丝,这时稍小的漏电流仍然会烧坏电路板的其它元件,甚至还会出现压敏电阻烧坏了保险丝还没有动作的情况。

陶瓷GDT虽然反应速度较MOV慢,但它是一种开关器件,遭雷击时可快速泄放大电流,但它在遭雷击后的导通压降很低,一般只有10V左右,若直接与MOV并接在待保护电路的两端,陶瓷GDT会一直处于导通状态,也即存在业界所讲的续流问题。

为了解决GDT的续流和MOV的漏电流问题,目前业内在交流开关电源上采用的方法是:第一级GDT再串接一个MOV,第二级采用两个MOV串接,再在其中间接一个GDT到地,这样不仅解决了第二级MOV遭雷击时的电流泄放问题,而且有效解决了第一级的GDT续流和MOV漏流问题。

如果是48V直流开关电源,防雷解决方案还可以再简化,第一级仍旧可采用GDT串接MOV的方法,第二级可采用一个MOV进一步降低雷击尖峰电压,但也可采用一个TVS二极管来替代。

如果能有效提高GDT的导通电压,那么就不需再采用钳位型MOV,也就是说可以拿掉第一级体积很大的MOV。幸运的是,最近深圳槟城电子率先在业内做到了这一点。它们从技术上突破了这一问题的瓶颈,开发出了命名为BH601的无续流陶瓷气体放电管,它将导通电压值提高到60V以上,从而可以直接用在48V直流电源的防雷防护上。

与传统的压敏电阻方案相比,BH601不仅从根本上解决了漏流的问题,而且陶瓷GDT的结构特点也决定了其在通流等级上可以轻松实现。BH601最大耐冲击电流高达20KA,绝缘电阻超过1G欧姆,响应时间小于200ns,而且尺寸仅有8.3×24.8mm。

槟城电子FAE主管叶毓明说:“BH601是目前业内第一款真正的无续流GDT,而且现已通过了华为严格的实验室测试。”

槟城电子是深圳一家专攻SMD陶瓷GDT的民营企业,目前主要有三个系列的产品。第一是BS系列小型化SMD GDT,最大耐冲击电流达到500A,最小尺寸已做到1206。叶毓明表示:“1206是目前业内做到的最小尺寸SMD GDT,该系列GDT的每月出货量目前已达到2-3KK。”

第二是BS系列半导体放电管TSS,今年7月底一条新的封装线进入量产,目前每月出货量在4KK以上。第三是BV系列瞬态抑制二极管TVS。

目前槟城电子的产品质量和性能已相当接近TDK-EPC。例如,TDK-EPC的GDT最高性能为:最大耐冲击电流100KA,冲击击穿电压为5.5KV,绝缘电阻为1G欧姆,寄生电容为0.5pF;槟城电子GDT的最高性能为:最大耐冲击电流20KA,冲击击穿电压7.5KV,绝缘电阻大于1G欧姆,寄生电容小于0.6pF。

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