基于超級(jí)電容的變槳系統(tǒng)后備電源設(shè)計(jì)

魯 斌，田 煒，劉 劍，潘 晨

(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院，江蘇南京210003)

隨著風(fēng)力機(jī)大型化的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)取得很大的進(jìn)步，其中變槳距控制是國(guó)際主流風(fēng)力機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)之一。變槳距系統(tǒng)作為大型風(fēng)電機(jī)組的核心部分之一，對(duì)機(jī)組安全、穩(wěn)定、高效的運(yùn)行有十分重要的作用[1，2]。電動(dòng)變槳距系統(tǒng)以伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪系實(shí)現(xiàn)變槳距調(diào)節(jié)功能，可使3個(gè)葉片獨(dú)立實(shí)現(xiàn)變槳距[3]。基于變槳系統(tǒng)對(duì)風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行的重要性，變槳系統(tǒng)通常都配有后備電源，當(dāng)電網(wǎng)供電中斷時(shí)，變槳系統(tǒng)可自動(dòng)切換到后備電源供電，并順槳停機(jī)，確保風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行。目前變槳系統(tǒng)廠家通常采用鉛酸蓄電池作為后備電源，鉛酸蓄電池技術(shù)成熟，但其低溫性能較差，使用壽命較短，充電速度慢，完全充滿一般需要7～9 h。超級(jí)電容又稱為雙層電容，擁有非常長(zhǎng)的使用壽命[4]，是20世紀(jì)70、80年代發(fā)展起來(lái)的介于電池和傳統(tǒng)電容器之間的新型儲(chǔ)能器件，具有法拉級(jí)的超大電容量，比同體積的電解電容器容量大2 000～6 000倍，功率密度比電池高l0～100倍，可以大電流充放電，充放電效率高[5]。相比鉛酸蓄電池，超級(jí)電容具有低溫性能好、充電時(shí)間短、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，正常工作溫度可低至-40℃。相近容量下，超級(jí)電容充放電時(shí)間通常只需幾分鐘到十幾分鐘，且使用循環(huán)壽命可達(dá)到10萬(wàn)次以上。采用超級(jí)電容作為變槳系統(tǒng)后備電源，可充分發(fā)揮超級(jí)電容的耐低溫和長(zhǎng)壽命特性，在風(fēng)機(jī)使用壽命內(nèi)，可顯著降低變槳系統(tǒng)維護(hù)成本，提高風(fēng)機(jī)經(jīng)濟(jì)效益。文中設(shè)計(jì)了一種基于超級(jí)電容的變槳系統(tǒng)后備電源，并進(jìn)行了性能測(cè)試。

隨著風(fēng)力機(jī)大型化的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)取得很大的進(jìn)步，其中變槳距控制是國(guó)際主流風(fēng)力機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)之一。變槳距系統(tǒng)作為大型風(fēng)電機(jī)組的核心部分之一，對(duì)機(jī)組安全、穩(wěn)定、高效的運(yùn)行有十分重要的作用[1，2]。電動(dòng)變槳距系統(tǒng)以伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪系實(shí)現(xiàn)變槳距調(diào)節(jié)功能，可使3個(gè)葉片獨(dú)立實(shí)現(xiàn)變槳距[3]?；谧儤到y(tǒng)對(duì)風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行的重要性，變槳系統(tǒng)通常都配有后備電源，當(dāng)電網(wǎng)供電中斷時(shí)，變槳系統(tǒng)可自動(dòng)切換到后備電源供電，并順槳停機(jī)，確保風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行。目前變槳系統(tǒng)廠家通常采用鉛酸蓄電池作為后備電源，鉛酸蓄電池技術(shù)成熟，但其低溫性能較差，使用壽命較短，充電速度慢，完全充滿一般需要7～9 h。超級(jí)電容又稱為雙層電容，擁有非常長(zhǎng)的使用壽命[4]，是20世紀(jì)70、80年代發(fā)展起來(lái)的介于電池和傳統(tǒng)電容器之間的新型儲(chǔ)能器件，具有法拉級(jí)的超大電容量，比同體積的電解電容器容量大2 000～6 000倍，功率密度比電池高l0～100倍，可以大電流充放電，充放電效率高[5]。相比鉛酸蓄電池，超級(jí)電容具有低溫性能好、充電時(shí)間短、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，正常工作溫度可低至-40℃。相近容量下，超級(jí)電容充放電時(shí)間通常只需幾分鐘到十幾分鐘，且使用循環(huán)壽命可達(dá)到10萬(wàn)次以上。采用超級(jí)電容作為變槳系統(tǒng)后備電源，可充分發(fā)揮超級(jí)電容的耐低溫和長(zhǎng)壽命特性，在風(fēng)機(jī)使用壽命內(nèi)，可顯著降低變槳系統(tǒng)維護(hù)成本，提高風(fēng)機(jī)經(jīng)濟(jì)效益。文中設(shè)計(jì)了一種基于超級(jí)電容的變槳系統(tǒng)后備電源，并進(jìn)行了性能測(cè)試。

1變槳系統(tǒng)后備電源工作原理

變槳系統(tǒng)后備電源工作原理如圖1所示。正常運(yùn)行時(shí)，變槳系統(tǒng)以電網(wǎng)供電作為動(dòng)力電源，變槳控制器從風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)獲取角度、速度等控制指令，并發(fā)出控制指令給伺服驅(qū)動(dòng)器。伺服驅(qū)動(dòng)器收到控制指令后驅(qū)動(dòng)變槳電機(jī)，并將槳葉角度、變槳速度等信號(hào)實(shí)時(shí)反饋給控制器，實(shí)現(xiàn)高精度實(shí)時(shí)變槳。

圖1變槳系統(tǒng)后備電源工作原理

當(dāng)變槳系統(tǒng)電網(wǎng)供電因故中斷時(shí) （如供電回路連接松動(dòng)），變槳系統(tǒng)自動(dòng)切換至后備電源供電，同時(shí)啟動(dòng)緊急順槳，將槳葉關(guān)至安全位置，并將變槳系統(tǒng)電網(wǎng)供電中斷故障反饋給主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)根據(jù)故障反饋采取相應(yīng)安全措施，確保風(fēng)電機(jī)組安全可靠運(yùn)行。

2后備電源設(shè)計(jì)

采用超級(jí)電容作為變槳系統(tǒng)后備電源，要綜合考慮超級(jí)電容容量、工作溫度、放電電壓范圍等參數(shù)特性，確保后備電源的可用性與可靠性。

2.1超級(jí)電容參數(shù)選取

以某型號(hào)的2 MW電動(dòng)變槳系統(tǒng)為例，以超級(jí)電容作為其后備電源，則超級(jí)電容需滿足該變槳系統(tǒng)對(duì)后備電源參數(shù)要求，詳見(jiàn)表1。此外，依據(jù)NBT 31018—2011[6]，電容組的容量應(yīng)滿足槳葉在規(guī)定載荷情況下完成1次以上順槳?jiǎng)幼饕蟆?/p>

根據(jù)上述參數(shù)要求，選擇某型號(hào)額定電壓為90 V，額定容量23 F的超級(jí)電容模組，采用5組該型號(hào)模組串聯(lián)組成變槳系統(tǒng)后備電源。超級(jí)電容模組參數(shù)如表2所示。

2.2容量校核

對(duì)采用該設(shè)計(jì)方案的后備電源進(jìn)行電壓跌落值、放電能量、最小電容量核算，計(jì)算公式如下：

表1后備電源參數(shù)要求

表2超級(jí)電容模組參數(shù)

式中：ΔU為電壓跌落值；UC為電容引發(fā)電壓跌落值；UESR為直流內(nèi)阻引發(fā)電壓跌落值；Iave為平均放電電流；Δt為放電時(shí)間；C為電容額定容量；RESR為直流等效阻抗；E為放電能量；Umax為放電起始電壓；Umin為放電中止電壓；Cmin為放電所需最小電容量；P為放電功率；U為放電電壓。

放電參數(shù)選取。放電起始電壓：450 V；放電終止電壓：280 V；最大放電電流（3 s）：90 A；放電功率：8 000 W；放電時(shí)間：≥30 s。

容量核算。計(jì)算得到放電電流最小、最大值分別為17.8 A，28.6 A，則Iave為23.2 A。由此計(jì)算得到：電壓跌落值ΔU為162.9 V＜170 V；放電能量E為285.4 kJ＞220 kJ；放電所需最小電容量Cmin為4.4 F＜4.6 F。

可見(jiàn)，采用上述超級(jí)電容作為后備電源的設(shè)計(jì)方案可滿足變槳系統(tǒng)對(duì)電壓跌落、放電能量、最小電容量的要求。

2.3后備電源充電設(shè)計(jì)

為滿足上述變槳系統(tǒng)后備電源充電要求，需選用專用的超級(jí)電容充電器進(jìn)行充電，充電器性能參數(shù)需要滿足如下要求：工作溫度為-40～+65℃；輸出電壓（DC）為 450 V；輸入電壓（AC）為 220 V；充電電流為1～5 A。為保證充電器及后備電源長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，充電器還應(yīng)當(dāng)具備過(guò)壓保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、短路保護(hù)功能，同時(shí)滿足變槳實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的振動(dòng)可靠性要求。

3測(cè)試分析

基于上述設(shè)計(jì)方案，搭建了基于超級(jí)電容的變槳系統(tǒng)后備電源并進(jìn)行實(shí)際測(cè)試分析，測(cè)試其充電、放電等特性，并評(píng)估其能否滿足變槳系統(tǒng)后備電源需要。

測(cè)試曲線中各量與實(shí)際值對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：電機(jī)轉(zhuǎn)速100 unit/s對(duì)應(yīng)變槳速度1°/s；槳葉位置100 unit對(duì)應(yīng)實(shí)際槳葉位置1°；電容電壓值與實(shí)際值一致。

3.1充電測(cè)試

充電起始電壓為90 V，充電截至電壓為450 V，環(huán)境溫度為15.6℃，測(cè)試曲線如圖2所示?？梢?jiàn)，基于超級(jí)電容的變槳系統(tǒng)后備電源從90～450 V的充電曲線平滑，接近理想充電曲線。90～450 V充電時(shí)間為736 s，實(shí)測(cè)0～450 V的充電時(shí)間為931 s，遠(yuǎn)小于鉛酸蓄電池7～9 h的充電時(shí)間，充電特性優(yōu)異。

圖2超級(jí)電容后備電源充電曲線

3.2放電測(cè)試

模擬電網(wǎng)及電容供電條件下槳葉往返運(yùn)動(dòng)，給定槳葉角度范圍91～61°，給定變槳速度3°/s，環(huán)境溫度15.3℃，測(cè)試曲線如圖3、圖4所示。超級(jí)電容供電條件下，其位置、速度給定與響應(yīng)特性與電網(wǎng)供電條件下基本一致，基于超級(jí)電容的變槳系統(tǒng)后備電源可滿足變槳系統(tǒng)運(yùn)行需要。

3.3緊急順槳測(cè)試

模擬變槳系統(tǒng)緊急順槳功能，給定角度0～91°，給定變槳速度7°/s，環(huán)境溫度14.4℃，測(cè)試曲線見(jiàn)圖5。出現(xiàn)電網(wǎng)供電中斷的情況下，變槳系統(tǒng)自動(dòng)切換至超級(jí)電容后備電源供電，同時(shí)啟動(dòng)緊急順槳，將槳葉關(guān)至安全位置?；诔?jí)電容的變槳系統(tǒng)后備電源可滿足變槳系統(tǒng)緊急順槳時(shí)對(duì)后備電源大功率、大電流放電的要求，按設(shè)計(jì)要求投入運(yùn)行，保證變槳系統(tǒng)按給定的角度和速度實(shí)現(xiàn)變槳系統(tǒng)的緊急順槳功能。

圖4超級(jí)電容供電條件下變槳運(yùn)動(dòng)模擬

上述測(cè)試表明，文中搭建的基于超級(jí)電容變槳系統(tǒng)后備電源可滿足變槳系統(tǒng)后備電源充電、放電及緊急順槳功能需求，且相比于鉛酸蓄電池，超級(jí)電容所具有的耐低溫及長(zhǎng)壽命特性使其作為變槳系統(tǒng)后備電源更具優(yōu)勢(shì)。

4結(jié)束語(yǔ)

圖5超級(jí)電容后備電源順槳曲線

針對(duì)傳統(tǒng)變槳系統(tǒng)鉛酸蓄電池后備電源低溫性能差、壽命短等缺陷，結(jié)合近些年迅速發(fā)展的超級(jí)電容技術(shù)，設(shè)計(jì)了以超級(jí)電容作為變槳系統(tǒng)后備電源的方案，該方案可克服以鉛酸蓄電池為后備電源存在的問(wèn)題，降低變槳系統(tǒng)故障率，減少風(fēng)機(jī)維護(hù)成本，改善風(fēng)電機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益。目前，超級(jí)電容模組價(jià)格較高，一定程度上影響了其在變槳系統(tǒng)后備電源上的應(yīng)用與推廣，隨著超級(jí)電容技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步升級(jí)，生產(chǎn)成本的進(jìn)一步下降，相信基于超級(jí)電容的變槳系統(tǒng)后備電源具有良好的市場(chǎng)前景。

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