超級電容在風力發電系統中的應用分析

張振瑩 楊 南

天津瑞源電氣有限公司

超級電容在風力發電系統中的應用分析

張振瑩 楊 南

天津瑞源電氣有限公司

超級電容在風力電力系統中有著重要應用，帶動了風力電力產業的發展。文章對各種電容的特點以及各種電容在風力電力系統中的應用進行闡述，并分析了電容在風力發電系統中的發展前景。

超級電容；風力發電；風力電力系統

導言

目前國內主流電動變槳型風力發電機組的變槳系統采用雙回路供電電源，即3*400VAC主電源和后備鉛酸電池電源，在發生電網故障及風機緊急停機狀態下，由后備電源驅動電機回槳，實現風機停機。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、環保等諸多優勢，對提高機組安全性、運行效率、降低生產成本方面效益明顯。

1 機組及變槳系統介紹

1.1 風電機組

直驅式風電機組為變槳距調理型機組，由主控體系、變槳體系、變流器體系、偏航體系、液壓體系、安全鏈體系等多部分構成。其中主控體系在風電機組控制和運行中占有關鍵位置，主要作用是通過各類傳感器對電網、氣象及機組運行參數進行監控，并與其它控制器保持通訊，依據各方面的狀況作出綜合分析后，宣布各種控制指令，完成機組的自動發動/停機、偏航對風、機艙扭纜、變槳距控制、變速控制和運行故障監控等。主控體系與變流器體系之間通訊選用CAN 2.0B協議，數據為規范幀格局(11位ID)，波特率為500Kbps。在發動風電機組之前，需確保三個超級電容均已充電結束。當表現出風電場斷電的狀況，變槳體系由超級電容供電，完成收槳作業，完成機組安全停機。

1.2 變槳系統

變槳關鍵控制箱履行輪轂內的軸控箱和坐落機艙內的機艙控制柜之間的銜接作業。變槳關鍵控制箱與機艙控制柜的銜接通過滑環完成。機艙控制柜通過滑環向變槳關鍵控制柜供給電能和控制信號。別的風電機組主控體系和變槳控制器之間用于數據交換的Profi bus-DP的銜接也通過這個滑環完成。通訊模塊主要完成三個槳葉控制體系與風電機組主控體系的信息傳遞，完成主控體系對變槳體系的控制，以及主控體系對變槳體系作業狀況的監控。超級電容模塊的作用是在滑環斷電或變槳體系欠壓的狀況下，向變槳體系供給能量，將三個槳葉順槳，確保整個機組的安全。變槳控制器由變頻器、接觸器、繼電器以及DC電源等模塊構成。變頻器型號為Vacon NX_5系列變頻器。風電機組正常運行階段，當風速超越機組額外風速時，為了控制功率輸出，變槳體系依據風速改變主動調整槳距角，將槳距角限定在一個小視點(如30°)以內，通過控制葉片的視點可使風輪的轉速保持穩定。任何狀況引起的停機都會使葉片順槳到90°位置。

2 超級電容特點

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

3 超級電容在風力發電機組中的應用

3.1 超級電容配置

以1.5MW機組變槳系統為例進行核算(變槳電機參數見表1)。

系統能量需求為63KJ，取1.25倍余量，設計能量為78.75KJ。模組串聯數量n：n=260V/2.6V，n=100只單體選用2.7V。模組最小容量C：C=78.75KJ/0.5*(2602-1502)，C=3.48F。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。

3.2 超級電容充電器

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

3.3 超級電容管理系統

每個電容箱體配備監測單元，采集并管理電容箱內部工作溫度、電壓狀態、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。

3.4 故障檢測

當主控體系檢查到任何一個超級電容電壓高于520V則報故障，另外給滑環斷電。超級電容1放電時，若主控體系檢查到電壓繼續1s低于465V或許超級電容電壓3s內降低超越20V則報超級電容供電故障。待超級電容充電1小時后，主控體系查詢超級電容電壓，若低于490V則報超級電容充電失利故障。在變槳作業過程中主控體系實時檢查三個超級電容放電回路接觸器的狀況，任何一個斷開均報故障。(主控給變槳發送運行指令時，變槳會將超級電容放電回路接觸器閉合)變槳體系正常發動后，當要給滑環斷電時(通過控制界面可發斷電指令)，主控先給變槳發送中止運行指令(變槳收到后會斷開超級電容放電回路接觸器)，主控在檢查到運行指令降低沿跳變5s以后發送滑環斷電IO指令，緊接著查詢三個超級電容放電回路接觸器是不是已斷，任何一個未斷開均報故障。滑環斷電5s以后若查詢到主控與任何一個槳葉體系之間通訊仍在，則報滑環斷電失利故障。

結束語

風力發電機組運行工況復雜，超級電容作為一種充放電速度快、工作范圍寬、可靠性高、免維護保養的儲能設備，可作為風力發電機組變槳后備電源，對降低企業運營成本、降低人員勞動強度、保障機組安全穩定運行效果明顯，在風力發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，其應用于電動風力發電機組的前景十分廣闊。

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