超級(jí)電容在電動(dòng)變槳型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的應(yīng)用

王志強(qiáng)

摘 要：目前國(guó)內(nèi)主流電動(dòng)變槳型風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)機(jī)緊急停機(jī)狀態(tài)下，由后備電源驅(qū)動(dòng)電機(jī)回槳，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)停機(jī)。鉛酸電池存在使用壽命短（2-3年）、維護(hù)成本高的特點(diǎn)。采用超級(jí)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(zhǎng)、免維護(hù)、環(huán)保等諸多優(yōu)勢(shì)，對(duì)提高機(jī)組安全性、運(yùn)行效率、降低生產(chǎn)成本方面效益明顯。

關(guān)鍵詞：超級(jí)電容；電動(dòng)變槳；風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

1 國(guó)內(nèi)主流電動(dòng)變槳型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

多采用七柜式電動(dòng)變槳系統(tǒng)，分別為一個(gè)主控箱、三個(gè)軸箱、三個(gè)電池箱及其他附屬設(shè)施構(gòu)成一整套變槳系統(tǒng)，在正常情況下，變槳驅(qū)動(dòng)器接受3*400VAC主電源，經(jīng)過(guò)整流變?yōu)榭煽氐闹绷麟婒?qū)動(dòng)電機(jī)工作。

1.2 驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作過(guò)程

在正常情況下驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)處于待機(jī)狀況，當(dāng)PLC給定驅(qū)動(dòng)器的RFG啟動(dòng)信號(hào)有效時(shí)，將3*400VAC電源作為主電源，編碼器將葉片運(yùn)行位置反饋給變槳PLC，測(cè)速發(fā)電機(jī)將電機(jī)速度信號(hào)反饋給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)變槳控制。當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)故障或風(fēng)機(jī)進(jìn)入緊急停機(jī)狀態(tài)，通過(guò)主控制器發(fā)出動(dòng)作指令，驅(qū)動(dòng)器停止工作，由后備電源（鉛酸電池作為后備電源）直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)回槳，停止風(fēng)機(jī)運(yùn)行。

1.3 后備電池驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作過(guò)程

當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)故障或緊急回槳情況時(shí)，驅(qū)動(dòng)器停止工作，變槳控制器發(fā)出指令，此時(shí)剎車和電樞勵(lì)磁回路接觸器相繼吸合，由后備電池直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)回槳，觸發(fā)限位開(kāi)關(guān)，電機(jī)停止運(yùn)行，此時(shí)風(fēng)機(jī)槳葉處于順槳狀態(tài)，風(fēng)機(jī)安全停機(jī)。

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(biāo)稱為12V/7.2AH，提供標(biāo)稱電壓為216VDC直流后備電源。

2 鉛酸蓄電池特點(diǎn)

（1）維護(hù)頻率及成本高：每年進(jìn)行一次日常維護(hù)，平均2-3年更換一次，壽命周期內(nèi)8-10次，單臺(tái)更換成本約1.2-1.5萬(wàn)元，風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)壽命20年，在其壽命周期內(nèi)蓄電池的更換費(fèi)用約10-15萬(wàn)元。（2）溫度適應(yīng)性不強(qiáng)：蓄電池的放電能力在不同溫度環(huán)境下差異較大，25℃時(shí)、為100%，0℃時(shí)、為85%，需設(shè)計(jì)加熱裝置才能滿足使用。（3）應(yīng)用控制系統(tǒng)復(fù)雜，需考慮過(guò)充、過(guò)放、過(guò)熱等復(fù)雜運(yùn)行工況狀態(tài)。（4）體積大、質(zhì)量重，日常維護(hù)不方便，運(yùn)行過(guò)程中存在漏液、鼓包等故障現(xiàn)象。（5）廢舊蓄電池?fù)p壞產(chǎn)生的金屬鉛、液體等對(duì)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(jí)電容特點(diǎn)

（1）超級(jí)電容約有100萬(wàn)次循環(huán)壽命，10年免維護(hù)，使維護(hù)壽命降低至電池的1/10，而在變槳系統(tǒng)中應(yīng)用，維護(hù)頻率可降低至原來(lái)的100%，即在風(fēng)機(jī)壽命周期內(nèi)免維護(hù)，單臺(tái)風(fēng)機(jī)一次性成本為2.5萬(wàn)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(jí)電容功率密度為鉛酸電池的20倍，在滿足系統(tǒng)功率計(jì)能量要求下可將重量降低至原來(lái)的1/4以上。（4）超級(jí)電容所有狀態(tài)與電壓值成對(duì)應(yīng)關(guān)系，自身管理及應(yīng)用系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，在很大程度上提高了變槳系統(tǒng)的可靠性。

4 超級(jí)電容在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的應(yīng)用

4.1 超級(jí)電容配置

以1.5MW機(jī)組變槳系統(tǒng)為例進(jìn)行核算（變槳電機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1）。

（1）系統(tǒng)能量需求為63KJ，取1.25倍余量，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)成一個(gè)模組，每支槳葉用5套模組串聯(lián)。

4.2 超級(jí)電容充電器

按系統(tǒng)要求充電時(shí)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(wèn)題，選用實(shí)際功率為700W的隔離式AC/DC充電器。

4.3 超級(jí)電容管理系統(tǒng)

每個(gè)電容箱體配備監(jiān)測(cè)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(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，傳輸至變槳PLC，同時(shí)控制充電器充電等工作。

5 結(jié)束語(yǔ)

變槳型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行工況復(fù)雜，用鉛酸電池作為后備電源驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)槳葉旋轉(zhuǎn)時(shí)環(huán)境溫度對(duì)其充、放電性能影響大，影響機(jī)組可利用率及安全可靠性。超級(jí)電容作為一種充放電速度快、工作范圍寬、可靠性高、免維護(hù)保養(yǎng)的儲(chǔ)能設(shè)備，可作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳后備電源，對(duì)降低企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本、降低人員勞動(dòng)強(qiáng)度、保障機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行效果明顯，在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域推廣使用超級(jí)電容，能夠減少能源消耗，解決鉛酸電池污染問(wèn)題，其應(yīng)用于電動(dòng)變槳型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的前景十分廣闊。

參考文獻(xiàn)

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