基于葉片載荷的變槳后備電源能量計(jì)算方法

王振威 劉佳偉 呂 峰

基于葉片載荷的變槳后備電源能量計(jì)算方法

王振威 劉佳偉 呂 峰

（固安華電天仁控制設(shè)備有限公司，河北 廊坊 065500）

超級(jí)電容已成為現(xiàn)今主流的變槳系統(tǒng)后備電源。本文以超級(jí)電容為例，針對(duì)風(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)后備電源設(shè)計(jì)，提出一種基于葉片載荷的能量計(jì)算方法。通過(guò)與傳統(tǒng)順槳能量計(jì)算方法對(duì)比發(fā)現(xiàn)，本方法能提高能量計(jì)算的準(zhǔn)確度，實(shí)現(xiàn)成本優(yōu)化，對(duì)變槳系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

變槳系統(tǒng)；載荷；后備電源；超級(jí)電容

0 引言

在當(dāng)前全球能源安全問(wèn)題突出、環(huán)境污染問(wèn)題嚴(yán)峻的大背景下，加快發(fā)展風(fēng)電已成為國(guó)際社會(huì)推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型發(fā)展、應(yīng)對(duì)全球氣候變化、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的普遍共識(shí)[1-4]。中國(guó)可再生能源近年來(lái)發(fā)展迅猛，2030年前中國(guó)可再生能源的發(fā)電量占比將達(dá)30%以上[5]。

變槳系統(tǒng)作為風(fēng)電機(jī)組的重要控制與保護(hù)裝置，承擔(dān)著控制槳葉捕獲風(fēng)能的重要作用[6-7]。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組出現(xiàn)故障時(shí)，需要通過(guò)變槳系統(tǒng)控制槳葉收槳至安全位置，實(shí)現(xiàn)空氣制動(dòng)剎車(chē)；而當(dāng)電網(wǎng)供電異常情況下，變槳系統(tǒng)則需要利用系統(tǒng)自身后備電源提供能量，實(shí)現(xiàn)收槳功能。

隨著變槳技術(shù)的不斷發(fā)展，變槳系統(tǒng)主流后備電源已由傳統(tǒng)的鉛酸電池轉(zhuǎn)變?yōu)槌?jí)電容，而后備電源容量計(jì)算與選型將直接影響到系統(tǒng)的安全與成本。

1 變槳系統(tǒng)后備電源發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 后備電源類型的更迭

1859年，由法國(guó)人普蘭特發(fā)明了鉛酸電池，使用含氧化鉛的材料制成鉛板作為正極，海綿狀纖維活性物制成的鉛板作為負(fù)極，內(nèi)填充稀硫酸作為電解液傳導(dǎo)電子[8-9]。早期的變槳系統(tǒng)多為7柜結(jié)構(gòu)，其中包含3個(gè)后備電源柜，用以安裝鉛酸電池組。在風(fēng)電機(jī)組的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中，變槳系統(tǒng)使用的鉛酸電池出現(xiàn)了故障多、壽命短等情況。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在風(fēng)電機(jī)組的壽命周期內(nèi)，鉛酸電池通常被更換三、四次，鉛酸電池的費(fèi)用可達(dá)變槳系統(tǒng)總投資的50%以上，無(wú)論從經(jīng)濟(jì)效益還是系統(tǒng)運(yùn)行可靠性角度，使用鉛酸電池作后備電源均已成為變槳系統(tǒng)中十分薄弱的環(huán)節(jié)[10]。

超級(jí)電容器是1879年由德國(guó)物理學(xué)家亥姆霍茲提出的具有法拉級(jí)的超大電容器。該電容器是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的一種基于雙電層理論基礎(chǔ)，介于蓄電池和傳統(tǒng)電容器之間的全新儲(chǔ)能器件[11]。超級(jí)電容正負(fù)極為碳活性物和粘合劑經(jīng)過(guò)一定配比混合而成的極片材料，內(nèi)填充含有機(jī)材料的電解液。在超級(jí)電容充放電時(shí)，其正負(fù)極利用極化反應(yīng)吸附電解液中的正負(fù)離子，形成雙電層結(jié)構(gòu)進(jìn)行儲(chǔ)能，其儲(chǔ)能過(guò)程為物理反應(yīng)，并不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以超級(jí)電容在壽命上相較于其他儲(chǔ)能設(shè)備具有極大優(yōu)勢(shì)。

目前隨著儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，使用超級(jí)電容作為后備電源已受到越來(lái)越多廠商的關(guān)注。超級(jí)電容因其功率密度高、充電速度快、循環(huán)壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于工作環(huán)境嚴(yán)酷的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳系統(tǒng)的后備電源[12-15]。

根據(jù)當(dāng)前變槳系統(tǒng)相關(guān)國(guó)標(biāo)的設(shè)計(jì)要求，鉛酸電池作為后備電源時(shí)，系統(tǒng)在整個(gè)變槳范圍內(nèi)，其順槳能力不少于3次；而超級(jí)電容作為后備電源時(shí)，其順槳能力不少于1次[16]。因此相對(duì)于鉛酸電池，超級(jí)電容的選型和分析對(duì)后備電源的計(jì)算精度和準(zhǔn)確性要求更高。

1.2 后備電源順槳能力的測(cè)試與要求

變槳系統(tǒng)后備電源順槳能力通過(guò)加載試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試與驗(yàn)證。當(dāng)變槳系統(tǒng)加載試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)在與實(shí)際工作等效的工況條件下進(jìn)行，在試驗(yàn)過(guò)程中，由加載系統(tǒng)來(lái)模擬槳葉等效載荷，完成被測(cè)系統(tǒng)的一系列加載試驗(yàn)[17]。電動(dòng)變槳距加載試驗(yàn)平臺(tái)示意圖如圖1所示。

圖1 電動(dòng)變槳距加載試驗(yàn)平臺(tái)示意圖

風(fēng)力發(fā)電在中國(guó)發(fā)展已有十余年，但葉片載荷作為整機(jī)廠家的核心數(shù)據(jù)，在行業(yè)發(fā)展之初并未向部件廠家公開(kāi)，整機(jī)廠家習(xí)慣以變槳系統(tǒng)額定轉(zhuǎn)矩作為變槳系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和型式試驗(yàn)的參考力矩。而當(dāng)校驗(yàn)后備電源順槳能力時(shí)，也習(xí)慣以額定轉(zhuǎn)矩這一恒定值來(lái)檢驗(yàn)順槳的次數(shù)。通過(guò)風(fēng)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，變槳系統(tǒng)在0°～90°范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩是一個(gè)變化值。因此，若以變槳系統(tǒng)額定轉(zhuǎn)矩作為計(jì)算和檢驗(yàn)后備電源能量，將產(chǎn)生一定的偏差，并可能提高整個(gè)變槳系統(tǒng)的生產(chǎn)成本。

2 葉片載荷的分析與選取

2.1 葉片載荷的分析

各大風(fēng)電整機(jī)廠家在風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)之初，會(huì)通過(guò)仿真軟件輸出變槳系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)載荷數(shù)據(jù)。為達(dá)到設(shè)計(jì)目的，變槳系統(tǒng)需要綜合考慮疲勞與極端工況，系統(tǒng)的整體方案必須滿足風(fēng)電機(jī)組在設(shè)計(jì)壽命中可能產(chǎn)生的一系列設(shè)計(jì)風(fēng)況。

GH Bladed為一款工業(yè)級(jí)的風(fēng)力機(jī)仿真計(jì)算軟件，能為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)與控制提供可參考的解決方案[18]。該軟件已通過(guò)德國(guó)船級(jí)社與IEC認(rèn)證。一般將輸出以50ms為步長(zhǎng)，包含時(shí)間、槳距角、變槳速率、驅(qū)動(dòng)力矩等相關(guān)數(shù)據(jù)的載荷時(shí)序文件。某廠家3.0MW機(jī)型載荷時(shí)序見(jiàn)表1。

表1 某廠家3.0MW機(jī)型載荷時(shí)序

根據(jù)仿真得到的載荷時(shí)序數(shù)據(jù)可知，變槳系統(tǒng)在按預(yù)定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，其驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩是一個(gè)變化的過(guò)程，該驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩將隨著槳葉角度的變化而變化。圖2所示為某廠家3.0MW機(jī)型變槳系統(tǒng)在多個(gè)載荷工況下的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨槳葉角度分布圖。

圖2 驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩槳葉角度分布圖

由圖2可知，若運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)電網(wǎng)掉電情況，則此時(shí)驅(qū)動(dòng)部分的能量需要由后備電源提供，而系統(tǒng)后備電源的輸出功率將隨著槳葉角度的變化而變化。截取某廠家3.0MW機(jī)型的葉片載荷時(shí)序中一段數(shù)據(jù)，將變槳系統(tǒng)當(dāng)前能耗、當(dāng)前能耗占本次順槳總能耗的占比與槳葉角度關(guān)聯(lián)繪圖，得到能耗角度曲線圖，如圖3所示。

由圖3可知，從0°～90°的順槳過(guò)程中，變槳系統(tǒng)的當(dāng)前能耗隨槳葉角度的增大而變化。以該載荷數(shù)據(jù)為例，當(dāng)順槳角度到達(dá)56.78°時(shí)，系統(tǒng)已消耗本次順槳總能量的近90%；而完成56.78°～90°的順槳過(guò)程，只消耗了本次順槳能量的近10%。

由于順槳過(guò)程中變槳系統(tǒng)的能耗分布不均勻，所以用額定轉(zhuǎn)矩這一恒定值來(lái)檢驗(yàn)順槳的次數(shù)并不準(zhǔn)確。隨著整機(jī)廠家葉片載荷數(shù)據(jù)的逐步開(kāi)放，尋找到了一種更接近實(shí)際運(yùn)行工況的計(jì)算方案。

圖3 能耗角度曲線圖

2.2 葉片載荷的選取

結(jié)合GB/T 18451.1—2012《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 設(shè)計(jì)要求》中規(guī)定的最少設(shè)計(jì)載荷工況（design load case, DLC），變槳系統(tǒng)后備電源能量計(jì)算時(shí)，需要通過(guò)載荷時(shí)序文件，計(jì)算得出極端工況下順槳一次的能量，同時(shí)考慮低電壓穿越（low voltage ride through, LVRT）過(guò)程中可能產(chǎn)生的極端能耗。

極端工況下順槳一次能量，以設(shè)計(jì)載荷工況中發(fā)電兼有故障（DLC2.1、DLC2.2、DLC2.3、DLC2.4）和緊急關(guān)機(jī)（DLC5.1）兩大設(shè)計(jì)工況中進(jìn)行選取，取最大值。

低電壓穿越過(guò)程中極端能耗，以設(shè)計(jì)載荷工況中發(fā)電工況（DLC1.1、DLC1.2、DLC1.3、DLC1.4、DLC1.5）中進(jìn)行選取，取3s最大值。

3 后備電源能量計(jì)算與余量預(yù)留

3.1 順槳能量的計(jì)算

根據(jù)載荷時(shí)序數(shù)據(jù)，可得到采樣時(shí)刻變槳功率值，采樣時(shí)刻功率的計(jì)算公式為

式中：P為載荷時(shí)序中第個(gè)采樣時(shí)刻功率值（kW）；T為載荷時(shí)序中第個(gè)采樣時(shí)刻驅(qū)動(dòng)力矩值（N·m）；n為載荷時(shí)序中第個(gè)采樣時(shí)刻變槳速率（rad/s）；為變槳減速機(jī)總速比；p為圓周率常數(shù)。

若以采樣時(shí)刻功率值作為采樣步長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的平均功率，則可得到步長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的能耗，即

式中：W為第個(gè)采樣時(shí)間段的功耗（kJ）；P為載荷時(shí)序中第個(gè)采樣時(shí)刻功率值（kW）；為采樣步長(zhǎng)時(shí)間（s）。

由于順槳過(guò)程為一段連續(xù)的時(shí)間，因此順槳一次總能量的公式為

式中：1為順槳一次總能量（kJ）；W第個(gè)采樣時(shí)間段的功耗（kJ）；為順槳開(kāi)始的采樣時(shí)刻；為順槳結(jié)束的采樣時(shí)刻。

此外，變槳系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要滿足低電壓穿越的需求，即在風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至20%額定電壓時(shí)能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行625ms，在風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓發(fā)生跌落后2s內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90%時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行。在此，選取發(fā)電工況下3s能耗的最大值作為低穿時(shí)間段內(nèi)的極限能耗。由于3s時(shí)間連續(xù)，因此3s能耗極限計(jì)算公式為

式中：2為該載荷數(shù)據(jù)下3s的極限能耗（kJ）；W為第個(gè)采樣時(shí)間段的功耗（kJ）；為3s開(kāi)始的采樣時(shí)刻；為3s結(jié)束的采樣時(shí)刻。

根據(jù)式（3）與式（4）對(duì)應(yīng)處理所需設(shè)計(jì)機(jī)型的所有葉片載荷工況，可得到一次順槳能耗極值1max以及3s能耗極值2max，而總能量公式為

式中：為變槳系統(tǒng)后備電源所需總能量（kJ）；1max為一次順槳總能耗極值（kJ）；2max為考慮低電壓穿越工況的3s能耗極值（kJ）。

3.2 傳統(tǒng)方案與本方案對(duì)比

傳統(tǒng)順槳能量計(jì)算公式如下

式中：3為以額定轉(zhuǎn)矩順槳一次所需能量（kJ）；n為額定轉(zhuǎn)矩值（N·m）；為總順槳角度（°）；為順槳速度（°/s）；為變槳減速機(jī)總速比。

以某廠家3.0MW機(jī)型為例，使用傳統(tǒng)方法計(jì)算順槳能量。若該機(jī)型變槳系統(tǒng)額定轉(zhuǎn)矩為82N·m，緊急順槳速度為4.5°/s，順槳距離為90°，變槳減速機(jī)總速比為1870.7，則順槳能量達(dá)240.94kJ。

對(duì)同一機(jī)型，若使用本方案計(jì)算，則得到一次順槳能耗極值160.03kJ，得到3s能耗極值21.4kJ，最終順槳總能量為181.43kJ。

通過(guò)兩種方案對(duì)比，可以得到使用本方案計(jì)算的總能量，此值相較于傳統(tǒng)方案計(jì)算的總能量有所減少，減少能量近24.7%。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況測(cè)試

選擇同一機(jī)型，取現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試數(shù)據(jù)計(jì)算順槳一次所消耗的能量，計(jì)算公式如下

式中：4為現(xiàn)場(chǎng)工況變槳順槳一次所消耗的能量（kJ）；為超級(jí)電容實(shí)測(cè)容值（F）；1為后備電源順槳起始時(shí)刻電壓值（V）；2為后備電源順槳結(jié)束時(shí)刻電壓值（V）。

對(duì)3個(gè)風(fēng)電場(chǎng)共47臺(tái)機(jī)組進(jìn)行電容順槳試驗(yàn)，即在斷開(kāi)電網(wǎng)電壓后，使用后備電源完成一次槳距角由0°～90°的順槳操作，計(jì)算得到順槳一次消耗能量在98.17～122.46kJ之間，最大能量損耗為122.46kJ。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試對(duì)比，可以得到實(shí)際變槳順槳一次所消耗的能量值，此值更加接近于本方案計(jì)算的能量值。

3.4 后備電源余量的預(yù)留

考慮到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整體設(shè)計(jì)壽命，若以超級(jí)電容為后備電源，以10年為更換周期，則所需總的容值應(yīng)滿足以下公式

式中：為超級(jí)電容的總?cè)葜担‵）；1為后備電源的最高工作電壓值（V）；2為后備電源的最低工作電壓值（V）；為變槳系統(tǒng)后備電源的總轉(zhuǎn)化效率；為后備電源所需的最低能量（kJ）；為超級(jí)電容10年的容值衰減率；為整機(jī)廠家定制的順槳次數(shù)。

4 結(jié)論

本文提出一種基于葉片載荷的后備電源能量計(jì)算方法，遍歷各個(gè)工況下離散數(shù)據(jù)進(jìn)行能量累加，最終得到順槳一次所需的最大能量值。通過(guò)與傳統(tǒng)計(jì)算方法對(duì)比可知，本方法可提高能量計(jì)算的準(zhǔn)確度并盡可能實(shí)現(xiàn)成本的優(yōu)化。本文還以超級(jí)電容為例，計(jì)算得到順槳所需的最小電容容值，并以該值作為后備電源設(shè)計(jì)的依據(jù)。

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Calculation method of backup power supply based on blade load

WANG Zhenwei LIU Jiawei LYU Feng

(Gu’an Huadian Tianren Control Equipment Co., Ltd, Langfang, Hebei 065500)

Ultra-capacitor has become the mainstream backup power supply of pitch system. Taking ultra-capacitor as an example, this paper proposes an energy calculation method based on blade load for the design of backup power supply of wind turbine pitch system. Compared with the traditional calculation method of feathering energy, the proposed method improves the accuracy, reduces the cost and proposes a guideline for the design of the pitch system.

pith system; load; backup power supply; ultra-capacitor

2020-07-07

2020-07-24

王振威（1986—），男，浙江省湖州市人，本科，工程師，主要從事變槳系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)、葉片載荷計(jì)算與分析工作。