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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展。近日，國家發展改革委、國家能源局等九部門聯合印發《“十四五”可再生能源發展規劃》，明確到2025年，可再生能源年發電量達到3.3萬億千瓦時左右。“十四五”期間，可再生能源發電量增量在全社會用電量增量中的占比超過50%，風電和太陽能發電量實現翻倍。
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可再生能源發電份額增加的同時也為電網的發、輸、配、用等多個環節帶來了嚴峻考驗。本文選取了風力發電維護，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，談談如何實現電力系統從火力發電到可再生能源發電的平穩過渡。
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捕捉關鍵故障，選好MEMS傳感器以完成風輪機狀態監控
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隨著風力發電機存量不斷增加，設備損耗及維護將將是后續運營的首要關注點。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設置進行基于狀態的監測（CbM）可提前發現故障，防止整個風輪機出現成本高昂的停機。
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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監控。
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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控。
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風輪機狀態監控對振動傳感器的要求
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綜上，為對轉子葉片、主軸承、低速變速箱等實施正常監控，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測需求。與基于壓電的傳統傳感器相比，MEMS接口在數據接口和電源供應方面更加靈活，能與使用現場總線（RS-485、CAN）或基于以太網的網絡操作的現有系統輕松集成。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具有小于0.025%的典型非線性規格，在風輪機應用中具有出色性能。
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對于風輪機塔監控，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定性，在10年使用壽命中，ADXL355的重復性在±3.5 mg以內，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，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，但它們卻受環境、時段等多種因素掣肘。為應對可再生能源發電的隨機性、波動性和間歇性，儲能系統（ESS）將在可再生能源電力體系中大幅應用。儲能系統相當于電能領域的油罐或煤炭倉庫，可以用于住宅和工業規模的多種應用當中。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，或者用太陽白天產生的能量在晚上為汽車充電。在工業或公用事業規模的應用中，儲能系統可用于不同目的：從調節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。
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可再生能源、儲能系統和電動汽車充電基礎設施的整合
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儲能系統的關鍵組件是電池管理/監控系統(BMS)。BMS負責監控各單體蓄電池的工作狀態，通過通訊的方式上傳電池相關信息和狀態，防止電池的過充與過放。由于電力系統承擔著基本工作任務，在實施儲能電池管理系統時必須確保數據的準確性和完整性，同時不斷進行狀態評估，以便能夠持續采取必要的措施。
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為了實現上述目標， 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，非常適合電網儲能應用，可測量多達18個串聯連接的電池單元，總測量誤差小于3.0 mV，具有0V至5V的電池測量范圍，適合大多數電池化學應用。
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?可再生能源發電份額增加的同時也為電網的發、輸、配、用等多個環節帶來了嚴峻考驗。本文選取了風力發電維護，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，談談如何實現電力系統從火力發電到可再生能源發電的平穩過渡。
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捕捉關鍵故障，選好MEMS傳感器以完成風輪機狀態監控
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隨著風力發電機存量不斷增加，設備損耗及維護將將是后續運營的首要關注點。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設置進行基于狀態的監測（CbM）可提前發現故障，防止整個風輪機出現成本高昂的停機。
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風輪機變速箱的結構及常見的中軸齒輪斷齒問題
?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監控。
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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控。
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風輪機狀態監控對振動傳感器的要求
綜上，為對轉子葉片、主軸承、低速變速箱等實施正常監控，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測需求。與基于壓電的傳統傳感器相比，MEMS接口在數據接口和電源供應方面更加靈活，能與使用現場總線（RS-485、CAN）或基于以太網的網絡操作的現有系統輕松集成。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具有小于0.025%的典型非線性規格，在風輪機應用中具有出色性能。
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用于風輪機狀態監控的合適的MEMS傳感器
?用于風輪機狀態監控的合適的MEMS傳感器
對于風輪機塔監控，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定性，在10年使用壽命中，ADXL355的重復性在±3.5 mg以內，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，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，但它們卻受環境、時段等多種因素掣肘。為應對可再生能源發電的隨機性、波動性和間歇性，儲能系統（ESS）將在可再生能源電力體系中大幅應用。儲能系統相當于電能領域的油罐或煤炭倉庫，可以用于住宅和工業規模的多種應用當中。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，或者用太陽白天產生的能量在晚上為汽車充電。在工業或公用事業規模的應用中，儲能系統可用于不同目的：從調節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。
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?可再生能源、儲能系統和電動汽車充電基礎設施的整合
儲能系統的關鍵組件是電池管理/監控系統(BMS)。BMS負責監控各單體蓄電池的工作狀態，通過通訊的方式上傳電池相關信息和狀態，防止電池的過充與過放。由于電力系統承擔著基本工作任務，在實施儲能電池管理系統時必須確保數據的準確性和完整性，同時不斷進行狀態評估，以便能夠持續采取必要的措施。
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為了實現上述目標， 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，非常適合電網儲能應用，可測量多達18個串聯連接的電池單元，總測量誤差小于3.0 mV，具有0V至5V的電池測量范圍，適合大多數電池化學應用。
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基于ADBMS1818芯片的BMS評估平臺
多電池串聯應用中，往往存在過充或者欠充，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，可以提供200毫安的均衡能力，可有效解決上述問題。另外ADBMS1818的9個通用數字I/O接口可以作為溫度測量。這些功能共同組成了單芯片完成一個電池包所有檢測的功能。如果把這些數據送到整個電池包的管理單元，每個電池包的設計就會大大簡化。
工商網監
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