我国“零电压穿越”技术突破风电并网瓶颈

    当电网出现故障，即便是电网电压跌落至零，风电机组也不能脱网“罢工”，需要坚持200毫秒不间断并网———凭借这一完全自主知识产权的“零电压穿越”技术，日前，国电联合动力技术(保定)有限公司研发的6MW海上风电机组正式下线。这是目前国内单机功率最大的风力发电机组，代表了我国大型风力发电机组制造技术的最高水平。

    “低电压穿越和零电压穿越是风电设备的核心技术，是决定风电机组能否安全并网的关键指标。”国电联合动力技术(保定)有限公司副总经理王洪斌表示，不突破这一关键技术，就无法跨过风电并网的门槛。依托风电设备及控制国家重点实验室，2011年4月，国电联合动力率先通过德国GL劳氏船级社的零电压穿越测试，填补了我国在此领域的技术空白，“零电压穿越是低电压穿越的极限状态，而目前国内通过零电压测试的企业还不足三家”。

    瓶颈

    “低电压穿越技术已经成为风电并网绕不开的话题。”令王洪斌极为关切的，是今年6月1日起开始执行的《风电场接入电力系统技术规定》(简称“新国标”)。“事实上，我国已将风力发电领域的门槛抬高。早在2009年国家电网‘企业标准’和2010年国家能源局颁布的《风电标准体系框架》中，低电压穿越都被当做一个重要的技术标准提出来。”

    风力发电是技术较成熟、最具商业潜力的新能源之一。目前我国已进入大规模开发利用阶段，到2010年底超过美国成为世界第一大风电装机大国。“自从2009年年底，国家电网推出并网标准之后，目前各家风场在购买新风机时基本都将‘具备低电压穿越能力’写入招标书。”王洪斌介绍，但我国的风电机组技术水平较差，占国内风电机组约80%的风力发电机组，存在着无法实现低电压穿越、难以满足电网并网技术要求的难题。

    什么是低电压穿越？业内人士如此比喻：这就好比在电网这条高速公路上，行驶中的风电遇到公路流量大幅波动或路障时，不是选择迅速靠边停车，引起交通混乱，而是开辟一个窄的通道，以保障公路有效通行。“风电不像火电能24小时、365天持续稳定在一个功率发电，风大的时候发电量就大，风小的时候基本不发电，发电功率完全取决于风力。”国电联合动力技术(保定)有限公司技术部副经理井延伟表示，正是由于风电这种不可控性和反调峰性，给电网调峰、调频和调压，保障电网安全带来了很大挑战。目前国内风电整机制造企业多达70余家，但是关键核心技术仍掌握在少数外国公司手中，国内自主研发相对滞后。

    突破

    “这就是电器控制柜，它是风电机组的控制系统，相当于人的‘大脑’。”6月26日，在国电联合动力技术(保定)有限公司整机生产车间，工作人员指着一个将近两米高的柜子说：“控制系统具备零电压穿越能力，可以使机组具有良好的电网适应性。在并网电压跌落到零时，风机设备能坚持200毫秒不脱网。”

    200毫秒能干什么？甚至来不及眨一下眼，时间短到几乎可以忽略不计。然而，“这可是‘救命’的200毫秒，是世界上对风电机组最严苛的要求。”王洪斌说，“夺”来的200毫秒能给电网赢得足够的时间进行电力平衡，避免大面积停电事故的发生，可以极大提高电网的安全稳定性。

    从2009年在行业内首先提出“电网友好型风力发电机组”概念并进入自主研发阶段，在基本没有任何技术参照的情况下，两年多时间里，重点实验室通过成百上千次实验进行摸索，先后完成包括控制系统响应时间、控制策略、整体可靠性等多项风电接纳能力及运行规律研究报告。“技术核心是在并网点电压跌落时，风机能够保持甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复。”井延伟解释，风力发电机的主控系统、变频器和变桨系统均连接设有UPS电源和相关装置。零电压穿越状态启动后，由UPS电源供电，由变流器的发电机转子控制单元向电网发送无功补偿；在电网电压返回到正常工作电压之后，零电压穿越模式会关闭，风力发电机的有功功率增加到设定值。

    “仅仅五分之一秒，却含义深远。”王洪斌表示，零电压技术的突破，是我国风机设备低电压穿越技术的里程碑式进步。

    机遇

    “截至5月底，6台出口到美国的1.5MW近海风机已经成功发电600多万度，未发生一起脱网事故。”近日，来自美国方面的这一反馈令井延伟感到欣慰。自去年6月8日从保定起运，作为我国首批出口到美国的近海风机，井延伟一直密切关注这一检验他们零电压穿越技术成果的真正实践。“目前美国业主对此高度评价，预计有望迎来后续订单。”

    零电压穿越技术的突破，不仅为国内风机并网提供技术支撑，还为国产风机设备出口打开一扇大门。

    从国外风机技术发展趋势来看，一般来说，综合风机制造、运输、吊装和基础等因素单机容量越大，风机单位千瓦的造价就越低。基于经济效益的优势，风机单机容量将朝更大功率方向发展。近年来，欧洲提出了2020年海上风电规模达到4000万千瓦的宏伟目标。目前，德国Repower的5兆瓦和6兆瓦，Enercon的4.5兆瓦和6兆瓦风机已经开始批量生产，并投入运行。“新技术的应用，使风机国际竞争力更强，意味着国产风机具备了同步国际的标准，相当于我们拿到了一张进入欧美国家的准入证，为日后国产风机设备出口美洲、欧洲等国家打下了坚实的基础。”井延伟表示。

    “目前正在连云港进行中试的6MW海上风电机组，具备零电压穿越能力，在额定功率时每小时能发电6000度，如果中试成功，可以满足6000户普通家庭一年的用电量，从而在大功率机组研制方面达到国际领先水平。”

    新技术带来的新机遇远不止这些。“我们已经成功实现多型号电控系统、叶片等关键零部件的自主设计和生产。”井延伟说，电控系统是风电机组的核心单元之一，包括控制系统、变流器及变桨系统等配套产品，是左右风力发电机组性能的关键单元。目前，国内风电机组电控系统基本还是以国外进口为主。“掌握核心零部件的设计和自产，意在打造具有中国自主知识产权的完整产业链，对中国风电行业的技术发展有重要推动作用。”“未来，风电的发展趋势是机组由小变大，并网容量由少变多，向单机大功率和海上电站建设方向发展，风电在很多地方可能成为第二或第三大电源，这就要求风电设备不断提高核心技术水平。”王洪斌预测，未来3至5年，风机如果要作为主力电源，一定要满足更加严格的并网要求，他们正在为这一目标而努力。<