風(fēng)光發(fā)電布局再加速，狀態(tài)檢測(cè)+電池管理如何助力新型電力系統(tǒng)平穩(wěn)過(guò)渡？

為應(yīng)對(duì)溫室氣體排放帶來(lái)的氣候變化問(wèn)題，能源正朝著清潔化和綠色化發(fā)展。近日，國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局等九部門(mén)聯(lián)合印發(fā)《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》，明確到2025年，可再生能源年發(fā)電量達(dá)到3.3萬(wàn)億千瓦時(shí)左右?！笆奈濉逼陂g，可再生能源發(fā)電量增量在全社會(huì)用電量增量中的占比超過(guò)50%，風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電量實(shí)現(xiàn)翻倍。
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可再生能源發(fā)電份額增加的同時(shí)也為電網(wǎng)的發(fā)、輸、配、用等多個(gè)環(huán)節(jié)帶來(lái)了嚴(yán)峻考驗(yàn)。本文選取了風(fēng)力發(fā)電維護(hù)，可再生能源儲(chǔ)能兩個(gè)典型場(chǎng)景，以全球高性能模擬技術(shù)提供商ADI公司的方案為例，談?wù)勅绾螌?shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)從火力發(fā)電到可再生能源發(fā)電的平穩(wěn)過(guò)渡。
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捕捉關(guān)鍵故障，選好MEMS傳感器以完成風(fēng)輪機(jī)狀態(tài)監(jiān)控
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隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)存量不斷增加，設(shè)備損耗及維護(hù)將將是后續(xù)運(yùn)營(yíng)的首要關(guān)注點(diǎn)。對(duì)于風(fēng)輪機(jī)（WT）裝置而言，變速箱、轉(zhuǎn)子葉片、發(fā)電機(jī)和塔架都是常見(jiàn)的故障點(diǎn)，其中變速箱每次故障的平均成本最高，一次大型更換平均花費(fèi)230,000歐元。對(duì)WT設(shè)置進(jìn)行基于狀態(tài)的監(jiān)測(cè)（CbM）可提前發(fā)現(xiàn)故障，防止整個(gè)風(fēng)輪機(jī)出現(xiàn)成本高昂的停機(jī)。
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然而，為風(fēng)輪機(jī)選擇適合的振動(dòng)傳感器卻存在諸多限制：首先是變速箱，其結(jié)構(gòu)中包括一個(gè)低速轉(zhuǎn)子軸和主軸承，在風(fēng)力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子葉片時(shí)以不到25 RPM （0.42 Hz）的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，要捕獲不斷增加的振動(dòng)信號(hào)，需要振動(dòng)傳感器使用直流電運(yùn)行，行業(yè)認(rèn)證指南特別指出，振動(dòng)傳感器的性能需要達(dá)到0.1 Hz；變速箱的高速軸通常以3200 RPM (53 Hz)的轉(zhuǎn)速運(yùn)行；為了提供足夠帶寬來(lái)捕捉軸承和齒輪故障的諧波，推薦低速和高速軸振動(dòng)傳感器的性能達(dá)到10 kHz及以上；此外，傳感器的本底噪聲最好在100 μg/√Hz至200 μg/√Hz之間，以更早檢測(cè)出軸承故障；同時(shí)，變速箱本身很復(fù)雜，所以建議使用至少6個(gè)振動(dòng)傳感器來(lái)實(shí)施狀態(tài)監(jiān)控。
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再次是轉(zhuǎn)子葉片和輪轂組件，葉片邊緣變形的固有頻率在0.5 Hz至30 Hz之間，葉片扭轉(zhuǎn)變形的固有頻率高達(dá)700 Hz。用振動(dòng)傳感器測(cè)量基頻以外的頻率需要更大的帶寬，同時(shí)還能測(cè)量0.1 Hz至≥10 kHz的頻率范圍。其中一個(gè)傳感器放在轉(zhuǎn)子軸上，另一個(gè)放在橫向方向上。振動(dòng)傳感器在轉(zhuǎn)子葉片上可以實(shí)現(xiàn)高頻率測(cè)量范圍，它也必須具備至少50 g的大幅度測(cè)量范圍。
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最后是塔身傾斜問(wèn)題，為了能在零風(fēng)條件下，也可以檢測(cè)到傾斜，需要使用操作功率可以低至0 Hz的傳感器。研究證實(shí)，最小±2 g范圍的振動(dòng)傳感器足以對(duì)塔實(shí)施監(jiān)控。
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綜上，為對(duì)轉(zhuǎn)子葉片、主軸承、低速變速箱等實(shí)施正常監(jiān)控，捕捉關(guān)鍵故障，ADI提供 ADXL1002、ADXL1003、ADXL1005和 ADcmXL3021 MEMS傳感器，可輕松滿(mǎn)足風(fēng)輪機(jī)應(yīng)用的振動(dòng)監(jiān)控對(duì)帶寬、范圍和噪聲密度的要求。這些MEMS傳感器的性能可以低至0 Hz，超低的μg/√Hz噪聲密度也能滿(mǎn)足軸承故障的監(jiān)測(cè)需求。與基于壓電的傳統(tǒng)傳感器相比，MEMS接口在數(shù)據(jù)接口和電源供應(yīng)方面更加靈活，能與使用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)（RS-485、CAN）或基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)操作的現(xiàn)有系統(tǒng)輕松集成。并且MEMS在長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)具有更好的靈敏度和線(xiàn)性度，ADXL1001 MEMS加速度計(jì)在滿(mǎn)量程范圍內(nèi)具有小于0.025%的典型非線(xiàn)性規(guī)格，在風(fēng)輪機(jī)應(yīng)用中具有出色性能。
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對(duì)于風(fēng)輪機(jī)塔監(jiān)控，可選用具有較低的帶寬和范圍測(cè)量性能以及良好的直流穩(wěn)定性的ADXL355 和 ADXL357 ，這對(duì)于測(cè)量風(fēng)輪機(jī)塔的傾斜度非常重要。ADXL355/ ADXL357的氣密封裝保證了良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，在10年使用壽命中，ADXL355的重復(fù)性在±3.5 mg以?xún)?nèi)，為傾斜測(cè)量提供了高度精準(zhǔn)的傳感器。
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用好儲(chǔ)能系統(tǒng)，搭建雙碳目標(biāo)下的可再生能源電力體系
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相較煤炭、石油和天然氣等不可再生能源，風(fēng)能和光能幾乎可以無(wú)限獲取，但它們卻受環(huán)境、時(shí)段等多種因素掣肘。為應(yīng)對(duì)可再生能源發(fā)電的隨機(jī)性、波動(dòng)性和間歇性，儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）將在可再生能源電力體系中大幅應(yīng)用。儲(chǔ)能系統(tǒng)相當(dāng)于電能領(lǐng)域的油罐或煤炭倉(cāng)庫(kù)，可以用于住宅和工業(yè)規(guī)模的多種應(yīng)用當(dāng)中。在住宅應(yīng)用中，很容易將光伏逆變器接入蓄電池，在家存儲(chǔ)和使用能量，或者用太陽(yáng)白天產(chǎn)生的能量在晚上為汽車(chē)充電。在工業(yè)或公用事業(yè)規(guī)模的應(yīng)用中，儲(chǔ)能系統(tǒng)可用于不同目的：從調(diào)節(jié)光伏和風(fēng)能到能源套利，從后備支持到黑啟動(dòng)，重要的是從總成本角度考慮，可以延緩?fù)顿Y。
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儲(chǔ)能系統(tǒng)的關(guān)鍵組件是電池管理/監(jiān)控系統(tǒng)(BMS)。BMS負(fù)責(zé)監(jiān)控各單體蓄電池的工作狀態(tài)，通過(guò)通訊的方式上傳電池相關(guān)信息和狀態(tài)，防止電池的過(guò)充與過(guò)放。由于電力系統(tǒng)承擔(dān)著基本工作任務(wù)，在實(shí)施儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)時(shí)必須確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性，同時(shí)不斷進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估，以便能夠持續(xù)采取必要的措施。
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為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)， ADI針對(duì)儲(chǔ)能市場(chǎng)推出了的18通道3mV精度的BMS電池管理芯片ADBMS1818，非常適合電網(wǎng)儲(chǔ)能應(yīng)用，可測(cè)量多達(dá)18個(gè)串聯(lián)連接的電池單元，總測(cè)量誤差小于3.0 mV，具有0V至5V的電池測(cè)量范圍，適合大多數(shù)電池化學(xué)應(yīng)用。
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