為應對溫室氣體排放帶來的氣候變化問題，能源正朝著清潔化和綠色化發(fā)展。近日，國家發(fā)展改革委、國家能源局等九部門聯(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)電量達到3.3萬億千瓦時左右。“十四五”期間，可再生能源發(fā)電量增量在全社會用電量增量中的占比超過50%，風電和太陽能發(fā)電量實現(xiàn)翻倍。
? 可再生能源發(fā)電份額增加的同時也為電網(wǎng)的發(fā)、輸、配、用等多個環(huán)節(jié)帶來了嚴峻考驗。本文選取了風力發(fā)電維護，可再生能源儲能兩個典型場景，以全球高性能模擬技術提供商ADI公司的方案為例，談談如何實現(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)過渡。
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捕捉關鍵故障，選好MEMS傳感器以完成風輪機狀態(tài)監(jiān)控
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隨著風力發(fā)電機存量不斷增加，設備損耗及維護將將是后續(xù)運營的首要關注點。對于風輪機（WT）裝置而言，變速箱、轉子葉片、發(fā)電機和塔架都是常見的故障點，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230,000歐元。對WT設置進行基于狀態(tài)的監(jiān)測（CbM）可提前發(fā)現(xiàn)故障，防止整個風輪機出現(xiàn)成本高昂的停機。
? ? ?然而，為風輪機選擇適合的振動傳感器卻存在諸多限制：首先是變速箱，其結構中包括一個低速轉子軸和主軸承，在風力驅動轉子葉片時以不到25 RPM （0.42 Hz）的轉速運行，要捕獲不斷增加的振動信號，需要振動傳感器使用直流電運行，行業(yè)認證指南特別指出，振動傳感器的性能需要達到0.1 Hz；變速箱的高速軸通常以3200 RPM (53 Hz)的轉速運行；為了提供足夠帶寬來捕捉軸承和齒輪故障的諧波，推薦低速和高速軸振動傳感器的性能達到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，以更早檢測出軸承故障；同時，變速箱本身很復雜，所以建議使用至少6個振動傳感器來實施狀態(tài)監(jiān)控。
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再次是轉子葉片和輪轂組件，葉片邊緣變形的固有頻率在0.5 Hz至30 Hz之間，葉片扭轉變形的固有頻率高達700 Hz。用振動傳感器測量基頻以外的頻率需要更大的帶寬，同時還能測量0.1 Hz至≥10 kHz的頻率范圍。其中一個傳感器放在轉子軸上，另一個放在橫向方向上。振動傳感器在轉子葉片上可以實現(xiàn)高頻率測量范圍，它也必須具備至少50 g的大幅度測量范圍。
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最后是塔身傾斜問題，為了能在零風條件下，也可以檢測到傾斜，需要使用操作功率可以低至0 Hz的傳感器。研究證實，最小±2 g范圍的振動傳感器足以對塔實施監(jiān)控。
綜上，為對轉子葉片、主軸承、低速變速箱等實施正常監(jiān)控，捕捉關鍵故障，ADI提供 ADXL1002、ADXL1003、ADXL1005和 ADcmXL3021 MEMS傳感器，可輕松滿足風輪機應用的振動監(jiān)控對帶寬、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噪聲密度也能滿足軸承故障的監(jiān)測需求。與基于壓電的傳統(tǒng)傳感器相比，MEMS接口在數(shù)據(jù)接口和電源供應方面更加靈活，能與使用現(xiàn)場總線（RS-485、CAN）或基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡操作的現(xiàn)有系統(tǒng)輕松集成。并且MEMS在長時間使用時具有更好的靈敏度和線性度，ADXL1001 MEMS加速度計在滿量程范圍內(nèi)具有小于0.025%的典型非線性規(guī)格，在風輪機應用中具有出色性能。
? 對于風輪機塔監(jiān)控，可選用具有較低的帶寬和范圍測量性能以及良好的直流穩(wěn)定性的ADXL355 和 ADXL357 ，這對于測量風輪機塔的傾斜度非常重要。ADXL355/ ADXL357的氣密封裝保證了良好的長期穩(wěn)定性，在10年使用壽命中，ADXL355的重復性在±3.5 mg以內(nèi)，為傾斜測量提供了高度精準的傳感器。
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用好儲能系統(tǒng)，搭建雙碳目標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，風能和光能幾乎可以無限獲取，但它們卻受環(huán)境、時段等多種因素掣肘。為應對可再生能源發(fā)電的隨機性、波動性和間歇性，儲能系統(tǒng)（ESS）將在可再生能源電力體系中大幅應用。儲能系統(tǒng)相當于電能領域的油罐或煤炭倉庫，可以用于住宅和工業(yè)規(guī)模的多種應用當中。在住宅應用中，很容易將光伏逆變器接入蓄電池，在家存儲和使用能量，或者用太陽白天產(chǎn)生的能量在晚上為汽車充電。在工業(yè)或公用事業(yè)規(guī)模的應用中，儲能系統(tǒng)可用于不同目的：從調節(jié)光伏和風能到能源套利，從后備支持到黑啟動，重要的是從總成本角度考慮，可以延緩投資。
? 儲能系統(tǒng)的關鍵組件是電池管理/監(jiān)控系統(tǒng)(BMS)。BMS負責監(jiān)控各單體蓄電池的工作狀態(tài)，通過通訊的方式上傳電池相關信息和狀態(tài)，防止電池的過充與過放。由于電力系統(tǒng)承擔著基本工作任務，在實施儲能電池管理系統(tǒng)時必須確保數(shù)據(jù)的準確性和完整性，同時不斷進行狀態(tài)評估，以便能夠持續(xù)采取必要的措施。
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為了實現(xiàn)上述目標， ADI針對儲能市場推出了的18通道3mV精度的BMS電池管理芯片ADBMS1818，非常適合電網(wǎng)儲能應用，可測量多達18個串聯(lián)連接的電池單元，總測量誤差小于3.0 mV，具有0V至5V的電池測量范圍，適合大多數(shù)電池化學應用。 此外，每個ADBMS1818都有一個 isoSPI? 接口，用于進行不受RF干擾的遠距離高速通信，多個器件以菊花鏈形式連接，并為所有器件連接一個主機處理器。該菊花鏈可雙向操作，即使通信路徑出錯，也能確保通信完整性，對于儲能站來說非常重要。

多電池串聯(lián)應用中，存在過充或者欠充，這是因為電池模塊中每個電芯的容量不同，充放電能力也會有微小的誤差。 ADBMS1818 帶有被動的均衡，提供200毫安的均衡能力，可有效解決問題。另外ADBMS1818的9個通用數(shù)字I/O接口可以作為溫度測量。這些功能組成了單芯片完成一個電池包所有檢測的功能。如果把這些數(shù)據(jù)送到整個電池包的管理單元，每個電池包的設計就會簡化。