風(fēng)機(jī)變槳備用電源研究

李丹東

(西安諾博爾稀貴金屬材料股份有限公司,陜西 西安 710065)

1 課題研究背景及意義

地球變暖的現(xiàn)實(shí)使世界各國(guó)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”、“碳中和”的越來(lái)越迫切,以風(fēng)力發(fā)電為代表的新能源,具有綠色無(wú)污染、可無(wú)限再生的特點(diǎn),已成為世界各國(guó)的研究熱點(diǎn),從而使風(fēng)電產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展,相應(yīng)地也促使風(fēng)力發(fā)電技術(shù)不斷推陳出新。如風(fēng)電機(jī)組的功率控制由定槳距控制向變槳距控制發(fā)展,因?yàn)樽儤嗄軌驅(qū)︼L(fēng)速和載荷做出相應(yīng)的葉片槳距角變化,其整機(jī)重量相對(duì)定槳距風(fēng)機(jī)要輕,方便了機(jī)組安裝帶來(lái)。

由于風(fēng)電場(chǎng)的環(huán)境惡劣,其低溫可達(dá)-40～-20℃,高溫則可至50～60℃；特別是在電網(wǎng)故障時(shí)要求盡快收槳,而變槳電機(jī)的啟動(dòng)需要較大起動(dòng)電流。兆瓦級(jí)變槳備用電源系統(tǒng)對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的整機(jī)安全和可靠性至關(guān)重要。本文根據(jù)目前風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)備用電源的現(xiàn)狀,有針對(duì)性進(jìn)行研究和技術(shù)改進(jìn),以滿(mǎn)足當(dāng)前風(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)對(duì)備用電源系統(tǒng)的高可靠性要求,同時(shí)實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保和節(jié)能降耗的目的,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 風(fēng)機(jī)變槳備用電源系統(tǒng)的組成原理與改進(jìn)方案

目前電伺服變槳系統(tǒng)的備用電源就是為鉛酸蓄電池組,但鉛酸蓄電池在低溫環(huán)境下,其容量會(huì)急劇變小甚至出現(xiàn)無(wú)法使用的情況,需為其配備加熱制冷系統(tǒng)；當(dāng)變槳電機(jī)啟動(dòng)時(shí),備用電源需要為其提供瞬時(shí)大功率,為滿(mǎn)足該條件,所需鉛酸蓄電池串、并聯(lián)個(gè)數(shù)較多；鉛酸蓄電池壽命較短,且監(jiān)控系統(tǒng)復(fù)雜。這使得鉛酸蓄電池?zé)o法為變槳系統(tǒng)提供安全可靠的備用電源,且總體成本較高。在高溫環(huán)境下產(chǎn)生鉛蒸汽是有毒的。

雖然近年鋰電池的發(fā)展迅猛,但其低溫下充電性能、大電流放電特性、安全性都未解決好,且充放電控制電路相對(duì)復(fù)雜,導(dǎo)致鋰電池的備用電源在風(fēng)電行業(yè)中應(yīng)用很少。

本文針對(duì)目前風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)的備用電源系統(tǒng)存在的不足,提出采用超級(jí)電容的風(fēng)機(jī)變槳備用電源系統(tǒng),取代鉛酸蓄電池。

基于超級(jí)電容的儲(chǔ)能電源具有很好的溫度特性,綠色環(huán)保,對(duì)環(huán)境無(wú)污染,循環(huán)使用壽命長(zhǎng)達(dá)1 000 000次,能夠提供瞬間大功率充電放電,特別適合用于風(fēng)機(jī)變槳備用電源系統(tǒng)。由于超級(jí)電容的價(jià)格也逐漸降低,基于超級(jí)電容的風(fēng)機(jī)變槳的備用電源系統(tǒng)具有很好的推廣前景。

超級(jí)電容儲(chǔ)能屬于一種物理儲(chǔ)能,其內(nèi)部在充放電的過(guò)程中不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),早期的超級(jí)電容利用活性炭作為其電極材料,因?yàn)榛钚蕴康奈锢斫Y(jié)構(gòu),其具有很大表面積,能夠使電容器的比電容得到提高。隨著技術(shù)的發(fā)展,石墨烯、碳?xì)饽z、碳納米管等也被開(kāi)發(fā)為超級(jí)電容的電極材料。超級(jí)電容的儲(chǔ)能原理決定了其具有壽命長(zhǎng)的特點(diǎn),能夠?qū)崿F(xiàn)大電流的充放電,還有使用溫度范圍廣,綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)?；诔?jí)電容的出色性能以及風(fēng)機(jī)變槳備用電源的復(fù)雜使用環(huán)境,超級(jí)電容在風(fēng)機(jī)變槳備用電源系統(tǒng)中具有很好的應(yīng)用前景。

目前,超級(jí)電容產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)為美國(guó)的Maxwell和日本的Nec、松下、Tokin等公司等,我國(guó)直到近年才出現(xiàn)如中車(chē)株機(jī)公司的優(yōu)秀超級(jí)電容廠(chǎng)商,其研發(fā)生產(chǎn)超級(jí)電容的技術(shù)已經(jīng)達(dá)到世界領(lǐng)先水平。2015年10月,中國(guó)中車(chē)株機(jī)公司自主研制出了新一代的大功率石墨烯超級(jí)電容,電容值高達(dá)30 000 F。

3 基于超級(jí)電容的風(fēng)機(jī)變槳備用電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

針對(duì)現(xiàn)有的風(fēng)機(jī)變槳備用電源系統(tǒng)的問(wèn)題,本章設(shè)計(jì)一種應(yīng)用超級(jí)電容和雙向DC/DC變換器的備用電源系統(tǒng),該系統(tǒng)采用了雙向Buck/Boost變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),合理計(jì)算、選取超級(jí)電容單體與模組容量以及均壓電路,完善其充放電控制策略,并增加了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控功能。

3.1 總體方案設(shè)計(jì)

基于超級(jí)電容的備用電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則主要為：(1)高性能硬件；(2)高可靠性；(3)實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)控。經(jīng)過(guò)深入的調(diào)研,確定了基于超級(jí)電容的備用電源系統(tǒng)的主要指標(biāo),具體指標(biāo)如表1所示。

表1 基于超級(jí)電容的備用電源系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)

風(fēng)機(jī)變槳備用電源系統(tǒng)是風(fēng)機(jī)安全可靠工作的一大重要保障,目前市面上的風(fēng)機(jī)變槳備用電源分為三種,分別以傳統(tǒng)鉛酸蓄電池、鋰電池和超級(jí)電容作為儲(chǔ)能元件。然而,超級(jí)電容在風(fēng)機(jī)變槳備用電源的應(yīng)用中面臨以下主要問(wèn)題：

(1)超級(jí)電容的參數(shù)存在差異。為此必須通過(guò)外部電路來(lái)均衡超級(jí)電容模組的單體電壓,提高其利用率。(2)超級(jí)電容的比能量無(wú)法與傳統(tǒng)電池相比較,相比而言,超級(jí)電容的儲(chǔ)能能力比傳統(tǒng)電池遜色,基于成本和體積的原因,超級(jí)電容模組的單體個(gè)數(shù)不會(huì)很多,也就無(wú)法像傳統(tǒng)蓄電池儲(chǔ)存3～5次的順槳能量。(3)超級(jí)電容模組能量利用率的問(wèn)題。因此,為了使超級(jí)電容在風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)中得到更好的利用,需設(shè)計(jì)一個(gè)合理的備用電源系統(tǒng)來(lái)解決上述問(wèn)題。

本文設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)變槳備用電源的總體方案設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 風(fēng)機(jī)變槳備用電源的總體方案

該方案設(shè)計(jì)難點(diǎn)是提高超級(jí)電容模組的利用率,主要從降低超級(jí)電容單體參數(shù)不一致帶來(lái)的影響和使超級(jí)電容模組在較低電壓仍能為風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)提供電源兩個(gè)方面著手,這就需要為超級(jí)電容模組設(shè)計(jì)一種有效的單體均壓電路及在超級(jí)電容模組電壓變化仍輸出穩(wěn)定電壓的雙向DC/DC控制器。

3.2 儲(chǔ)能裝置容量的選取

風(fēng)機(jī)變槳備用電源在電網(wǎng)故障時(shí)能為風(fēng)機(jī)的順槳提供安全保障,其電源容量必須能夠滿(mǎn)足1.5～2次風(fēng)機(jī)的順槳,超級(jí)電容作為新型的儲(chǔ)能元件,其存儲(chǔ)的能量計(jì)算相對(duì)傳統(tǒng)電池來(lái)講較為簡(jiǎn)單,其能量計(jì)算公式為：

式中Q—超級(jí)電容儲(chǔ)存能量；

C—超級(jí)電容的容值；

U—超級(jí)電容的兩端電壓。

為保證備用電源有足夠的能量,設(shè)計(jì)取滿(mǎn)足兩次順槳的儲(chǔ)能容量,因此只要求出風(fēng)機(jī)兩次順槳所需的能量,就可以根據(jù)該公式進(jìn)行推算,得到相應(yīng)的超級(jí)電容個(gè)數(shù)和容值。

變槳電機(jī)的參數(shù)如表2所示。以該變槳電機(jī)參數(shù)為根據(jù),設(shè)計(jì)基于超級(jí)電容的風(fēng)機(jī)變槳的備用電源。

表2 變槳電機(jī)參數(shù)

當(dāng)發(fā)生風(fēng)機(jī)失電事故時(shí),風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)的備用電源為其提供變槳?jiǎng)恿?變槳的角度為0～90°,也就是說(shuō)備用電源需能夠滿(mǎn)足變槳電機(jī)驅(qū)動(dòng)槳葉旋轉(zhuǎn)180°的所需能量。變槳時(shí)槳葉旋轉(zhuǎn)速度≥7°/s,則單次變槳中電機(jī)的運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)為12.857 s。假設(shè)在變槳過(guò)程中變槳電機(jī)一直以額定功率運(yùn)行,據(jù)表2可計(jì)算出變槳電機(jī)所需電能為：W=UIt=160 V×30 A×12.857 s=61 713.6 J。

超級(jí)電容模組備用電源完成兩次順槳所需的儲(chǔ)存能量至少為以上計(jì)算的兩倍能量,即Q=2W=2×61 713.6=123 427.2 J,又因目前超級(jí)電容的額定電壓為2.7 V,為安全考慮將其充滿(mǎn)的電壓設(shè)為2.65 V。

從上面超級(jí)電容的儲(chǔ)能公式可以知道,當(dāng)超級(jí)電容兩端的電壓為其額定電壓的一半時(shí),超級(jí)電容本身剩余的儲(chǔ)存能量就只有其額定儲(chǔ)存能量的四分之一,能量已經(jīng)所剩無(wú)幾,故將超級(jí)電容的放電終止電壓設(shè)定為1.4 V。

由于直流母線(xiàn)的額定電壓為168 V,而單體超級(jí)電容的電壓僅為2.7 V,要滿(mǎn)足變槳電機(jī)的工作電壓的要求,需要將超級(jí)電容串聯(lián)起來(lái)使用。假設(shè)需要的超級(jí)電容個(gè)數(shù)為n,單體超級(jí)電容的容值為C,單體超級(jí)電容的初始電壓為U1,放電后電壓為U2,則可以得到：

考慮成本等因素,當(dāng)C=1 200 F超級(jí)電容,將初始電壓2.65 V和放電終止電壓1.4 V代入U(xiǎn)1和U2,可以計(jì)算得到所需的超級(jí)電容的個(gè)數(shù)n≈40.634,如果考慮留有裕量,乘以系數(shù)1.3,取整數(shù),則可以采用54個(gè)1 200 F的超級(jí)電容。

由式(2)反推來(lái)驗(yàn)證2次順槳后超級(jí)電容單體的電壓下降為1.79 V,大于設(shè)計(jì)的低電壓1.4 V,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

順槳過(guò)程中超級(jí)電容串聯(lián)模組的備用電源的大輸出電流出現(xiàn)在超級(jí)電容串聯(lián)模組電壓低的時(shí)候,即I=160×30/(1.4×54)≈63.49 A,也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于超級(jí)電容最大放電電流,故所設(shè)計(jì)超級(jí)電容串聯(lián)模組符合設(shè)計(jì)要求。

3.3 均壓電路

超級(jí)電容模組中的單體的均壓方案有能耗型和能量轉(zhuǎn)移型兩個(gè)基本方案,能耗型均壓方案的優(yōu)點(diǎn)就是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,元器件較少,成本低,均衡速度能夠滿(mǎn)足實(shí)際工程需要,但無(wú)法有效利用超級(jí)電容的能量,“木桶效應(yīng)”明顯。能量轉(zhuǎn)移型均壓方案電路復(fù)雜,但能有效利用超級(jí)電容的能量,如采用合適的控制策略能夠取得較好的均壓效果。

在能量轉(zhuǎn)移型的控制電路中,飛渡電容法的單飛渡電容法開(kāi)關(guān)器件較多,不易實(shí)現(xiàn),而多飛渡電容法的均壓效果較差；多輸出變壓器均壓法也存在著電路體積、均壓效果不理想等問(wèn)題；電感儲(chǔ)能轉(zhuǎn)移法結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,容易實(shí)現(xiàn),但其開(kāi)關(guān)數(shù)量也較多。

本系統(tǒng)采用一種簡(jiǎn)化的電感儲(chǔ)能單向轉(zhuǎn)移法,如圖4工作原理為：當(dāng)超級(jí)電容C1的電壓高于C2超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí),控制器控制T1導(dǎo)通,電感L1充電,關(guān)斷T1時(shí),L1向C2充電,實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移。同理超級(jí)電容C2電壓高于C3超過(guò)設(shè)定閾值時(shí),能量向C3轉(zhuǎn)移,后的超級(jí)電容電壓高于C1時(shí),能量通過(guò)變壓器轉(zhuǎn)移到C1上,能量只能以單一的方向轉(zhuǎn)移,無(wú)法實(shí)現(xiàn)反方向的能量轉(zhuǎn)移。通過(guò)這樣的能量轉(zhuǎn)移,終實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容模組的單體電壓均衡。

圖4 Sepic/Zeta雙向變換器

電感儲(chǔ)能單向轉(zhuǎn)移法的均壓效果不如電感儲(chǔ)能轉(zhuǎn)移法,速度相對(duì)慢了,但開(kāi)關(guān)器件數(shù)量由2(n-1)個(gè)減少為n個(gè),相應(yīng)的控制電路也得到簡(jiǎn)化,成本也相應(yīng)降低了,并且只要選取恰當(dāng)?shù)目刂撇呗?電感儲(chǔ)能單向轉(zhuǎn)移法也能夠獲得較好的均壓效果,完全能夠滿(mǎn)足風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)的備用電源的要求。

3.4 備用電源系統(tǒng)的雙向DC/DC變換器設(shè)計(jì)

從設(shè)計(jì)的超級(jí)電容串聯(lián)模組計(jì)算可知,超級(jí)電容串聯(lián)模組的端電壓最高為143.1 V,而直流母線(xiàn)的額定電壓為168 V,并且超級(jí)電容串聯(lián)模組在使用過(guò)程中,它的端電壓并不像傳統(tǒng)電池的端電壓變化很小,它會(huì)隨著放電的進(jìn)行,端電壓出現(xiàn)較大的變化,所以為了滿(mǎn)足變槳電機(jī)的使用需要,在備用電源與變槳電機(jī)之間加上一個(gè)DC/DC升壓電路。當(dāng)電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí),變槳電機(jī)由電網(wǎng)的交流電整流后提供直流電源,并且超級(jí)電容串聯(lián)模組的充電也由電網(wǎng)的交流電整流后的直流電完成,因此直流母線(xiàn)與超級(jí)電容串聯(lián)模組之間也需要一個(gè)DC/DC降壓電路(圖1b所示)。

圖1 備用電源系統(tǒng)原理框圖

為節(jié)約成本,采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟的Cuk電路的變形——Sepic/Zeta雙向變換器,實(shí)現(xiàn)雙向的升降壓功能,兩側(cè)的電壓極性相同。Sepic/Zeta雙向變換器電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電感儲(chǔ)能單向轉(zhuǎn)移法

功率器件選型參考文獻(xiàn)[5],如表3所示。

表3 功率器件參數(shù)

由直流母線(xiàn)紋波需求,可求得直流母線(xiàn)并聯(lián)電容Cd≥237 μF,考慮足夠安全裕量,Cd可取2 200 μF/450 V。

3.5 充放電控制策略研究

超級(jí)電容是一種介于傳統(tǒng)電容和蓄電池的新型儲(chǔ)能元件,它的充放電電流可以高達(dá)上千安培,高低溫特性也要優(yōu)于蓄電池,并且超級(jí)電容的循環(huán)壽命遠(yuǎn)高于蓄電池,湖南耐普恩公司生產(chǎn)的超級(jí)電容壽命就高達(dá)100萬(wàn)次,然而超級(jí)電容的充放電控制不當(dāng)會(huì)造成超級(jí)電容的壽命急劇的縮短,使其優(yōu)勢(shì)大為削弱。因此對(duì)超級(jí)電容的充放電策略的研究對(duì)風(fēng)機(jī)變槳備用電源系統(tǒng)具有重要的意義。

3.5.1 充電策略

常用的電池充電策略有恒功率、恒流、恒壓、脈沖、浮充充電方式,超級(jí)電容模組的充電方式可以采用以上的某幾種充電方式的組合,這樣能夠有效的降低成本,提高超級(jí)電容模組的儲(chǔ)能性能。

本文采用的充電方式為：在超級(jí)電容模組電壓比較低的時(shí)候采用恒流充電的模式,提高超級(jí)電容模組的充電速度,當(dāng)超級(jí)電容模組電壓上升到某一設(shè)定值(可由超級(jí)電容內(nèi)阻與恒流充電電流計(jì)算出來(lái))的時(shí)候再采用恒壓充電方式,降低充電電流,后采用浮充充電方式保持超級(jí)電容模組的滿(mǎn)電狀態(tài)。

3.5.2 放電策略

超級(jí)電容具有可以大電流放電的優(yōu)秀特性,只要保證直流母線(xiàn)電壓為恒定值,就可以為變槳電機(jī)提供足夠的功率,無(wú)論變槳電機(jī)是工作于什么樣的工況。因此備用電源的放電策略采用恒壓的放電模式,通過(guò)控制IGBT的占空比,就可以在超級(jí)電容模組電壓下降的情況下也維持母線(xiàn)的電壓處于恒定值。

為了更好的利用風(fēng)機(jī)變槳備用電源系統(tǒng)中超級(jí)電容模組的能量并簡(jiǎn)化電路,在超級(jí)電容與直流母線(xiàn)間加了一個(gè)雙向DC/DC變換器,本章首先對(duì)所選的雙向DC/DC變換器進(jìn)行建模并對(duì)充放電過(guò)程中的控制方式進(jìn)行分析選擇,其次對(duì)雙向Buck/Boost變換器的工作模式的切換策略進(jìn)行分析與選擇,后對(duì)所建模型進(jìn)行仿真,驗(yàn)證所選雙向DC/DC變換器的有效性。該部分設(shè)計(jì)為風(fēng)機(jī)變槳備用電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的另一個(gè)難點(diǎn)。

3.6 雙向DC/DC變換器控制方式

3.6.1 雙閉環(huán)PI控制

為了實(shí)現(xiàn)雙向Buck/Boost變換器在超級(jí)電容模組充放電的時(shí)候都能夠快速的響應(yīng),電壓和電流環(huán)采用的控制器都是PI控制器,PI控制器能夠讓高低頻的增益得到提高,提高穩(wěn)態(tài)精度,消除靜差。

因?yàn)槌?jí)電容模組的充電策略采用的是先恒流后恒壓充電的方式,因此需雙向Buck/Boost變換器在恒流充電時(shí),電流環(huán)工作,保持充電電流恒定；當(dāng)備用電源電壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)進(jìn)入恒壓充電,電壓環(huán)工作。當(dāng)雙向Buck/Boost變換器工作于升壓模式,需要保證直流母線(xiàn)的電壓為其恒定電壓,為了更好的跟蹤負(fù)載變化,此時(shí)電壓環(huán)和電流環(huán)同時(shí)起作用。雙閉環(huán)中的電壓環(huán)是屬于外環(huán)控制,它能夠確保直流側(cè)電壓值的恒定,電流環(huán)為內(nèi)環(huán)控制,可以實(shí)時(shí)的控制著電感電流的變化。雙閉環(huán)PI控制的結(jié)構(gòu)框圖如圖4～8所示。

圖5中,uref為電壓環(huán)的設(shè)定值,VR為電壓環(huán)控制器的傳遞函數(shù),CR為電流環(huán)控制器的傳遞函數(shù),GidL()s為電感電流對(duì)開(kāi)關(guān)占空比的傳遞函數(shù),GuidL()s為輸出電壓對(duì)電感電流的傳遞函數(shù)。

圖5 雙閉環(huán)PI控制的結(jié)構(gòu)框圖

3.6.2 雙向DC/DC工作方式切換策略

雙向Buck/Boost變換器在備用電源系統(tǒng)中有兩種工作模式,當(dāng)電網(wǎng)正常運(yùn)行的時(shí)候,雙向Buck/Boost變換器工作于Buck模式,為超級(jí)電容模組充電；當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí),備用電源需向變槳電機(jī)提供動(dòng)力,此時(shí)雙向Buck/Boost變換器工作在Boost模式,這就需要備用電源系統(tǒng)能夠根據(jù)具體情況給出正確的指令,使雙向Buck/Boost變換器工作于正確的工作狀態(tài)。

變槳系統(tǒng)中的直流母線(xiàn)電壓運(yùn)行的允許低值為138 V,故當(dāng)交流側(cè)電壓為20%的額定電壓且直流母線(xiàn)電壓低于140 V時(shí)即可判斷電網(wǎng)出現(xiàn)故障,備用電源投入使用,雙向Buck/Boost變換器工作于Boost模式；當(dāng)交流側(cè)電壓值處于正常范圍且直流母線(xiàn)電壓大于150 V時(shí),判斷電網(wǎng)正常,雙向Buck/Boost變換器工作于Buck模式。

圖6所示為雙向Buck/Boost變換器的工作模式的切換的流程圖。電壓的檢測(cè)是實(shí)時(shí)的檢測(cè),這樣能夠給備用電源系統(tǒng)一個(gè)及時(shí)的信號(hào)并快速做出正確的指令。

圖6 雙向DC/DC變換器工作模式切換的流程圖

當(dāng)雙向Buck/Boost變換器工作于Buck模式給超級(jí)電容模組充電的時(shí)候,也要監(jiān)測(cè)超級(jí)電容模組的電壓,防止超級(jí)電容模組過(guò)充,使其長(zhǎng)壽命的優(yōu)勢(shì)得以發(fā)揮。

3.6.3 雙向DC/DC變換器Buck工作模式仿真分析

在Simulink中建立雙向Buck/Boost變換器Boost工作模式下的仿真模型,如圖7所示。將表1、2中的參數(shù)代入模型中,計(jì)算出電感電流對(duì)占空比的傳遞函數(shù)和輸出電壓對(duì)電感電流的傳遞函數(shù),將傳遞函數(shù)輸入仿真模型中。電流內(nèi)環(huán)的PI控制器比例和積分系數(shù)：Kcp=0.9、Kci=320,電壓外環(huán)的PI控制器的比例和積分系數(shù)為Kvp=2,Kvi=325。設(shè)定參考電壓為風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)直流母線(xiàn)的額定電壓168 V。

圖7 雙閉環(huán)控制仿真模型

經(jīng)仿真可得如圖8所示波形,向Buck/Boost變換器工作于放電時(shí),系統(tǒng)輸出電壓超調(diào)量小,響應(yīng)速度快,在5 ms內(nèi)即可穩(wěn)定輸出設(shè)定的電壓值,快速跟蹤設(shè)定指令,當(dāng)檢測(cè)電網(wǎng)故障時(shí),能夠?yàn)樽儤姍C(jī)提供可靠的電源。因此本文設(shè)計(jì)的雙向Buck/Boost變換器處于升壓放電工作方式時(shí)具有響應(yīng)速度快,超調(diào)量小的優(yōu)點(diǎn),符合設(shè)計(jì)的要求。

圖8 雙閉環(huán)控制仿真波形

以上的仿真結(jié)果證明利用狀態(tài)空間平均法對(duì)雙向Buck/Boost變換器進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,確定充放電過(guò)程中雙向Buck/Boost變換器的閉環(huán)控制方式,并對(duì)雙向Buck/Boost變換器的工作方式的切換策略進(jìn)行了分析選擇,后對(duì)雙向Buck/Boost變換器所建立的模型進(jìn)行仿真并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析,證明了所設(shè)計(jì)的雙向Buck/Boost變換器的可行性。

3.7 基于物聯(lián)網(wǎng)的備用電源狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)的電伺服變槳系統(tǒng)位于輪轂中,與機(jī)艙的主控制柜通信一般采用CAN總線(xiàn)的形式,再將數(shù)據(jù)通過(guò)光纖傳遞到塔基,然后再以專(zhuān)門(mén)的光纖通道傳送數(shù)據(jù)到中控室。

本文提出了一種基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的備用電源狀態(tài)的監(jiān)控系統(tǒng),該監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控備用電源的狀態(tài),維護(hù)檢修人員可在完成維護(hù)檢修工作后通過(guò)手機(jī)隨時(shí)查看備用電源狀態(tài)信息,提高工作效率?；贕PRS網(wǎng)絡(luò)的備用電源在線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 基于GPRS網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的風(fēng)電機(jī)組通訊結(jié)構(gòu)

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

根據(jù)前面的硬件設(shè)計(jì)電路,本文搭建了基于超級(jí)電容的風(fēng)機(jī)變槳備用電源系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖10所示,實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由控制電路板、GPRS通訊模塊、雙向Buck/Boost變換器電路板、電源板以及超級(jí)電容模組組成。其中直流母線(xiàn)的負(fù)載由電阻代替,電網(wǎng)給直流母線(xiàn)供電裝置由圖10(b)所示的直流電源代替。

圖10 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)前文的分析與設(shè)計(jì),本文在基于超級(jí)電容的風(fēng)機(jī)變槳備用電源系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)測(cè)試包括以下幾個(gè)部分：充電實(shí)驗(yàn)、放電實(shí)驗(yàn)、基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的備用電源狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的通訊及超級(jí)電容模組單體均壓實(shí)驗(yàn)以及風(fēng)機(jī)變槳備用電源系統(tǒng)的保護(hù)電路功能實(shí)現(xiàn)的測(cè)試。

(1)充電實(shí)驗(yàn)

充電實(shí)驗(yàn)中,雙向Buck/Boost變換器工作于降壓充電模式,其充電電流設(shè)定為24 A,充電電流波形如圖11所示。從圖中可以看出系統(tǒng)能很好的跟隨給定電流指令,快速穩(wěn)定于設(shè)定電流值,電流紋波小于2%,滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

圖11 充電電流波形

超級(jí)電容模組在充電過(guò)程中的電壓波形如圖12所示。超級(jí)電容模組在恒流充電過(guò)程中以恒定速率上升。

圖12 恒流充電電壓波形

(2)放電實(shí)驗(yàn)

將直流電源斷開(kāi),模擬電網(wǎng)出現(xiàn)故障,雙向Buck/Boost變換器能夠自動(dòng)切換到升壓放電模式,直流母線(xiàn)上的電壓波形如圖13所示。系統(tǒng)直流母線(xiàn)電壓允許的低值為138 V,由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,系統(tǒng)能夠快速判斷電網(wǎng)故障,及時(shí)為負(fù)載提供電源,直流母線(xiàn)電壓不會(huì)因?yàn)殡娋W(wǎng)故障出現(xiàn)失電現(xiàn)象。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障,備用電源為負(fù)載提供電源時(shí),電感電流的波形如圖14所示。

圖13 電網(wǎng)故障時(shí)直流母線(xiàn)電壓波形

圖14 電網(wǎng)故障時(shí)電感電流波形

測(cè)試結(jié)果可知,本文設(shè)計(jì)的基于超級(jí)電容的風(fēng)機(jī)變槳備用電源系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性高,能夠可靠地為風(fēng)機(jī)變槳電機(jī)提供備用電源。

5 總結(jié)與展望

本文針對(duì)目前風(fēng)機(jī)變槳備用電源存在的問(wèn)題,研究和設(shè)計(jì)了一種采用超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)的風(fēng)機(jī)變槳備用電源系統(tǒng),主要在以下的三個(gè)方面：

(1)完成了備用電源系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案?？偨Y(jié)了備用電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要指標(biāo),以及相應(yīng)的系統(tǒng)容量、儲(chǔ)能元件參數(shù),確定了儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電放電策略,并配置遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)功能。

(2)設(shè)計(jì)雙向Buck/Boost型的DC/DC變換器,建模仿真分析了該系統(tǒng)在充放電過(guò)程中的切換策略和穩(wěn)定性,檢驗(yàn)其電壓電流的閉環(huán)控制方式的有效性和系統(tǒng)的可行性。

(3)設(shè)計(jì)相應(yīng)的均壓電路、驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路,編寫(xiě)了備用電源系統(tǒng)軟件的主程序、儲(chǔ)能單體均壓子程序和超級(jí)電容模組的充放電子程序,并完成了系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。

本文在設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)變槳備用電源系統(tǒng)時(shí)采用超級(jí)電容,相對(duì)于常用的電池技術(shù),具有先進(jìn)性和實(shí)用性。但由于研究深度和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行不充分,在以下兩個(gè)方面有待進(jìn)一步深化：

(1)對(duì)串聯(lián)運(yùn)行的超級(jí)電容的單體電壓(能量)均衡算法進(jìn)行優(yōu)化,以提升均壓效率,從而提高風(fēng)機(jī)變槳備用電源的安全性和可靠性。

(2)論文研究了小功率模擬負(fù)荷,與實(shí)際的槳葉驅(qū)動(dòng)電機(jī)有差距,需提高系統(tǒng)的功率等級(jí),并完成實(shí)際工況(包括異常和災(zāi)害)條件下的驗(yàn)證。