當電網(wǎng)出現(xiàn)故障，即便是電網(wǎng)電壓跌落至零，風電機組也不能脫網(wǎng)“罷工”，需要堅持200毫秒不間斷并網(wǎng)———憑借這一完全自主知識產(chǎn)權(quán)的“零電壓穿越”技術(shù)，日前，國電聯(lián)合動力技術(shù)(保定)有限公司研發(fā)的6MW海上風電機組正式下線。這是目前國內(nèi)單機功率最大的風力發(fā)電機組，代表了我國大型風力發(fā)電機組制造技術(shù)的最高水平。

    “低電壓穿越和零電壓穿越是風電設(shè)備的核心技術(shù)，是決定風電機組能否安全并網(wǎng)的關(guān)鍵指標。”國電聯(lián)合動力技術(shù)(保定)有限公司副總經(jīng)理王洪斌表示，不突破這一關(guān)鍵技術(shù)，就無法跨過風電并網(wǎng)的門檻。依托風電設(shè)備及控制國家重點實驗室，2011年4月，國電聯(lián)合動力率先通過德國GL勞氏船級社的零電壓穿越測試，填補了我國在此領(lǐng)域的技術(shù)空白，“零電壓穿越是低電壓穿越的極限狀態(tài)，而目前國內(nèi)通過零電壓測試的企業(yè)還不足三家”。

    瓶頸

    “低電壓穿越技術(shù)已經(jīng)成為風電并網(wǎng)繞不開的話題。”令王洪斌極為關(guān)切的，是今年6月1日起開始執(zhí)行的《風電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》(簡稱“新國標”)。“事實上，我國已將風力發(fā)電領(lǐng)域的門檻抬高。早在2009年國家電網(wǎng)‘企業(yè)標準’和2010年國家能源局頒布的《風電標準體系框架》中，低電壓穿越都被當做一個重要的技術(shù)標準提出來。”

    風力發(fā)電是技術(shù)較成熟、最具商業(yè)潛力的新能源之一。目前我國已進入大規(guī)模開發(fā)利用階段，到2010年底超過美國成為世界第一大風電裝機大國。“自從2009年年底，國家電網(wǎng)推出并網(wǎng)標準之后，目前各家風場在購買新風機時基本都將‘具備低電壓穿越能力’寫入招標書。”王洪斌介紹，但我國的風電機組技術(shù)水平較差，占國內(nèi)風電機組約80%的風力發(fā)電機組，存在著無法實現(xiàn)低電壓穿越、難以滿足電網(wǎng)并網(wǎng)技術(shù)要求的難題。

    什么是低電壓穿越？業(yè)內(nèi)人士如此比喻：這就好比在電網(wǎng)這條高速公路上，行駛中的風電遇到公路流量大幅波動或路障時，不是選擇迅速靠邊停車，引起交通混亂，而是開辟一個窄的通道，以保障公路有效通行。“風電不像火電能24小時、365天持續(xù)穩(wěn)定在一個功率發(fā)電，風大的時候發(fā)電量就大，風小的時候基本不發(fā)電，發(fā)電功率完全取決于風力。”國電聯(lián)合動力技術(shù)(保定)有限公司技術(shù)部副經(jīng)理井延偉表示，正是由于風電這種不可控性和反調(diào)峰性，給電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻和調(diào)壓，保障電網(wǎng)安全帶來了很大挑戰(zhàn)。目前國內(nèi)風電整機制造企業(yè)多達70余家，但是關(guān)鍵核心技術(shù)仍掌握在少數(shù)外國公司手中，國內(nèi)自主研發(fā)相對滯后。

    突破

    “這就是電器控制柜，它是風電機組的控制系統(tǒng)，相當于人的‘大腦’。”6月26日，在國電聯(lián)合動力技術(shù)(保定)有限公司整機生產(chǎn)車間，工作人員指著一個將近兩米高的柜子說：“控制系統(tǒng)具備零電壓穿越能力，可以使機組具有良好的電網(wǎng)適應(yīng)性。在并網(wǎng)電壓跌落到零時，風機設(shè)備能堅持200毫秒不脫網(wǎng)。”

    200毫秒能干什么？甚至來不及眨一下眼，時間短到幾乎可以忽略不計。然而，“這可是‘救命’的200毫秒，是世界上對風電機組最嚴苛的要求。”王洪斌說，“奪”來的200毫秒能給電網(wǎng)贏得足夠的時間進行電力平衡，避免大面積停電事故的發(fā)生，可以極大提高電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性。

    從2009年在行業(yè)內(nèi)首先提出“電網(wǎng)友好型風力發(fā)電機組”概念并進入自主研發(fā)階段，在基本沒有任何技術(shù)參照的情況下，兩年多時間里，重點實驗室通過成百上千次實驗進行摸索，先后完成包括控制系統(tǒng)響應(yīng)時間、控制策略、整體可靠性等多項風電接納能力及運行規(guī)律研究報告。“技術(shù)核心是在并網(wǎng)點電壓跌落時，風機能夠保持甚至向電網(wǎng)提供一定的無功功率，支持電網(wǎng)恢復。”井延偉解釋，風力發(fā)電機的主控系統(tǒng)、變頻器和變槳系統(tǒng)均連接設(shè)有UPS電源和相關(guān)裝置。零電壓穿越狀態(tài)啟動后，由UPS電源供電，由變流器的發(fā)電機轉(zhuǎn)子控制單元向電網(wǎng)發(fā)送無功補償；在電網(wǎng)電壓返回到正常工作電壓之后，零電壓穿越模式會關(guān)閉，風力發(fā)電機的有功功率增加到設(shè)定值。

    “僅僅五分之一秒，卻含義深遠。”王洪斌表示，零電壓技術(shù)的突破，是我國風機設(shè)備低電壓穿越技術(shù)的里程碑式進步。

    機遇

    “截至5月底，6臺出口到美國的1.5MW近海風機已經(jīng)成功發(fā)電600多萬度，未發(fā)生一起脫網(wǎng)事故。”近日，來自美國方面的這一反饋令井延偉感到欣慰。自去年6月8日從保定起運，作為我國首批出口到美國的近海風機，井延偉一直密切關(guān)注這一檢驗他們零電壓穿越技術(shù)成果的真正實踐。“目前美國業(yè)主對此高度評價，預(yù)計有望迎來后續(xù)訂單。”

    零電壓穿越技術(shù)的突破，不僅為國內(nèi)風機并網(wǎng)提供技術(shù)支撐，還為國產(chǎn)風機設(shè)備出口打開一扇大門。

    從國外風機技術(shù)發(fā)展趨勢來看，一般來說，綜合風機制造、運輸、吊裝和基礎(chǔ)等因素單機容量越大，風機單位千瓦的造價就越低。基于經(jīng)濟效益的優(yōu)勢，風機單機容量將朝更大功率方向發(fā)展。近年來，歐洲提出了2020年海上風電規(guī)模達到4000萬千瓦的宏偉目標。目前，德國Repower的5兆瓦和6兆瓦，Enercon的4.5兆瓦和6兆瓦風機已經(jīng)開始批量生產(chǎn)，并投入運行。“新技術(shù)的應(yīng)用，使風機國際競爭力更強，意味著國產(chǎn)風機具備了同步國際的標準，相當于我們拿到了一張進入歐美國家的準入證，為日后國產(chǎn)風機設(shè)備出口美洲、歐洲等國家打下了堅實的基礎(chǔ)。”井延偉表示。

    “目前正在連云港進行中試的6MW海上風電機組，具備零電壓穿越能力，在額定功率時每小時能發(fā)電6000度，如果中試成功，可以滿足6000戶普通家庭一年的用電量，從而在大功率機組研制方面達到國際領(lǐng)先水平。”

    新技術(shù)帶來的新機遇遠不止這些。“我們已經(jīng)成功實現(xiàn)多型號電控系統(tǒng)、葉片等關(guān)鍵零部件的自主設(shè)計和生產(chǎn)。”井延偉說，電控系統(tǒng)是風電機組的核心單元之一，包括控制系統(tǒng)、變流器及變槳系統(tǒng)等配套產(chǎn)品，是左右風力發(fā)電機組性能的關(guān)鍵單元。目前，國內(nèi)風電機組電控系統(tǒng)基本還是以國外進口為主。“掌握核心零部件的設(shè)計和自產(chǎn)，意在打造具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的完整產(chǎn)業(yè)鏈，對中國風電行業(yè)的技術(shù)發(fā)展有重要推動作用。”“未來，風電的發(fā)展趨勢是機組由小變大，并網(wǎng)容量由少變多，向單機大功率和海上電站建設(shè)方向發(fā)展，風電在很多地方可能成為第二或第三大電源，這就要求風電設(shè)備不斷提高核心技術(shù)水平。”王洪斌預(yù)測，未來3至5年，風機如果要作為主力電源，一定要滿足更加嚴格的并網(wǎng)要求，他們正在為這一目標而努力。<