超級(jí)電容在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

文 | 周玲慧，趙燕，徐峰

超級(jí)電容在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

文 | 周玲慧，趙燕，徐峰

兆瓦級(jí)直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組電控系統(tǒng)，由機(jī)艙控制柜、變流器、變槳系統(tǒng)、塔底控制柜組成。其中變槳系統(tǒng)是整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的重要組成部分，所有部件都安裝在輪轂上，機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，所有部件都隨輪轂以一定的速度旋轉(zhuǎn)。通過控制葉片的角度來控制風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制機(jī)組的輸出功率，并能夠通過空氣動(dòng)力制動(dòng)的方式使機(jī)組安全停機(jī)。風(fēng)電機(jī)組的葉片通過變槳軸承與輪轂相連，每個(gè)葉片都有自己相對(duì)獨(dú)立的電控同步的變槳驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，變槳驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過一個(gè)小齒輪與變槳軸承內(nèi)齒嚙合聯(lián)動(dòng)。

在市電正常時(shí)，變槳系統(tǒng)依賴市電供電，為保證市電停止后，變槳系統(tǒng)仍然可以工作一段時(shí)間，以確保機(jī)組在發(fā)生嚴(yán)重故障或重大事故的情況下可以安全停機(jī)（葉片順槳到90°）。需要一個(gè)為系統(tǒng)提供一定工作能量的儲(chǔ)能裝置，該儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)存能量的大小，根據(jù)用電設(shè)備的功率和備用時(shí)間確定。

目前風(fēng)電行業(yè)一些儲(chǔ)能裝置采用了蓄電池，其主要缺點(diǎn)是重量較重、體積較大、循環(huán)壽命短、維護(hù)成本較高，同時(shí)充放電效率低，對(duì)工作溫度要求也較嚴(yán)格。

超級(jí)電容又叫做電化學(xué)電容器，是近期發(fā)展起來的一種新型儲(chǔ)能元件，它既像靜電電容一樣具有很高的放電功率，又像電池一樣具有很大的電荷儲(chǔ)存能力，使得這兩種元件找到一個(gè)最佳結(jié)合點(diǎn)。它性能穩(wěn)定，容量為傳統(tǒng)電容器的20倍—200倍，功率一般大于1000W/kg，循環(huán)壽命大于105次，可儲(chǔ)存的能量比傳統(tǒng)電容要高得多，并且充電快速。

由于超級(jí)電容具有可以快速充放電、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)異性能，因此非常適用于風(fēng)電機(jī)組中變槳系統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置，能有效增強(qiáng)變槳系統(tǒng)的可靠性。

機(jī)組及變槳系統(tǒng)介紹

風(fēng)電作為綠色可再生能源近年來受到了國家產(chǎn)業(yè)政策的大力扶持，航天科工集團(tuán)第三研究院貫徹《中國航天科工集團(tuán)公司自主創(chuàng)新工作管理辦法》的有關(guān)要求，面向新能源領(lǐng)域風(fēng)電產(chǎn)業(yè)，開展擁有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全功率2MW風(fēng)電變流器的研發(fā)，并同步開展1.5MW直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電整機(jī)系統(tǒng)的研發(fā)與設(shè)計(jì)。經(jīng)過近三年時(shí)間，風(fēng)電研發(fā)隊(duì)伍在大慶瑞好風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行了無數(shù)次調(diào)試和試驗(yàn)，對(duì)機(jī)組進(jìn)行并網(wǎng)發(fā)電試驗(yàn)，成功實(shí)現(xiàn)了1.5MW大功率并網(wǎng)發(fā)電，并完成了連續(xù)多天無人值守下的小功率并網(wǎng)發(fā)電考核。下面針對(duì)超級(jí)電容在該風(fēng)電機(jī)組中的應(yīng)用進(jìn)行介紹。

一、風(fēng)電機(jī)組

直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組為變槳距調(diào)節(jié)型機(jī)組，由主控系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、變流器系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、安全鏈系統(tǒng)等多部分組成。其中主控系統(tǒng)在風(fēng)電機(jī)組控制和運(yùn)行中占有核心地位，主要作用是通過各類傳感器對(duì)電網(wǎng)、氣象及機(jī)組運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，并與其它控制器保持通訊，根據(jù)各方面的情況作出綜合分析后，發(fā)出各種控制指令，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的自動(dòng)啟動(dòng)/停機(jī)、偏航對(duì)風(fēng)、機(jī)艙扭纜、變槳距控制、變速控制和運(yùn)行故障監(jiān)控等。

風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行期間，葉片會(huì)在風(fēng)速變化的時(shí)候繞其徑向軸轉(zhuǎn)動(dòng)。在整個(gè)風(fēng)速范圍內(nèi)具有幾乎最佳的槳距角和較低的切入風(fēng)速。高風(fēng)速時(shí)，改變槳距角以減少攻角，從而減小葉片上的氣動(dòng)力，保證葉輪輸出功率不超過發(fā)電機(jī)的額定功率。主控系統(tǒng)與變槳系統(tǒng)之間通訊采用CANOPEN協(xié)議，波特率為50Kbps。

風(fēng)電機(jī)組采用全功率變流器并網(wǎng)，把機(jī)組帶動(dòng)的永磁同步電機(jī)發(fā)出的交流電變?yōu)橹绷麟?，再?jīng)過逆變器變換成可并入電網(wǎng)的符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的交流電。主控系統(tǒng)與變流器系統(tǒng)之間通訊采用CAN 2.0B協(xié)議，數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)幀格式（11 位ID），波特率為500Kbps。

在啟動(dòng)風(fēng)電機(jī)組之前，需保證三個(gè)超級(jí)電容均已充電完畢。當(dāng)出現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)斷電的情況，變槳系統(tǒng)由超級(jí)電容供電，完成收槳工作，實(shí)現(xiàn)機(jī)組安全停機(jī)。

二、變槳系統(tǒng)

變槳中央控制箱執(zhí)行輪轂內(nèi)的軸控箱和位于機(jī)艙內(nèi)的機(jī)艙控制柜之間的連接工作。變槳中央控制箱與機(jī)艙控制柜的連接通過滑環(huán)實(shí)現(xiàn)。機(jī)艙控制柜通過滑環(huán)向變槳中央控制柜提供電能和控制信號(hào)。另外風(fēng)電機(jī)組主控系統(tǒng)和變槳控制器之間用于數(shù)據(jù)交換的Profibus-DP的連接也通過這個(gè)滑環(huán)實(shí)現(xiàn)。

圖1為變槳系統(tǒng)內(nèi)部接口示意圖，主要包括通訊模塊、超級(jí)電容模塊和槳葉控制模塊三部分。通訊模塊主要完成三個(gè)槳葉控制系統(tǒng)與風(fēng)電機(jī)組主控系統(tǒng)的信息傳遞，實(shí)現(xiàn)主控系統(tǒng)對(duì)變槳系統(tǒng)的控制，以及主控系統(tǒng)對(duì)變槳系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)控。超級(jí)電容模塊的作用是在滑環(huán)斷電或變槳系統(tǒng)欠壓的情況下，向變槳系統(tǒng)提供能量，將三個(gè)槳葉順槳，保證整個(gè)機(jī)組的安全。槳葉控制模塊接收主控系統(tǒng)的指令，按照主控系統(tǒng)的要求將槳葉開到指定的角度。

變槳系統(tǒng)采用模塊化控制，由三個(gè)完全相同的變槳控制器分別控制三個(gè)槳葉。變槳控制器由變頻器、接觸器、繼電器以及DC電源等模塊組成。變頻器型號(hào)為Vacon NX_5系列變頻器。

對(duì)每個(gè)槳葉采用單獨(dú)伺服電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，伺服電機(jī)通過主動(dòng)齒輪與槳葉輪轂內(nèi)齒圈嚙合直接對(duì)槳葉的槳距角進(jìn)行控制。位移傳感器采集槳葉槳距角的變化與電機(jī)形成閉環(huán)PID負(fù)反饋控制，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障如控制電源斷電時(shí)，由超級(jí)電容向槳葉控制電機(jī)供電，將槳葉調(diào)節(jié)為順槳位置，實(shí)現(xiàn)葉輪停轉(zhuǎn)。

風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行期間，當(dāng)風(fēng)速超過機(jī)組額定風(fēng)速時(shí)，為了控制功率輸出，變槳系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)速變化自動(dòng)調(diào)整槳距角，將槳距角限定在一個(gè)小角度（如30°）之內(nèi)，通過控制葉片的角度可使風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速保持恒定。任何情況引起的停機(jī)都會(huì)使葉片順槳到90°位置。

主控軟件對(duì)超級(jí)電容充電控制以及故障檢測(cè)

接下來以超級(jí)電容1為例，介紹主控系統(tǒng)軟件如何進(jìn)行超級(jí)電容充電控制以及故障檢測(cè)。對(duì)超級(jí)電容2和超級(jí)電容3的充電控制以及故障檢測(cè)，與超級(jí)電容1類似。

一、充電控制

主控系統(tǒng)查詢超級(jí)電容1的電壓持續(xù)60s高于490V則向超級(jí)電容1發(fā)送停止充電指令；持續(xù)10s低于470V則將停止充電指令清零。

若查詢到超級(jí)電容1的電壓持續(xù)5s低于525V，并且無停止充電指令，則向超級(jí)電容1發(fā)送充電指令。

若同時(shí)查收到三個(gè)槳葉的停止充電指令，表示變槳系統(tǒng)超級(jí)電容充電完畢，此時(shí)機(jī)組才能啟動(dòng)。

二、充電流程

整機(jī)系統(tǒng)對(duì)風(fēng)完畢之后，點(diǎn)擊風(fēng)電機(jī)組操控界面上的滑環(huán)供電按鈕，主控系統(tǒng)查收到滑環(huán)供電指令40s后給變槳系統(tǒng)發(fā)送啟動(dòng)通訊指令。若查收到三個(gè)槳葉的通訊心跳位均不在，即主控與變槳通訊未建立，則向變槳系統(tǒng)發(fā)送滑環(huán)上電指令，否則只要任何一個(gè)槳葉的通訊心跳位存在就向變槳系統(tǒng)發(fā)送停止運(yùn)行指令，并在3s之后查詢超級(jí)電容放電回路接觸器是否已斷開，若三個(gè)接觸器均斷開則向變槳系統(tǒng)發(fā)送滑環(huán)上電指令，否則報(bào)故障。這樣設(shè)計(jì)的好處是，如果因變槳系統(tǒng)故障導(dǎo)致整機(jī)停機(jī)了，變槳系統(tǒng)超級(jí)電容放電回路接觸器有可能并未斷開而處于閉合狀態(tài)，此時(shí)若重新做試驗(yàn)，給滑環(huán)上電并向變槳發(fā)送充電指令，可能會(huì)出現(xiàn)超級(jí)電容電源板被燒壞的現(xiàn)象，而每次主控收到滑環(huán)上電指令就啟動(dòng)變槳通訊并查詢心跳位，若心跳位存在則向變槳發(fā)送停止運(yùn)行指令，給滑環(huán)斷電，可以成功規(guī)避該問題。

主控系統(tǒng)向變槳系統(tǒng)發(fā)送滑環(huán)上電指令后會(huì)收到變槳的供電反饋信號(hào)，40s后主控系統(tǒng)啟動(dòng)與1號(hào)槳葉之間通信，之后每隔1min再分別與 2號(hào)、3號(hào)槳葉建立通信。通信建立成功后主控系統(tǒng)可接收到變槳系統(tǒng)發(fā)送的50ms變化一次的心跳位信號(hào)，同時(shí)主控系統(tǒng)向變槳系統(tǒng)發(fā)送20ms變化一次的主控心跳信號(hào)。主控系統(tǒng)通過判斷接收到的槳葉狀態(tài)字與心跳位狀態(tài)，確定與變槳通信是否正常。通信正常后主控系統(tǒng)判斷如果槳葉超級(jí)電容電壓高于490V，則向變槳系統(tǒng)發(fā)送超級(jí)電容充電停止指令；如果超級(jí)電容電壓低于470V，則向變槳系統(tǒng)發(fā)送超級(jí)電容充電開始指令。判斷超級(jí)電容放電回路接觸器是否正常斷開、三組槳葉是否充電都完成，若未完成則重新進(jìn)行上述判斷，直至完成。

判斷變槳系統(tǒng)自檢完成進(jìn)入正常工作模式后，主控系統(tǒng)向變槳系統(tǒng)發(fā)送運(yùn)行指令和位置1控制命令字。

成功建立通信后，槳葉角度在操控界面上顯示為90°，待三槳葉全部充電完成，三個(gè)槳葉的位置角度會(huì)變?yōu)?9°，表示：變槳已經(jīng)供電正常，待啟動(dòng)（當(dāng)變槳處于急停狀態(tài)，其槳葉角度顯示為90°）。

三、故障檢測(cè)

當(dāng)主控系統(tǒng)檢測(cè)到任何一個(gè)超級(jí)電容電壓高于520V則報(bào)故障，同時(shí)給滑環(huán)斷電。

超級(jí)電容1放電時(shí)，若主控系統(tǒng)檢測(cè)到電壓持續(xù)1s低于465V或者超級(jí)電容電壓3s內(nèi)下降超過20V則報(bào)超級(jí)電容供電故障。

待超級(jí)電容充電1小時(shí)后，主控系統(tǒng)查詢超級(jí)電容電壓，若低于490V則報(bào)超級(jí)電容充電失敗故障。

在變槳工作過程中主控系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)三個(gè)超級(jí)電容放電回路接觸器的狀態(tài)，任何一個(gè)斷開均報(bào)故障。（主控給變槳發(fā)送運(yùn)行指令時(shí)，變槳會(huì)將超級(jí)電容放電回路接觸器閉合）

變槳系統(tǒng)正常啟動(dòng)后，當(dāng)要給滑環(huán)斷電時(shí)（通過操控界面可發(fā)斷電指令），主控先給變槳發(fā)送停止運(yùn)行指令（變槳收到后會(huì)斷開超級(jí)電容放電回路接觸器），主控在檢測(cè)到運(yùn)行指令下降沿跳變5s之后發(fā)送滑環(huán)斷電IO指令，緊接著查詢?nèi)齻€(gè)超級(jí)電容放電回路接觸器是否已斷，任何一個(gè)未斷開均報(bào)故障。如果變槳系統(tǒng)出現(xiàn)故障并未正常啟動(dòng)或者正處于超級(jí)電容充電過程中，主控系統(tǒng)在收到操控界面的滑環(huán)斷電指令后，緊接著發(fā)送滑環(huán)斷電IO指令。

滑環(huán)斷電5s之后若查詢到主控與任何一個(gè)槳葉系統(tǒng)之間通訊仍在，則報(bào)滑環(huán)斷電失敗故障。

超級(jí)電容性能驗(yàn)證試驗(yàn)

為整機(jī)系統(tǒng)安全性穩(wěn)定性考慮，應(yīng)分別對(duì)三個(gè)槳葉對(duì)應(yīng)超級(jí)電容的性能進(jìn)行驗(yàn)證，功能完好的情況下才能啟動(dòng)機(jī)組。

一、試驗(yàn)項(xiàng)目

首先，針對(duì)單個(gè)槳葉，待超級(jí)電容充電完畢，進(jìn)行如下幾項(xiàng)系統(tǒng)試驗(yàn)，均能正常收槳才表示該槳葉對(duì)應(yīng)超級(jí)電容功能完好：

1.滑環(huán)斷電試驗(yàn)；2.安全鏈急停試驗(yàn)；3.主控停車試驗(yàn)。

接下來，針對(duì)三槳同調(diào)工況，進(jìn)行如下幾項(xiàng)系統(tǒng)試驗(yàn)，均能正常收槳才表示整機(jī)系統(tǒng)的變槳系統(tǒng)超級(jí)電容功能完好：

1.超級(jí)電容充電過程中，主控急停試驗(yàn)；2.滑環(huán)上電但未建立變槳通信，主控急停試驗(yàn)；3.滑環(huán)未上電，主控急停試驗(yàn)。

二、試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)某工況下機(jī)組多次單槳收槳試驗(yàn)的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)一般單槳收槳20°超級(jí)電容電壓下降約10V，收槳30°超級(jí)電容電壓下降約15V，收槳60°超級(jí)電容電壓下降約25V。根據(jù)多次三槳同調(diào)收槳試驗(yàn)的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)一般收槳20°超級(jí)電容電壓下降約20V。

最后在各試驗(yàn)均能正常收槳，且三個(gè)超級(jí)電容性能均滿足要求的情況下，機(jī)組安全啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。

結(jié)束語

綜上所述，超級(jí)電容由于其充放電快、循環(huán)壽命長(zhǎng)等特性十分適用于風(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置，可提高機(jī)組穩(wěn)定性和安全性。從打破國外技術(shù)壟斷、保證國家電力安全和分享巨大的風(fēng)電市場(chǎng)角度考慮，超級(jí)電容的成功應(yīng)用具有極大的現(xiàn)實(shí)意義，對(duì)從事風(fēng)電事業(yè)的人員具有一定的借鑒意義。

（作者單位：中國航天科工集團(tuán)第三研究院）