超級(jí)電容在變槳系統(tǒng)中的應(yīng)用

郭曉宇

（固安華電天仁控制設(shè)備有限公司，河北 廊坊 065500）

國(guó)內(nèi)風(fēng)電發(fā)展初期，主流變槳供應(yīng)商采用的后備電源技術(shù)多是密封閥控式鉛酸電池技術(shù)，在長(zhǎng)期應(yīng)用中此技術(shù)的劣勢(shì)越發(fā)明顯，與此同時(shí)，超級(jí)電容作為新型儲(chǔ)能元件，在變槳中的優(yōu)異表現(xiàn)廣泛獲得業(yè)內(nèi)認(rèn)可。

1 變槳系統(tǒng)中的后備電源

如圖1所示，風(fēng)機(jī)在并網(wǎng)運(yùn)行中，主控通過(guò)通訊總線(xiàn)向變槳系統(tǒng)下發(fā)位置指令，變槳系統(tǒng)借助控制技術(shù)和動(dòng)力系統(tǒng)調(diào)節(jié)葉片迎風(fēng)面與縱向旋轉(zhuǎn)軸的夾角，即槳距角，使葉片達(dá)到風(fēng)機(jī)主控給定的位置，從而使得風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)輸出功率平穩(wěn)達(dá)到主控設(shè)定值。在風(fēng)機(jī)正?；蚓o急停機(jī)時(shí)，變槳系統(tǒng)控制槳葉轉(zhuǎn)到預(yù)定安全位置，實(shí)現(xiàn)空氣動(dòng)力剎車(chē)，確保風(fēng)機(jī)安全停運(yùn)。當(dāng)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)運(yùn)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(shí)變槳系統(tǒng)則靠后備電源提供能量，驅(qū)動(dòng)槳葉回到安全位置，保證風(fēng)機(jī)安全停機(jī)?？梢?jiàn)，變槳后備電源在保證風(fēng)機(jī)安全方面起著極其重要的作用。

圖1

在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)，變槳蓄電池的壽命短、故障多、維護(hù)成本高等一系列問(wèn)題影響風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)行。根據(jù)風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)壽命，在風(fēng)電機(jī)組的壽命周期中，蓄電池要更換5～8次，蓄電池的費(fèi)用可達(dá)變槳系統(tǒng)總投資的40%以上。無(wú)論從系統(tǒng)運(yùn)行可靠性、維護(hù)性，還是經(jīng)濟(jì)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(jí)電容器作為一種新型電化學(xué)儲(chǔ)能單元，具有容量大、功率密度高、免維護(hù)、對(duì)環(huán)境無(wú)污染、循環(huán)壽命長(zhǎng)、使用溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。

2 超級(jí)電容

超級(jí)電容是一種介于傳統(tǒng)電容和二次電池之間的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置，其容量可以達(dá)到幾百甚至上千法拉。按照儲(chǔ)能機(jī)理，超級(jí)電容又可以分為雙電層電容和法拉第準(zhǔn)電容（本文中所涉及到的超級(jí)電容為雙電層電容）。雙電層電容的儲(chǔ)能機(jī)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(fù)離子，電荷儲(chǔ)存在界面雙電層中，通過(guò)電化學(xué)極化進(jìn)行可逆吸/脫附從而存儲(chǔ)和釋放能量，如圖2。

圖2

3 超級(jí)電容后備電源的設(shè)計(jì)

超級(jí)電容型變槳后備電源的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)系統(tǒng)工作電壓確定超級(jí)電容組的容值，從而確定后備電源中存儲(chǔ)的有效能量，使后備電源內(nèi)存儲(chǔ)的能量可以滿(mǎn)足順槳要求。后備電源的容值通過(guò)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(xiàn)電壓；

U2：變槳系統(tǒng)工作的最低直流母線(xiàn)電壓；

0～π/2：槳葉從0°順槳到安全位置的角度；

N：變槳電機(jī)與槳葉的減速比；

Tn：槳葉額定載荷；

Ω：變槳電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度；

1．25：順槳次數(shù)。

其中：

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

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

η：取60%；

U1：直流母線(xiàn)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(jì)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(shí)際使用時(shí)電容容值取正偏差以保證電容中儲(chǔ)能充足，即實(shí)際使用時(shí)的電容容值不能低于理論計(jì)算容值。

4 結(jié)語(yǔ)

超級(jí)電容具有環(huán)保、免維護(hù)、壽命長(zhǎng)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)成為變槳系統(tǒng)的主流儲(chǔ)能元件，合理的設(shè)計(jì)、使用超級(jí)電容，可以有效提高風(fēng)機(jī)的安全性。