超級電容在變槳系統中的應用

郭曉宇

（固安華電天仁控制設備有限公司，河北 廊坊 065500）

國內風電發展初期，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明顯，與此同時，超級電容作為新型儲能元件，在變槳中的優異表現廣泛獲得業內認可。

1 變槳系統中的后備電源

如圖1所示，風機在并網運行中，主控通過通訊總線向變槳系統下發位置指令，變槳系統借助控制技術和動力系統調節葉片迎風面與縱向旋轉軸的夾角，即槳距角，使葉片達到風機主控給定的位置，從而使得風機發電機輸出功率平穩達到主控設定值。在風機正常或緊急停機時，變槳系統控制槳葉轉到預定安全位置，實現空氣動力剎車，確保風機安全停運。當風機并網運行中，送入變槳系統的400VAC發生故障（非LVRT），在失去主電的情況下，此時變槳系統則靠后備電源提供能量，驅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總投資的40%以上。無論從系統運行可靠性、維護性，還是經濟效益角度考慮，蓄電池都成了變槳系統中十分薄弱的環節。

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、對環境無污染、循環壽命長、使用溫度范圍寬等優點。

2 超級電容

超級電容是一種介于傳統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系統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：電容側能量轉換為槳葉側能量的效率；

C：后備電源的容值；

U1：變槳系統工作的最高直流母線電壓；

U2：變槳系統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：變槳電機轉動角度；

1．25：順槳次數。

其中：

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

以華電天仁TR-1．5G變槳系統來論證此方法的可行性，相關參數如下：

η：取60%；

U1：直流母線最高電壓60V；

U2：系統最低工作電壓30V；

N：減速比1800；

Tn：19Nm；

以上參數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變槳系統中后備電源的容值為125F，由于后備電源在變槳系統中的重要性，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 結語

超級電容具有環保、免維護、壽命長、環境適應性強等優點，現在已經成為變槳系統的主流儲能元件，合理的設計、使用超級電容，可以有效提高風機的安全性。