存量風機變槳系統后備電源優化

孔慶剛，王建波，楊益平

（1.尚堅能源科技（上海）有限公司，上海201612；2.杭州弘易科技有限公司，浙江杭州310023）

存量風機變槳系統后備電源優化

孔慶剛1，王建波1，楊益平2

（1.尚堅能源科技（上海）有限公司，上海201612；2.杭州弘易科技有限公司，浙江杭州310023）

分析了風電變槳系統的主要故障，采用鉛酸蓄電池為后備電源的故障約占變槳故障的50%。以SL1500風機為例，提出了使用超級電容對變槳系統備用電源進行優化的方案，并進行了相關設計。

變槳系統；備用電源；超級電容

1 引言

隨著社會發展對能源需求的持續增長，煤炭、石油等常規石化能源逐漸枯竭，環境污染問題也日益嚴重。近年來國內多處受到霧霾的危害，大家越來越重視可再生能源的利用。風力發電作為可再生能源的一種，受到重視。雖然我國的風電已在2006年開始批量裝機，目前新增的風電容量，已經超過美國，連續幾年位居全球首位。但是風力發電的技術在近年來才逐步成熟，在早期安裝的風機，由于技術的缺陷，存在著安全隱患。由于風電廠通常位于偏遠地區甚至海上，工作環境、自然條件都比較惡劣，以致各地風電場棄風情況的加劇，這種狀況下就需要降低發電成本，提高風電的競爭力。因此要求現存風電場，對現有風機進行技術改造，提高系統可靠性和可利用運行時間，來降低發電成本。［1］

風機變槳系統，發生故障時會直接導致風機停機，甚至會導致葉片無法收回。在大風直吹風機部分葉片的情況下，會導致葉片的迎風面積增大，在三個葉片不同角度，造成葉片很大的氣動不平衡，在一些特殊風況下，如極端風速、異常湍流、和突變風向，葉片會產生劇烈扭諧振，風機輕則葉片斷裂，重則會導致整個風機失去控制，造成風機飛車、甚至倒蹋。因此變槳系統在風機電控系統里最需要保證安全和可靠性，即使在電網發生故障時，也要求能夠通過備用電源進行緊急順槳，收回槳葉。

2 存量風機變槳系統的安全隱患

鉛酸蓄電池是一種在各個領域里廣泛使用的化學電池，具有能量密度大，成本低廉的優點。其工作原理為利用鉛、硫酸之間的化學反應，產生電流。其陽極反應如式（1），鉛和硫酸反應產生負電子；陰極反應如式（2），氧化鉛和硫酸、氫離子反應，生成硫酸鉛和水。

水和硫酸是重要的反應物質，而這兩種液體受溫度影響非常大，會導致鉛酸蓄電池的低溫性能不佳，在低溫存儲和運行中，存在容量衰退和失效的特性。在沒電狀態下長時間放置，電池極板會硫酸鹽化，導致容量衰退。充電時，根據溫度差異進行溫度補償，并且需要采用一些特殊的充電方式（如涓流充電），才能保證完全充滿電池。所以蓄電池一般運行和存儲溫度都在－10℃以上，充電器需要根據不同廠家、不同型號的電池進行專門的設計。風力發電機組在戶外工作，并且有大量機組建設在北方或高海拔地區，存儲和工作甚至會出現長期－30℃以下的情況。同時從生產商到最終用戶，需要經過電池廠家、變槳系統廠家、整機廠、業主等多個環節，而最終用戶業主，甚至變槳廠家，并不十分了解電池特性。鉛酸蓄電池在變槳系統里的應用和維護，都存在諸多缺陷，導致故障率極高。

早期風機的變槳系統普遍采用鉛酸蓄電池作為備用電源，在運行時間超過5年后，普遍存在故障率高，需要經常維護的問題，已經嚴重影響到風機可利用運行時間和風機安全。

以某風場為例［2］，該風場全年發生故障639臺次，其中變槳故障發生433臺次。在變槳故障中，可以分為變槳伺服、變槳電機、備用電源、編碼器及其他幾類，如表1所示。其中備用電源的故障有190起，占43.88%，是導致故障多發的主要因素。尤其在運行時間超過兩年后，備有電源故障急劇增加，更換頻次增高，嚴重影響了機組的發電效率，增加了維護人員工作量。

表1 變槳故障統計

備用電源故障表現為電池失效、容量衰退、電壓過低。經分析導致故障的原因，主要是因為鉛酸蓄電池在以下狀態工作：①低于－20℃的低溫下運行；②長時間存儲未充電；③）長時間低溫存儲；④充電電流過大；⑤超過40度以上的高溫下運行；⑥長時間振動工作。

2013年前安裝的風機功率約90，000MW，這一類風機大部分都采用鉛酸蓄電池作為變槳備用電源。如SL1500風機是一種早期設計的經典風機，市場存量近萬臺，大部分運行時間都超過了5年，變槳備用電源進入頻繁維護的狀態，維護時間和成本急劇增加。2012年后設計的風機，大部分都采用超級電容作為變槳備用電源，已經解決了該問題。SL1500這類存量風機，原有變槳系統是根據蓄電池的特性進行設計。蓄電池放電過程中電壓幾乎不變，和超級電容特性存在巨大區別。如沿用蓄電池的特性設計超級電容的變槳系統，超級電容方案的整個生命周期成本和蓄電池方案相比，沒有任何優勢，同時如何實現故障預警也是問題。因此對于SL1500機型沒有成功的解決方案，在確保實現功能和風機可靠性的同時，降低超級電容解決方案的成本是優化系統的難點，也是超級電容在存量風機推廣的最大阻礙。本文基于SL1500風機，提出了一種解決方案，并在現場得到了改造驗證。

3 存量風機變槳備用電源優化方案

3.1 SL1500風機變槳系統

SL1500風電機組采用變槳變速雙饋恒頻技術，機組由葉片通過變槳系統驅動，調整葉片升角，可以使風機能夠在低風速時吸收最大風能，在超過額定風速時保持穩定恒功率輸出，在風機故障時及時收槳進行氣動剎車。

變槳系統采用電動變槳方式，系統框架如圖1所示，主要由整流單元、PLC、變槳伺服、變槳電機、備用電源等部分組成。其中整流單元、PLC、整流單元通過對電網整流，為3個槳葉的變槳伺服提供550V直流輸入；3個變槳伺服根據PLC的槳葉角度指令，分別驅動變槳電機，來實現對槳葉角度控制；在電網或整流單元發生故障時，由備用電源為3個槳葉的變槳伺服提供能量，完成變槳系統的緊急順槳，讓3個槳葉回到安全位置。現存SL1500變槳系統，采用鉛酸蓄電池作為備用電源。

圖1 SL1500變槳系統示意圖

3.2 超級電容

超級電容一種雙電層結構電容，如圖2所示，在電極和溶液的界面，通過電子或離子的定向排列行程電荷對峙，整個儲能和放電過程，不涉及化學反應，只有物理過程，所以可以做到充放電迅速，且具有短時放電能力強、低溫特性好、使用壽命長、免維護等特性，可以長達8－10年的免維護。這些性能使得超級電容與蓄電池相比，非常適合用于風電變槳系統。但是由于技術不成熟和成本高昂的問題，在早期制約了其在變槳系統批量應用。風電變槳系統根據能量和電壓的需要，主要采用350F／2.75V單體。由于風電溫度范圍寬，長時間旋轉振動的特殊工作環境要求，超級電容單體和超級電容模組技術需要成熟和驗證的時間。超級電容單體的價格，和批量應用密切相關，350F／2.75V單體，90%以上是在變槳系統里使用。在變槳系統沒有大批量使用超級電容時，350F／2.75V單體價格居高不下。

從2012年以來，超級電容逐步在風電變槳里得到批量應用，其性能和可靠性，都得到了業主們的好評。在2013年以后，單體價格也得到了大幅度地下降。現在，超級電容已替代鉛酸電池，成為風機的變槳控制系統備用電源的第一選擇。

圖2 超級電容結構

3.3 備用電源優化方案

針對SL1500機型變槳系統的改造，設計方案如下。

（1）容量設計

根據NB／T 31018－2011風力發電機組電動變槳控制系統技術規范，備用電源需要提供的能量，必須滿足槳葉在規定載荷情況下完成一次以上順槳動作。變槳系統驅動槳葉從0°到89°，假定變槳速度恒定、負載不變，可以認為系統按照恒功率驅動槳葉，根據式（3）得到變槳系統在順槳過程消耗的能量；超級電容最大放電能量根據電壓和電容容值進行計算，如式（4）。式（3）、式（4）中，Eavg為完成一次緊急順槳需要的平均能量，Pavg為緊急順槳時的平均功率，η為變槳系統效率，Tf為完成一次緊急順槳需要的時間；Emax為超級電容可提供變槳系統的最大能量，C為從超級電容容量，Unor為從超級電容正常充滿時的電壓，Umin為系統截止工作電壓。

根據式（3）、式（4），可以得到完成一次順槳的最小電容容值。考慮到超級電容放電時，電容內阻會消耗能量，及超級電容在整個生命周期容量會有下降，最后電容容值需要取一個安全系數。計算出系統需要5.1F的容量，采用五串三并的超級電容模組配置，如圖3所示，其中每組超級電容模組的額定電壓為90V，串聯電壓為450V。該模組由36個單體串聯構成，容量為9.6F，采用主動均壓＋被動均壓的均壓方法。整個備用電源容量為5.76F，充滿時電壓為450V，工作截止電壓為260V。

圖3 超級電容模組連接方式

（2）充電方式

由于蓄電池有初始電壓，而超級電容無初始電壓。在超級電容充電起始階段，充電回路相當于短路狀態，所以無法直接利用原有充電回路。

改造方案是放棄蓄電池充電回路，增加一個與超級電容相匹配的充電器充電回路，充電采用先快后慢，最后恒壓的方式充電，充電器實時在線，不需要停機等待充電。初始上電時超級電容完全沒電，需要充電到能夠滿足一次緊急收槳的電能風機就可以開始運行，充電器在風機運行過程中繼續對超級電容充電。初始上電到電容充滿電的時間小于10min。充電回路具有在線監測和過流保護，保證超級電容充放電功能的正常運行及備用電源系統安全，充電器和超級電容的故障會發給主控系統，用于故障診斷、排查。

（3）故障預警

超級電容是一個物理元件，結構簡單，工作電壓、溫度決定了其使用壽命。發生故障時的表現是短路或斷路。超級電容單體電壓低，模組采用多個單體串聯，單體以被動均壓＋主動均壓的方式，進行單體間電壓的均衡。模組采取多個單體，發生故障時，會通過故障單體或串聯回路的其他單體過壓表現出來，所以通過對單體的電壓檢測，可以反應整個模組和單體的狀態。單體過壓報警是保證系統安全的重要手段。在超級電容工作全過程，對每個單體都進行過壓檢測，提供過壓報警功能。

由于超級電容在65℃以上環境溫度下工作，壽命和性能會發生不可逆轉的衰減。所以需要進行溫度保護，一般采用65℃的溫度開關，該開關在高于65±5℃時閉合，在低于45℃－58℃時斷開。

（4）健康狀況在線檢測

變槳后備電源是作為電網供電的補充，在電網側突發故障時，后備電源代替電網給變槳系統供電。日常工作中需要對后備電源定期檢查，提前消除故障確保系統安全。

超級電容檢測的考核要素，是電容容量和充電時間。其中電容容量按照分時計量法來進行計算，分別計算充電時的容量和放電的容量：

式中，Edis為放電能量，Uc為超級電容電壓，R為超級電容內阻，Ech為充電能量，Ich為充電電流，ηc為超級電容效率Uc（on）為放電起始電壓，Uc（off）為放電截止電壓。

考慮到超級電容內阻的影響，變槳備用電源安全的判斷條件為：超級電容的效率應該大于95%；容量不低于額定容量的85%。

4 結束語

現場對4臺SL1500進行了改造，改造后的四個月，風機一直運行正常，并且經過了－20℃環境溫度的考驗，變槳后備電源也未出現任何故障。該改造提高了風機利用率，減少了維護成本和時間，解決了原鉛酸蓄電池在惡劣工況下的隱患。此次優化達到了預定目標，證明該超級電容在SL1500系統通過優化進行應用，起到了示范驗證作用，此技術為批量優化變槳備用電源積累經驗和提供成功的解決方案。

［1］楊 濤.Suzlon1.25MW風機變槳電池優化方案［J］.能源與節能，2016，（9）：64－65，86.

［2］甘槐樟.風電場風機變槳系統故障分析［J］.湖南電力，2012，32（6）：35－37.

Optimization of backup power supply of the fan system

KONG Qing－gang1，WANG Jian－bo1，YANG Yi－ping2
（1.Shangjian Energy Technology（Shanghai）Co.，Ltd.，Shanghai 201612，China；2.Hangzhou Hongyi Technology Co.，Ltd.，Hangzhou 310023，China）

The main faults of the variable pitch system of wind power are analyzed.Nearly 50 percent of the faults occur in the lead－acid battery as backup power supply.Taking the example of Huarui SL1500 fan，the optimization of the backup power su pply of the variable pitch system by using the super capacitor is presented.

variable pitch system；backup power supply；super capacitor

TM912.1

：A

1005—7277（2017）01—0022—05

孔慶剛（1979－），男，浙江省寧波人，就職于尚堅能源科技（上海）有限公司、中級工程師、碩士學位，研究方向為電力電子電路拓撲、先進磁性元件、先進半導體應用、風電變槳用伺服及伺服系統。

2016－08－23