SL1500機(jī)組超級(jí)電容備用電源系統(tǒng)替換鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)技術(shù)研究

李 鋒

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SL1500機(jī)組超級(jí)電容備用電源系統(tǒng)替換鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)技術(shù)研究

李 鋒

（新疆金風(fēng)科技股份有限公司，烏魯木齊 830011）

由于目前以鉛酸蓄電池作為備用電源系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行2～3年后頻繁報(bào)出備用電源相關(guān)故障，因此本文以SL1500風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，提出針對(duì)SL1500風(fēng)機(jī)的鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)更換為超級(jí)電容備用電源系統(tǒng)的技術(shù)方案，并從能量計(jì)算及超級(jí)電容模組選擇、充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、超級(jí)電容柜柜體設(shè)計(jì)3個(gè)方面對(duì)該技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)描述。最后通過在SL1500機(jī)組上測(cè)試以及對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)分析，從而證明該替換解決方案具有可行性、具有推廣的價(jià)值。

SL1500機(jī)組；超級(jí)電容；鉛酸蓄電池；備用電源系統(tǒng)；替換

目前并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組備用電源系統(tǒng)主要有兩種形式：①采用超級(jí)電容作為備用電源系統(tǒng)；②采用鉛酸蓄電池作為備用電源系統(tǒng)。前者在早期的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中普遍采用，其具有壽命長(zhǎng)、無記憶效應(yīng)、運(yùn)行溫度寬、充電速度快、功率密度大等優(yōu)點(diǎn)，但是價(jià)格較鉛酸蓄電池要高。因此部分整機(jī)廠家采用了鉛酸蓄電池作為備用電源系統(tǒng)。鉛酸蓄電池本身易受溫度影響，且充電時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)的缺點(diǎn)，使得風(fēng)機(jī)在運(yùn)行2～3年后頻繁報(bào)出相關(guān)故障，導(dǎo)致風(fēng)電廠想將鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)更換成超級(jí)電容備電系統(tǒng)。本文就是在此背景下，針對(duì)SL1500機(jī)組進(jìn)行研究后提出SL1500機(jī)組超級(jí)電容備用電源系統(tǒng)替換鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)的技術(shù)方案。

1 替換方案的綜合研究概述

SL1500機(jī)組是華銳風(fēng)電制造的1.5MW并網(wǎng)型雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，該機(jī)組的備用電源系統(tǒng)主要由采用30節(jié)12V 5.2Ah的鉛酸蓄電池串聯(lián)構(gòu)成機(jī)組的備用電源系統(tǒng)，其主要作用在于當(dāng)機(jī)組發(fā)生電網(wǎng)掉電、電網(wǎng)質(zhì)量相關(guān)故障時(shí)，為變槳系統(tǒng)提供后備能量使變槳系統(tǒng)將槳葉順槳至安全位置，確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組處于安全狀態(tài)。

從系統(tǒng)構(gòu)成上細(xì)分，該系統(tǒng)主要由充電管理子系統(tǒng)、放電管理子系統(tǒng)、蓄電池檢測(cè)子系統(tǒng)、能量存儲(chǔ)子系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。這4個(gè)子系統(tǒng)安裝位置也有不同，其中充電管理子系統(tǒng)、放電管理子系統(tǒng)、蓄電池檢測(cè)子系統(tǒng)位于機(jī)艙310柜，能量存儲(chǔ)子系統(tǒng)位于機(jī)艙后部與發(fā)電機(jī)下側(cè)的結(jié)合部。

圖1 SL1500鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

由于目前鉛酸蓄電池和超級(jí)電容在各產(chǎn)品的尺寸和存儲(chǔ)能量的方式以及充電的要求方面各有不同，因此本替換技術(shù)在以下幾個(gè)方面做了研究。

1）能量計(jì)算和超級(jí)電容模組選型。

2）重新設(shè)計(jì)了基于超級(jí)電容的充電系統(tǒng)，并根據(jù)SL1500機(jī)組布局特點(diǎn)設(shè)計(jì)了相應(yīng)充電器的固定支架。

3）對(duì)超級(jí)電容柜柜體進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，以滿足對(duì)超級(jí)電容模組安裝固定的要求。

4）對(duì)原有SL1500鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)電路進(jìn)行優(yōu)化。

2 替換方案詳細(xì)闡述

2.1 能量計(jì)算和超級(jí)電容模組選擇

1）能量計(jì)算

能量計(jì)算包括兩個(gè)部分，即理論計(jì)算和動(dòng)態(tài)仿真。本替換方案的研究對(duì)象為SL1500系列機(jī)組中的8215機(jī)型，其能量計(jì)算主要設(shè)計(jì)到的參數(shù)有變槳減速器的減速比、變槳回轉(zhuǎn)支撐的齒數(shù)、變槳減速器的齒數(shù)。詳細(xì)闡述如下。

（1）理論計(jì)算

假定當(dāng)變槳系統(tǒng)主電發(fā)生掉電故障，槳葉以緊急收槳的速度從0°位置回槳至安全位置即90°，則利用下面公式：

式中，為槳葉從0°回到安全位置所需能量，kJ；為變槳電機(jī)額定扭矩，N·m；為變槳電機(jī)收槳時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速（通過緊急收槳速度、變槳減速器的減速比、齒數(shù)以及變槳回轉(zhuǎn)支撐的齒數(shù)的關(guān)系換算而來），r/min；1為驅(qū)動(dòng)器效率；2為變槳電機(jī)效率；為緊急順槳時(shí)間（通過式（2）計(jì)算而來），s。

通過上式計(jì)算可以得到8215機(jī)型槳葉回槳一次所需能量為86kJ。

（2）動(dòng)態(tài)仿真

根據(jù)GB 18451.1—2001中7.4規(guī)定的載荷相關(guān)規(guī)定，以極端風(fēng)速作為參考標(biāo)準(zhǔn)并利用下面公式：

式中，為槳葉從0°回到安全位置所需能量，kJ；T為時(shí)刻時(shí)變槳電機(jī)的扭矩值，N·m；W為時(shí)刻時(shí)變槳電機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min；為個(gè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)間隔時(shí)間，s。

通過對(duì)相關(guān)載荷的仿真計(jì)算，選擇出所需要能量最大的工況的能量值作為動(dòng)態(tài)仿真需要的能量值。本替換方案中動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果為72.6kJ。

通過對(duì)理論計(jì)算和仿真計(jì)算，選取最大能量值為8215機(jī)型超級(jí)電容變備用電源系統(tǒng)所需最小能量。

在工程設(shè)計(jì)中，還有兩方面的問題需要考慮：①能量裕量，由于電容在使用過程中，內(nèi)阻會(huì)增加，容量會(huì)減少。當(dāng)電容容量下降20%時(shí)，電容將不能正常使用，因此通常在設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮能量裕量的問題；②收槳次數(shù)，根據(jù)《NBT 31018—2011風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電動(dòng)變槳控制技術(shù)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定：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)幼鞯囊蟆５ǔＴ诠こ淘O(shè)計(jì)取2～3次的收槳能力，本替換方案則按照2次收槳進(jìn)行設(shè)計(jì)。

綜上所述，本替換方案中8215機(jī)型超級(jí)電容備用電源系統(tǒng)所需要提供的最小能量為206kJ。

2）超級(jí)電容模組選擇

超級(jí)電容模組所含能釋放的能量按照式（4）進(jìn)行計(jì)算，即

式中，為超級(jí)電容模組所含能量，J；為超級(jí)電容模組容值，F(xiàn)；在工程計(jì)算中，通常將其看成定值即：環(huán)境溫度為25℃時(shí)，恒流放電時(shí)的容值；1為超級(jí)電容放電起始端電壓，V；2為超級(jí)電容放電終止端電壓，V。

由于備用電源系統(tǒng)是給變槳系統(tǒng)提供順槳所需的能量，因此在超級(jí)電容放電終止端電壓的選擇上應(yīng)能確保變槳驅(qū)動(dòng)器正常工作。SL1500機(jī)組變槳系統(tǒng)使用的是KEB的驅(qū)動(dòng)器，其直流母線正常工作的最小電壓為240V DC。超級(jí)電容放電起始端點(diǎn)壓等于備用電源的充電裝置的輸出電壓。因此本替換技術(shù)取超級(jí)電容放電終止端點(diǎn)壓為250V DC，超級(jí)電容放電起始電壓為400V DC。

根據(jù)上面的電壓以及能量要求，本替換技術(shù)選取的電容模組單體參數(shù)見表1。

表1 電容模組單體參數(shù)表

電容模組采用3串2并的連接方式，其額定電壓為405V DC，根據(jù)式（4）計(jì)算可得到電容模組所含能量為223kJ＞206kJ，因此該連接方式可以滿足超級(jí)電容放電起始電壓和模組容量的要求。

2.2 充電管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）設(shè)計(jì)充電管理系統(tǒng)的原因

根據(jù)式（4）可以看出，超級(jí)電容模組的電壓可以表征其所含能量的大小。同時(shí)考慮到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組備用電源的工作方式為在線式、充電方式為浮充式，因此對(duì)于超級(jí)電容模組的充電器的輸出電壓控制精度要求高，穩(wěn)壓精度＜0.6%。而SL1500機(jī)組備用電源充電回路采用三相整流橋輔助以限流電阻的形式（如圖2所示）對(duì)鉛酸蓄電池模組進(jìn)行充電。

圖2 原SL1500鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)

根據(jù)圖2所示，原SL1500機(jī)組備用電源的充電方式易受到電源電壓波動(dòng)的影響，根據(jù)《NBT 31018—2011風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電動(dòng)變槳控制技術(shù)規(guī)范》第4.1.5.1條交流電源相關(guān)規(guī)定：電源電壓允許波動(dòng)范圍：電壓額定值的-15%～+10%。同時(shí)限流電阻阻值受溫度等因素影響而該充電方式缺乏對(duì)電阻阻值的溫度補(bǔ)償，因此如果沿用原SL1500機(jī)組的備用電源充電方式為超級(jí)電容模組進(jìn)行充電，則無法滿足超級(jí)電容備用電源系統(tǒng)對(duì)模組端點(diǎn)壓的要求，需要重新設(shè)計(jì)超級(jí)電容備用電源的充電系統(tǒng)。

2）充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）充電系統(tǒng)工作原理

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組起動(dòng)前，充電系統(tǒng)將為超級(jí)電容模組充電，當(dāng)超級(jí)電容電壓達(dá)到額定值時(shí)，認(rèn)為超級(jí)電容模組能量已充滿，滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)組起動(dòng)條件。隨后充電系統(tǒng)將進(jìn)入浮充狀態(tài)，以便超級(jí)電容模組時(shí)刻保持能量充滿的狀態(tài)，如圖3所示。

圖3 充電系統(tǒng)與超級(jí)電容模組充電方式

（2）充電電路設(shè)計(jì)以及充電器選型

超級(jí)電容模組充電電路主要由超級(jí)電容充電器以及電源電路、信號(hào)電路構(gòu)成，如圖4所示。

圖4 充電系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)示意圖

超級(jí)電容充電器的作用在于，當(dāng)交流電源發(fā)生波動(dòng)的時(shí)候依然能夠?qū)⒔涣麟娫崔D(zhuǎn)換成超級(jí)電容模組設(shè)計(jì)電壓，為超級(jí)電容充電。

電源電路包括輸入電路和輸出電路，輸入采用單相230V AC 50Hz交流電源，線路中加入斷路器作為保護(hù)器件，輸出電路采用直流輸出，直接連接超級(jí)電容模組。

信號(hào)電路包括狀態(tài)反饋和控制信號(hào)，狀態(tài)反饋包括超級(jí)電容充電器輸出正常、超級(jí)電容是否充滿的信號(hào)?？刂菩盘?hào)是指充電器禁止輸出信號(hào)。具體控制邏輯示意圖如圖5所示。

圖5 超級(jí)電容充電器控制邏輯示意圖

根據(jù)電容參數(shù)以及電源電路和信號(hào)電路要求，充電器選型參數(shù)見表2。

表2 充電器選型參數(shù)

（3）充電器固定

由于目前行業(yè)中采用的充電器尺寸都比較大，而其本身SL1500風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊密且放置備用電源模組的位置控制有限，使其無法安裝和維護(hù)，因此本技術(shù)采用將充電系統(tǒng)放置于SL1500系統(tǒng)300控制柜中并設(shè)計(jì)一套充電器固定套件，用于固定充電器。充電器固定套件包括支撐橫梁以及固定組件，分別如圖6、圖7所示。

圖6 支撐橫梁

圖7 充電器固定組件

支撐橫梁是根據(jù)SL1500機(jī)艙控制柜的尺寸具體充電器大小所設(shè)計(jì)。同時(shí)考慮拆卸和維護(hù)的方便性，將橫梁支撐面向外延伸20mm，以方便于拆卸和維護(hù)。

充電器固定組件有兩個(gè)Z字型卡件構(gòu)成，結(jié)構(gòu)對(duì)稱。兩邊各有一個(gè)15mm寬通孔，方便固定組件左右調(diào)節(jié)，同時(shí)中間部位采用直徑為10mm通孔，已適應(yīng)充電器寬度尺寸不一致的情況。在安裝方面，該固定組件的設(shè)計(jì)可以使充電器從、兩個(gè)方向任意固定。從方向固定時(shí)，只需將右半邊組件拆除，待充電器安裝完畢后再將其安裝上即可。

2.3 超級(jí)電容柜設(shè)計(jì)

1）設(shè)計(jì)超級(jí)電容柜的原因

SL1500機(jī)組原鉛酸蓄電池備用電源柜位于機(jī)艙尾部、發(fā)電機(jī)下側(cè)，采用760mm×600mm×200mm的柜體。由于超級(jí)電容模組的安定方式與安裝尺寸和鉛酸蓄電池都存在不同，所以該柜體無法安裝超級(jí)電容模組，因此需要重新設(shè)計(jì)柜體。

2）超級(jí)電容柜設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述

本技術(shù)中提出雙層結(jié)構(gòu)并附加以觀察維護(hù)孔的形式來設(shè)計(jì)超級(jí)電容柜，具體如圖8所示。柜體采用760mm×600mm×350mm的柜體，通過中間安置水平安裝板將柜體分為底部和上部?jī)刹糠帧５撞堪惭b有6個(gè)超級(jí)電容模組，采用3串2并的方式，模組間留有10mm間隔以便于空氣流通。柜體左側(cè)安裝有用于空氣流通的風(fēng)扇，柜體右側(cè)作為超級(jí)電容柜出線口。

圖8 超級(jí)電容柜柜體結(jié)構(gòu)示意圖

超級(jí)電容柜上部為器件安裝區(qū)，安裝有主電接線端子、信號(hào)接線端子、電容保護(hù)熔斷器、內(nèi)循環(huán)風(fēng)扇保護(hù)斷路器等。同時(shí)考慮到超級(jí)電容的可維護(hù)性，特別設(shè)置了觀察維護(hù)孔，如圖9所示。維護(hù)人員可通過該觀察維護(hù)孔，完成對(duì)超級(jí)電容模組的電壓、信號(hào)測(cè)量以及二次接線工作。

圖9 超級(jí)電容柜上層板結(jié)構(gòu)示意圖

3 風(fēng)場(chǎng)驗(yàn)證

該SL1500機(jī)組超級(jí)電容備用電源系統(tǒng)替換鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)在甘肅某風(fēng)場(chǎng)SL1500-82機(jī)組上得到測(cè)試以及應(yīng)用，測(cè)試分為充電測(cè)試、收槳能力測(cè)試兩部。在應(yīng)用上進(jìn)行近兩個(gè)月的故障統(tǒng)計(jì)以說明該技術(shù)的可靠性。

3.1 充電測(cè)試

充電測(cè)試主要測(cè)試其系統(tǒng)充電能力以及充電時(shí)間，因此測(cè)試是從超級(jí)電容模組電壓為0開始，以超級(jí)電容模組電壓達(dá)到設(shè)計(jì)電壓為止進(jìn)行的，具體數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖10 超級(jí)電容模組充電曲線圖

根據(jù)圖10數(shù)據(jù)可以得到以下結(jié)論：超級(jí)電容模組充電起始電壓為0，充電終止電壓為405.18V DC，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，整個(gè)充電過程所用時(shí)間為721.5s，約為12.025min。

3.2 收槳能力測(cè)試

在能量設(shè)計(jì)的時(shí)候，超級(jí)電容模組所含能量就是能夠保證SL1500機(jī)組連續(xù)兩次收槳，因此測(cè)試時(shí)也按照連續(xù)兩次收槳進(jìn)行測(cè)試，具體數(shù)據(jù)分別如圖11、圖12所示。

圖11 超級(jí)電容模組連續(xù)兩次收槳電壓曲線圖

圖12 連續(xù)兩次收槳能力測(cè)試槳葉位置曲線

針對(duì)圖11、圖12的數(shù)據(jù)分析如下。

1）第一次收槳開始時(shí)，超級(jí)電容電壓為405.5V DC，當(dāng)三個(gè)槳葉收槳至90°時(shí)，超級(jí)電容電壓為375.77V DC。根據(jù)計(jì)算，電壓下降幅度為29.95V DC所消耗能量為50.2kJ。

2）第二次收槳開始時(shí)，超級(jí)電容電壓為367.43VDC，當(dāng)3個(gè)槳葉收槳至90°時(shí)，超級(jí)電容電壓為337.19V DC。根據(jù)計(jì)算，電壓下降幅度為30.24V，所消耗能量為46.876kJ。

3）經(jīng)過連續(xù)兩次收槳后，剩余能量為112.6kJ。

通過以上數(shù)據(jù)可以驗(yàn)證該替換技術(shù)能夠滿足SL1500機(jī)組連續(xù)兩次收槳。

3.3 故障統(tǒng)計(jì)

目前該替換技術(shù)已經(jīng)在甘肅某風(fēng)場(chǎng)中的兩臺(tái)風(fēng)機(jī)上得到應(yīng)用。在經(jīng)過近一個(gè)季度的運(yùn)行中，發(fā)生超級(jí)電容備用電源系統(tǒng)技術(shù)故障為零，從而說明替換后的超級(jí)電容備用電源系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，從而確保SL1500機(jī)組安全可靠運(yùn)行。

4 結(jié)論

本文針對(duì)SL1500機(jī)組的運(yùn)行中所暴露出鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)相關(guān)故障，提出了利用超級(jí)電容備用電源系統(tǒng)替換鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)的技術(shù)。同時(shí)對(duì)替換技術(shù)中設(shè)計(jì)到的電容能量計(jì)算和選型、充電系統(tǒng)、超級(jí)電容柜進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)描述。最后通過風(fēng)場(chǎng)測(cè)試以證明：針對(duì)SL1500機(jī)組，該超級(jí)電容備用電源系統(tǒng)替換鉛酸蓄備用電源系統(tǒng)的技術(shù)切實(shí)可行，能夠在滿足風(fēng)機(jī)對(duì)備用電源的需求同時(shí)降低原鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)相關(guān)故障，加快了備用電源充電速度，從而保證了SL1500機(jī)組安全可靠運(yùn)行，因此該技術(shù)方案具有推廣價(jià)值。

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The technology research of ultracapacitorback-up power system replacing lead-acid battery back-up power system on SL1500

Li Feng

(Xinjiang Goldwind Technologies Inc, Urumqi 830011)

The wind turbines whose back-up power system is lead-acid battery frequently occur related faults after 2～3 years of operation.Based on SL1500 research object, the thesis supplies the solution that the lead-acid back-up power system replaces with the ultracapacitor back-up power system on the SL1500. meanwhile, the thesis detail introduces the solution through the description for energy calculation and super capacitor module selection, charger system design and super capacitor cabinet design. By testing on SL1500 and analyses for test data, the solution is proved that it is an executable technologyand value to spread.

SL1500; ultracapacitor; lead-acid battery; back-up system; replace

2017-12-20

李 鋒（1984-），男，碩士研究生，中級(jí)工程師，主要從事風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳控制技術(shù)研究工作。