王志強

摘 要：目前國內(nèi)主流電動變槳型風力發(fā)電機組的變槳系統(tǒng)采用雙回路供電電源，即3*400VAC主電源和后備鉛酸電池電源，在發(fā)生電網(wǎng)故障及風機緊急停機狀態(tài)下，由后備電源驅動電機回槳，實現(xiàn)風機停機。鉛酸電池存在使用壽命短（2-3年）、維護成本高的特點。采用超級電容作為后備電源可滿足使用要求，具有高效率、快速充放電、壽命長、免維護、環(huán)保等諸多優(yōu)勢，對提高機組安全性、運行效率、降低生產(chǎn)成本方面效益明顯。

關鍵詞：超級電容；電動變槳；風力發(fā)電機組

1 國內(nèi)主流電動變槳型風力發(fā)電機組變槳系統(tǒng)簡介

1.1 系統(tǒng)結構

多采用七柜式電動變槳系統(tǒng)，分別為一個主控箱、三個軸箱、三個電池箱及其他附屬設施構成一整套變槳系統(tǒng)，在正常情況下，變槳驅動器接受3*400VAC主電源，經(jīng)過整流變?yōu)榭煽氐闹绷麟婒寗与姍C工作。

1.2 驅動器驅動電機工作過程

在正常情況下驅動器與電機處于待機狀況，當PLC給定驅動器的RFG啟動信號有效時，將3*400VAC電源作為主電源，編碼器將葉片運行位置反饋給變槳PLC，測速發(fā)電機將電機速度信號反饋給驅動器，驅動電機運行，實現(xiàn)變槳控制。當發(fā)生電網(wǎng)故障或風機進入緊急停機狀態(tài)，通過主控制器發(fā)出動作指令，驅動器停止工作，由后備電源（鉛酸電池作為后備電源）直接驅動電機回槳，停止風機運行。

1.3 后備電池驅動電機工作過程

當發(fā)生電網(wǎng)故障或緊急回槳情況時，驅動器停止工作，變槳控制器發(fā)出指令，此時剎車和電樞勵磁回路接觸器相繼吸合，由后備電池直接驅動電機回槳，觸發(fā)限位開關，電機停止運行，此時風機槳葉處于順槳狀態(tài)，風機安全停機。

1.4 變槳電池

每套電池箱由18節(jié)鉛酸蓄電池串聯(lián)組成（共3套），每節(jié)電池標稱為12V/7.2AH，提供標稱電壓為216VDC直流后備電源。

2 鉛酸蓄電池特點

（1）維護頻率及成本高：每年進行一次日常維護，平均2-3年更換一次，壽命周期內(nèi)8-10次，單臺更換成本約1.2-1.5萬元，風機設計壽命20年，在其壽命周期內(nèi)蓄電池的更換費用約10-15萬元。（2）溫度適應性不強：蓄電池的放電能力在不同溫度環(huán)境下差異較大，25℃時、為100%，0℃時、為85%，需設計加熱裝置才能滿足使用。（3）應用控制系統(tǒng)復雜，需考慮過充、過放、過熱等復雜運行工況狀態(tài)。（4）體積大、質(zhì)量重，日常維護不方便，運行過程中存在漏液、鼓包等故障現(xiàn)象。（5）廢舊蓄電池損壞產(chǎn)生的金屬鉛、液體等對環(huán)境造成污染，具有回收、處置廢舊電池資質(zhì)的企業(yè)較少，處理難度大。

3 超級電容特點

（1）超級電容約有100萬次循環(huán)壽命，10年免維護，使維護壽命降低至電池的1/10，而在變槳系統(tǒng)中應用，維護頻率可降低至原來的100%，即在風機壽命周期內(nèi)免維護，單臺風機一次性成本為2.5萬元。（2）工作溫度范圍大，為-40℃～+65℃，在低溫、高溫環(huán)境下正常使用，充放電效率接近100%。（3）超級電容功率密度為鉛酸電池的20倍，在滿足系統(tǒng)功率計能量要求下可將重量降低至原來的1/4以上。（4）超級電容所有狀態(tài)與電壓值成對應關系，自身管理及應用系統(tǒng)簡單可靠，在很大程度上提高了變槳系統(tǒng)的可靠性。

4 超級電容在風力發(fā)電機組中的應用

4.1 超級電容配置

以1.5MW機組變槳系統(tǒng)為例進行核算（變槳電機參數(shù)見表1）。

（1）系統(tǒng)能量需求為63KJ，取1.25倍余量，設計能量為78.75KJ。（2）模組串聯(lián)數(shù)量n：n=260V/2.6V，n=100只 單體選用2.7V。（3）模組最小容量C：C=78.75KJ/0.5*（2602-1502），C=3.48F。（4）最小單體容量C1：C1=n*C，C1=348F

將20只2.7V/350F電容器單體設計成一個模組，每支槳葉用5套模組串聯(lián)。

4.2 超級電容充電器

按系統(tǒng)要求充電時間小于2min，系統(tǒng)能量為17.5WH，充電器功率P=E/t，P=17.5*60/2，充電器功率為525W，根據(jù)充電器效率問題，選用實際功率為700W的隔離式AC/DC充電器。

4.3 超級電容管理系統(tǒng)

每個電容箱體配備監(jiān)測單元，采集并管理電容箱內(nèi)部工作溫度、電壓狀態(tài)、充放電電流，將信號進行轉換，傳輸至變槳PLC，同時控制充電器充電等工作。

5 結束語

變槳型風力發(fā)電機組運行工況復雜，用鉛酸電池作為后備電源驅動風機槳葉旋轉時環(huán)境溫度對其充、放電性能影響大，影響機組可利用率及安全可靠性。超級電容作為一種充放電速度快、工作范圍寬、可靠性高、免維護保養(yǎng)的儲能設備，可作為風力發(fā)電機組變槳后備電源，對降低企業(yè)運營成本、降低人員勞動強度、保障機組安全穩(wěn)定運行效果明顯，在風力發(fā)電領域推廣使用超級電容，能夠減少能源消耗，解決鉛酸電池污染問題，其應用于電動變槳型風力發(fā)電機組的前景十分廣闊。

參考文獻

[1]何春光.超級電容器儲能裝置仿真建模及其應用研究[D].湖南大學，2013.

[2]張純江，董杰，劉君，等.蓄電池與超級電容混合儲能系統(tǒng)的控制策略[J].電工技術學報，2014.