郭曉宇

（固安華電天仁控制設備有限公司，河北 廊坊 065500）

國內(nèi)風電發(fā)展初期，主流變槳供應商采用的后備電源技術多是密封閥控式鉛酸電池技術，在長期應用中此技術的劣勢越發(fā)明顯，與此同時，超級電容作為新型儲能元件，在變槳中的優(yōu)異表現(xiàn)廣泛獲得業(yè)內(nèi)認可。

1 變槳系統(tǒng)中的后備電源

如圖1所示，風機在并網(wǎng)運行中，主控通過通訊總線向變槳系統(tǒng)下發(fā)位置指令，變槳系統(tǒng)借助控制技術和動力系統(tǒng)調(diào)節(jié)葉片迎風面與縱向旋轉(zhuǎn)軸的夾角，即槳距角，使葉片達到風機主控給定的位置，從而使得風機發(fā)電機輸出功率平穩(wěn)達到主控設定值。在風機正?；蚓o急停機時，變槳系統(tǒng)控制槳葉轉(zhuǎn)到預定安全位置，實現(xiàn)空氣動力剎車，確保風機安全停運。當風機并網(wǎng)運行中，送入變槳系統(tǒng)的400VAC發(fā)生故障（非LVRT），在失去主電的情況下，此時變槳系統(tǒng)則靠后備電源提供能量，驅(qū)動槳葉回到安全位置，保證風機安全停機。可見，變槳后備電源在保證風機安全方面起著極其重要的作用。

圖1

在風電機組運行現(xiàn)場，變槳蓄電池的壽命短、故障多、維護成本高等一系列問題影響風電機組的正常運行。根據(jù)風電機組設計壽命，在風電機組的壽命周期中，蓄電池要更換5～8次，蓄電池的費用可達變槳系統(tǒng)總投資的40%以上。無論從系統(tǒng)運行可靠性、維護性，還是經(jīng)濟效益角度考慮，蓄電池都成了變槳系統(tǒng)中十分薄弱的環(huán)節(jié)。

與蓄電池相比，超級電容器作為一種新型電化學儲能單元，具有容量大、功率密度高、免維護、對環(huán)境無污染、循環(huán)壽命長、使用溫度范圍寬等優(yōu)點。

2 超級電容

超級電容是一種介于傳統(tǒng)電容和二次電池之間的電化學儲能裝置，其容量可以達到幾百甚至上千法拉。按照儲能機理，超級電容又可以分為雙電層電容和法拉第準電容（本文中所涉及到的超級電容為雙電層電容）。雙電層電容的儲能機理是在大比表面積的碳材料電極和電解質(zhì)界面吸附相反的正負離子，電荷儲存在界面雙電層中，通過電化學極化進行可逆吸/脫附從而存儲和釋放能量，如圖2。

圖2

3 超級電容后備電源的設計

超級電容型變槳后備電源的設計主要是根據(jù)系統(tǒng)工作電壓確定超級電容組的容值，從而確定后備電源中存儲的有效能量，使后備電源內(nèi)存儲的能量可以滿足順槳要求。后備電源的容值通過下列公式確定：

式中：

η：電容側(cè)能量轉(zhuǎn)換為槳葉側(cè)能量的效率；

C：后備電源的容值；

U1：變槳系統(tǒng)工作的最高直流母線電壓；

U2：變槳系統(tǒng)工作的最低直流母線電壓；

0～π/2：槳葉從0°順槳到安全位置的角度；

N：變槳電機與槳葉的減速比；

Tn：槳葉額定載荷；

Ω：變槳電機轉(zhuǎn)動角度；

1．25：順槳次數(shù)。

其中：

N、Tn由整機廠家提供；U1、U2由變槳系統(tǒng)工作電壓決定；η由實際測試決定。

以華電天仁TR-1．5G變槳系統(tǒng)來論證此方法的可行性，相關參數(shù)如下：

η：取60%；

U1：直流母線最高電壓60V；

U2：系統(tǒng)最低工作電壓30V；

N：減速比1800；

Tn：19Nm；

以上參數(shù)代入公式可以計算出后備電源的容值為83F。目前華電天仁TR-1．5G變槳系統(tǒng)中后備電源的容值為125F，由于后備電源在變槳系統(tǒng)中的重要性，實際使用時電容容值取正偏差以保證電容中儲能充足，即實際使用時的電容容值不能低于理論計算容值。

4 結(jié)語

超級電容具有環(huán)保、免維護、壽命長、環(huán)境適應性強等優(yōu)點，現(xiàn)在已經(jīng)成為變槳系統(tǒng)的主流儲能元件，合理的設計、使用超級電容，可以有效提高風機的安全性。