海上風(fēng)電場將成主流趨勢，并網(wǎng)瓶頸呼求智能電網(wǎng)

在可再生能源發(fā)電領(lǐng)域，風(fēng)力發(fā)電一直是行業(yè)的領(lǐng)跑者。目前中國風(fēng)電裝機容量已達2268萬千瓦，累計發(fā)電量達516億千瓦時。中國已經(jīng)計劃進一步發(fā)展風(fēng)力發(fā)電，預(yù)計風(fēng)力發(fā)電在2020年將至少達到1.5億千瓦的裝機容量，爭取在2030年和2050年實現(xiàn)3億和5億千瓦，屆時風(fēng)力發(fā)電將在發(fā)電總量中占10%和20%以上。

歐洲是全球風(fēng)力發(fā)電的主場。即使在金融危機的重災(zāi)區(qū)歐洲在2009年也增加了577兆瓦風(fēng)力發(fā)電能力，較2008年373兆瓦增加了54%。據(jù)歐洲風(fēng)能協(xié)會預(yù)計，2010年歐洲將建成10個海上風(fēng)電場，增加10億瓦，相當于比2009年的裝機容量增加75%。

借助自然界的風(fēng)力推動渦輪機產(chǎn)生電能的發(fā)電方式不污染空氣，可以稱得上是一種清潔能源。和其它清潔能源相比，風(fēng)電是目前應(yīng)用最廣的再生能源，在歐洲各國已經(jīng)廣泛投入了使用。

海上風(fēng)電場將是主流趨勢

從風(fēng)電上網(wǎng)的價格來看，也比其它新能源低廉。一般火電上網(wǎng)的價格約在0.3元/千瓦時左右，而風(fēng)電上網(wǎng)價在0.51元/千瓦時~0.61元/千瓦時，比太陽能發(fā)電更接近傳統(tǒng)電價。平易近人的價格也是風(fēng)電獲得各國政府大力推動的原因。目前，一個風(fēng)電場的投資成本折算到每千瓦造價約為8000元/千瓦左右，在風(fēng)電場投資總成本中占據(jù)70%~75%的風(fēng)電機組每千瓦價格成本從2007年以來一路下滑(2007年初：6700元/千瓦；2008年：6300元左右平均；2009年底：5000元/千瓦)，平均每個月就有100元/千瓦左右的降幅。

ADI技術(shù)業(yè)務(wù)經(jīng)理張松剛表示，未來隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的改進，風(fēng)力發(fā)電機組將越來越便宜和高效。隨著風(fēng)力發(fā)電機組的單機容量增加，同樣的裝機容量需要更少數(shù)目的機組，這樣就減少了基礎(chǔ)設(shè)施的投入費用，進而節(jié)約了風(fēng)力發(fā)電的成本。

在各種新能源中，風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)相對成熟，產(chǎn)業(yè)化程度較高。嘉興斯達半導(dǎo)體有限公司副總裁許浩平說，風(fēng)力發(fā)電塔架的高度將不斷增加。增加風(fēng)電塔的高度可以捕獲更多風(fēng)力資源從而提高發(fā)電量，而增加風(fēng)電塔高度的費用要比大容量風(fēng)力發(fā)電機的花費便宜。伴隨塔架增高的是風(fēng)力渦輪機槳葉的長度也不斷增長。“更強捕捉風(fēng)能的能力對于槳葉材料的要求也越來越高。”許浩平補充說道。

圍繞風(fēng)力發(fā)電的最大爭議在于風(fēng)力發(fā)電場占地面積對于土地金貴的城市來說是不可接受的，因此出現(xiàn)了大部分風(fēng)力發(fā)電場建造在人煙稀少的西北地區(qū)。但人口密集的沿海城市才是消耗能源的大戶，風(fēng)電場遠離電力負荷中心，給風(fēng)電的傳輸、接入電網(wǎng)構(gòu)成一定的障礙。而海上風(fēng)電開發(fā)不僅靠近沿海城市，風(fēng)力資源優(yōu)于內(nèi)陸，而且不占用土地資源。

張松剛表示，海上風(fēng)力發(fā)電悄然興起，并將成為重要的能源形式。在上海世博會期間，上海東海大橋海上風(fēng)電場已經(jīng)順利并網(wǎng)投入使用。

“風(fēng)力發(fā)電場正從內(nèi)陸及大陸沿海逐步往海上發(fā)展，目前海上風(fēng)電場已成為全球發(fā)展風(fēng)電的熱點。”許浩平指出，“這主要是因為海上風(fēng)力資源豐富，更大單機容量機組的安裝比陸上更容易實現(xiàn)。”

智能動態(tài)控制風(fēng)電系統(tǒng)

盡管世界各地都如火如荼地展開風(fēng)力發(fā)電場的建設(shè)，但是風(fēng)力發(fā)電是低密度能源，具有不穩(wěn)定性和隨機性的特點，使風(fēng)力發(fā)電設(shè)計面臨諸多挑戰(zhàn)。

“風(fēng)能的利用最終取決于與電網(wǎng)并網(wǎng)的實現(xiàn)，而實現(xiàn)并網(wǎng)最主要的要求就是輸出頻率、電壓和相位要保持與電網(wǎng)一致，”許浩平解釋，這一要求在恒定的風(fēng)速和風(fēng)力下是比較容易實現(xiàn)的，但現(xiàn)實是風(fēng)速和風(fēng)力都在不斷變化，因此如何將多變的風(fēng)力電能轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的電能是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。“風(fēng)電早期均采用變槳距和變速箱等技術(shù)來實現(xiàn)，但現(xiàn)今主流技術(shù)主要以智能控制技術(shù)為主。”

ADI Processor-DS亞洲業(yè)務(wù)區(qū)域經(jīng)理陸磊認為，風(fēng)力發(fā)電的主要挑戰(zhàn)來自風(fēng)電系統(tǒng)動態(tài)控制。由于風(fēng)無時無刻不在變化，為了最大限度的利用風(fēng)能，提高風(fēng)力發(fā)電的效率，必須要對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進行實時的控制。

陸磊說：“對于發(fā)電系統(tǒng)，大多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計的任務(wù)是執(zhí)行實時控制算法，因此大多數(shù)的控制系統(tǒng)采用了高性能的處理器或DSP，其中所用的DSP要能夠滿足一系列需求。”

他表示，ADI的浮點處理器特別適合用于應(yīng)對風(fēng)電控制算法的復(fù)雜性。其中SHARC浮點處理器作為核心算法處理器為業(yè)界提供了一種可行的解決方案，來滿足設(shè)計風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的所有關(guān)鍵需求。除了能解決上述的挑戰(zhàn)，SHARC處理器還使開發(fā)人員可以用一種非常靈活的方式將內(nèi)部存儲器分為數(shù)據(jù)和程序存儲器，使應(yīng)用程序能適應(yīng)未來需求的變化而無需改動硬件。

此外，他還提到，對必須在100微秒或更少時間內(nèi)執(zhí)行的實時處理運算而言，速度也是一個關(guān)鍵因素。另外，風(fēng)電系統(tǒng)的必要條件是充足的處理器內(nèi)存，以避免造成處理延遲的等待狀態(tài)。“此外，內(nèi)部存儲器可減少外部器件的數(shù)量，能最大限度地減少電路板設(shè)計中的EMI問題。”陸磊強調(diào)。

此外，張松剛還提到成本和價格因素也是阻礙風(fēng)力發(fā)電增長的主要原因之一。“風(fēng)電開發(fā)最大的瓶頸之一就是一次性投入巨大，單位成本較火電、水電高。”此外，長期維護也是一個不小的負擔(dān)。張松剛指出，風(fēng)力發(fā)電在實際開發(fā)過程里還受其它一些因素的制約，如風(fēng)電場建設(shè)須綜合考慮交通、地質(zhì)、環(huán)境保護、與電網(wǎng)的連接條件等因素等。

智能電網(wǎng)有望打破風(fēng)電瓶頸

風(fēng)力發(fā)電對改善能源結(jié)構(gòu)、提高多種復(fù)合能源的利用率起到了關(guān)鍵作用，但風(fēng)力發(fā)電，特別是大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電一旦實現(xiàn)并網(wǎng)運行將會給傳統(tǒng)電網(wǎng)帶來很大影響。

風(fēng)電本身是一個間歇性不可控的能源，并入傳統(tǒng)電網(wǎng)之后，整個能源系統(tǒng)都要進行相應(yīng)的調(diào)整。隨著風(fēng)電單機容量的提升，發(fā)電峰谷差也逐漸加大，給發(fā)電調(diào)度和電網(wǎng)安全造成更大的沖擊。

張松剛分析，首先由于風(fēng)力發(fā)電的原動力不可控，發(fā)電輸出的電能具有波動性和間歇性，當風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)規(guī)模達到一定程度是將會改變電網(wǎng)的潮流分布，傳統(tǒng)電網(wǎng)的潮流控制將發(fā)生重大改變，會直接影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性。其次，由于風(fēng)力發(fā)電的不確定性，所帶來的風(fēng)能功率的波動性而使得電網(wǎng)電能質(zhì)量的下降。

“風(fēng)力發(fā)電與太陽能發(fā)電一樣也會有孤島效應(yīng)，采用傳統(tǒng)的電網(wǎng)保護及測控設(shè)備都無法滿足要求，需要更新型的電網(wǎng)保護及控制設(shè)備；風(fēng)力發(fā)電也需要更多的儲能設(shè)備加入電網(wǎng)。”張松剛強調(diào)，傳統(tǒng)電網(wǎng)很難滿足大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電的并網(wǎng)接入，發(fā)展智能電網(wǎng)將是非常迫切的。

風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)難的困境，導(dǎo)致大部分的風(fēng)力發(fā)電設(shè)施在夜間風(fēng)力發(fā)電高峰期停運，傳統(tǒng)電網(wǎng)缺少消化和輸送能力白白浪費了大量能源。風(fēng)力發(fā)電場占用土地資源廣，因此目前中國大部分風(fēng)電場建造在偏遠地區(qū)。許浩平指出，風(fēng)電場所處地區(qū)配電網(wǎng)較落后，給風(fēng)電并網(wǎng)造成一定困難。

而智能電網(wǎng)可以有效地優(yōu)化電網(wǎng)調(diào)度、合理配置電源輸送、增強電網(wǎng)抗故障能力，因此智能電網(wǎng)被視為打破風(fēng)電瓶頸的突破口。

顯然，智能電網(wǎng)比傳統(tǒng)電網(wǎng)具有更強大的兼容性，為風(fēng)電的發(fā)送、調(diào)配鋪平了道路。張松剛指出，智能電網(wǎng)會增加更多的儲能環(huán)節(jié)、更合理的分配能源消耗與調(diào)節(jié)電能流向、更多的引入電力電子裝置區(qū)改善電能質(zhì)量、根據(jù)不同的用戶需求更好的調(diào)節(jié)供需雙方的電能平衡、高智能及網(wǎng)絡(luò)化的保護與控制設(shè)備的逐步推廣使用等諸多方面緩解風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)所帶來的問題，并提高綠色能源在整個電網(wǎng)的利用率。

許浩平認為，在未來的幾年中智能電網(wǎng)在標準化、自動化和互動化方面還需加強，使其真正成為一個電力行業(yè)中的互聯(lián)網(wǎng)。

風(fēng)電場防雷解決方案

雷一般可分為直擊雷和感應(yīng)雷，直擊雷能量太大，一般只有大地才能夠承接，因此一般只能用引雷針來保護暴露在野外的電子設(shè)備。對風(fēng)電場來說，盡管風(fēng)塔采用金屬外殼，但為安全起見，最好還是要用引雷針或避雷針。

目前業(yè)內(nèi)能提供引雷針的供應(yīng)商主要有愛麗達、杜爾梅森和深圳雷晟，雷晟除了擁有自己品牌的引雷針以外，還代理前面兩家的引雷針產(chǎn)品。

風(fēng)電場的機房防雷方案與基站大致相同，主要防雷目標是可能會受到從電源線過來的感應(yīng)雷影響的電子設(shè)備，如逆變器。這一般采用由MOV(壓敏電阻)和GDT(氣體放電管)構(gòu)成的組合防雷方案。目前業(yè)內(nèi)主要的MOV供應(yīng)商有Littelfuse、TDK-EPC、泰科電子、合肥宇潛電氣科技，GDT供應(yīng)商主要有泰科電子、TDK-EPC、DEHN、OBO、深圳檳城電子，深圳天順和雷晟都是DEHN防雷器的代理商。

不管是保護交流110V/220V開關(guān)電源還是48V直流開關(guān)電源，傳統(tǒng)的防雷解決方法是：第一級防雷采用GDT，第二級防雷采用MOV。

MOV為業(yè)界廣泛采用的主要原因是有耐沖擊電流大、響應(yīng)時間快和成本低的優(yōu)點，但眾所周知，MOV存在技術(shù)上至今無法突破的瓶頸，MOV在未受沖擊前，具有較好的絕緣阻抗，即漏電流很低；但當遭受感應(yīng)雷的沖擊后，壓敏電阻會劣化，導(dǎo)致絕緣阻抗下降，漏電流加大，隨著外界的沖擊加劇，這種漏電流會加大導(dǎo)致電路板燒壞甚至短路起火。

目前業(yè)界采用了二種方法來解決這一問題，一是將壓敏電阻封殼，但這是一個治標不治本的方法，二是串入保險絲的方法，但這一種方法會出現(xiàn)一個矛盾：如果為防止較小的漏電流而使用較小電流的保險絲，這時通流量也會降低，否則較大的雷擊電流會燒壞小電流保險絲；如果為提高通流量而采用較大電流的保險絲，這時稍小的漏電流仍然會燒壞電路板的其它元件，甚至還會出現(xiàn)壓敏電阻燒壞了保險絲還沒有動作的情況。

陶瓷GDT雖然反應(yīng)速度較MOV慢，但它是一種開關(guān)器件，遭雷擊時可快速泄放大電流，但它在遭雷擊后的導(dǎo)通壓降很低，一般只有10V左右，若直接與MOV并接在待保護電路的兩端，陶瓷GDT會一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，也即存在業(yè)界所講的續(xù)流問題。

為了解決GDT的續(xù)流和MOV的漏電流問題，目前業(yè)內(nèi)在交流開關(guān)電源上采用的方法是：第一級GDT再串接一個MOV，第二級采用兩個MOV串接，再在其中間接一個GDT到地，這樣不僅解決了第二級MOV遭雷擊時的電流泄放問題，而且有效解決了第一級的GDT續(xù)流和MOV漏流問題。

如果是48V直流開關(guān)電源，防雷解決方案還可以再簡化，第一級仍舊可采用GDT串接MOV的方法，第二級可采用一個MOV進一步降低雷擊尖峰電壓，但也可采用一個TVS二極管來替代。

如果能有效提高GDT的導(dǎo)通電壓，那么就不需再采用鉗位型MOV，也就是說可以拿掉第一級體積很大的MOV。幸運的是，最近深圳檳城電子率先在業(yè)內(nèi)做到了這一點。它們從技術(shù)上突破了這一問題的瓶頸，開發(fā)出了命名為BH601的無續(xù)流陶瓷氣體放電管，它將導(dǎo)通電壓值提高到60V以上，從而可以直接用在48V直流電源的防雷防護上。

與傳統(tǒng)的壓敏電阻方案相比，BH601不僅從根本上解決了漏流的問題，而且陶瓷GDT的結(jié)構(gòu)特點也決定了其在通流等級上可以輕松實現(xiàn)。BH601最大耐沖擊電流高達20KA，絕緣電阻超過1G歐姆，響應(yīng)時間小于200ns，而且尺寸僅有8.3×24.8mm。

檳城電子FAE主管葉毓明說：“BH601是目前業(yè)內(nèi)第一款真正的無續(xù)流GDT，而且現(xiàn)已通過了華為嚴格的實驗室測試。”

檳城電子是深圳一家專攻SMD陶瓷GDT的民營企業(yè)，目前主要有三個系列的產(chǎn)品。第一是BS系列小型化SMD GDT，最大耐沖擊電流達到500A，最小尺寸已做到1206。葉毓明表示：“1206是目前業(yè)內(nèi)做到的最小尺寸SMD GDT，該系列GDT的每月出貨量目前已達到2-3KK。”

第二是BS系列半導(dǎo)體放電管TSS，今年7月底一條新的封裝線進入量產(chǎn)，目前每月出貨量在4KK以上。第三是BV系列瞬態(tài)抑制二極管TVS。

目前檳城電子的產(chǎn)品質(zhì)量和性能已相當接近TDK-EPC。例如，TDK-EPC的GDT最高性能為：最大耐沖擊電流100KA，沖擊擊穿電壓為5.5KV，絕緣電阻為1G歐姆，寄生電容為0.5pF；檳城電子GDT的最高性能為：最大耐沖擊電流20KA，沖擊擊穿電壓7.5KV，絕緣電阻大于1G歐姆，寄生電容小于0.6pF。