電動(dòng)變槳系統(tǒng)超級(jí)電容后備電源測(cè)試裝置設(shè)計(jì)

沈 鑫，田 煒，魯 斌，劉 劍

(國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京210003)

隨著風(fēng)力機(jī)大型化的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)取得了很大的進(jìn)步，其中變槳距控制是國(guó)際主流風(fēng)力機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)。電動(dòng)變槳距系統(tǒng)作為大型風(fēng)電機(jī)組的核心部分對(duì)機(jī)組安全、穩(wěn)定、高效的運(yùn)行有十分重要的作用[1，2]，該系統(tǒng)以伺服控制器控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪實(shí)現(xiàn)變槳距調(diào)節(jié)，每個(gè)槳葉由單獨(dú)的伺服控制器來(lái)控制，這樣可以使3個(gè)葉片獨(dú)立實(shí)現(xiàn)變槳距[3]。基于變槳系統(tǒng)對(duì)風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行的重要性，變槳系統(tǒng)通常都配有后備電源，當(dāng)出現(xiàn)電網(wǎng)供電中斷時(shí)，變槳系統(tǒng)可自動(dòng)切換到后備電源供電，并順槳停機(jī)，確保風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行[4]。由此可見(jiàn)后備電源是否滿足順槳要求，是否有足夠的能量保證安全順槳，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全方面的核心問(wèn)題之一。論文目的在于提供一種電動(dòng)變槳系統(tǒng)的后備電源測(cè)試裝置設(shè)計(jì)方案，無(wú)需上塔架測(cè)試就能方便可靠測(cè)試所使用的后備電源是否滿足要求，進(jìn)而保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行。

1 后備電源工作原理

正常運(yùn)行時(shí)，變槳系統(tǒng)以電網(wǎng)供電作為動(dòng)力電源，變槳控制器通過(guò)某種通信方式接受來(lái)自主控的角度、速度等控制指令，并發(fā)出控制指令給伺服驅(qū)動(dòng)器；伺服驅(qū)動(dòng)器收到控制指令后驅(qū)動(dòng)變槳電機(jī)，從而帶動(dòng)葉片變換角度，并將槳葉角度、變槳速度等信號(hào)實(shí)時(shí)反饋給控制器，實(shí)現(xiàn)高精度實(shí)時(shí)變槳[5]。

軸柜中的的充電器輪流對(duì)3個(gè)電池柜充電，當(dāng)變槳系統(tǒng)有故障或電網(wǎng)供電因故中斷時(shí)，變槳系統(tǒng)自動(dòng)切換至后備電源供電，同時(shí)啟動(dòng)緊急順槳，將槳葉關(guān)至限位開(kāi)關(guān)處，并將變槳系統(tǒng)電網(wǎng)供電中斷故障反饋給主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)根據(jù)故障反饋采取相應(yīng)安全措施，確保風(fēng)電機(jī)組的安全可靠運(yùn)行[5]。

2 后備電源測(cè)試裝置設(shè)計(jì)

整個(gè)后備電源變槳系統(tǒng)的測(cè)試裝置如圖1所示。

圖1 超級(jí)電容后備電源測(cè)試裝置

PC1與主控PLC連接，通過(guò)上位機(jī)軟件及時(shí)向變槳控制器發(fā)出槳葉角度和變槳速度等指令，變槳控制器接受到這些指令后向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出同樣的指令，而伺服驅(qū)動(dòng)器則直接驅(qū)動(dòng)變槳電機(jī)按照該指令進(jìn)行變槳，同時(shí)變槳電機(jī)上面的編碼器則將角度、速度狀況反饋給伺服驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)高精度的變槳。

當(dāng)整個(gè)變槳系統(tǒng)合上開(kāi)關(guān)開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)，電網(wǎng)AC400 V供電給充電器，充電器有兩個(gè)作用，一是給超級(jí)電容后備電源充電，保證后備電源的電壓達(dá)到穩(wěn)定值；二是正常運(yùn)行時(shí)，給伺服驅(qū)動(dòng)器供電，保證變槳的順利進(jìn)行。

該測(cè)試裝置設(shè)計(jì)中，變槳電機(jī)為異步電機(jī)，工作于位置閉環(huán)狀態(tài)，用來(lái)控制整個(gè)測(cè)試平臺(tái)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)位置跟蹤。力矩電機(jī)為永磁同步電機(jī)，PC2與控制器連接，通過(guò)上位機(jī)界面施加特定力矩，力矩電機(jī)工作于轉(zhuǎn)矩閉環(huán)狀態(tài)，通過(guò)控制電機(jī)的電流給定來(lái)改變負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩大小，進(jìn)而模擬變槳電機(jī)的負(fù)載變化。

3 利用裝置測(cè)試分析超級(jí)電容

基于上述設(shè)計(jì)方案，以某型號(hào)的2 MW超級(jí)電容后備電源電動(dòng)變槳系統(tǒng)為例，測(cè)試其放電特性，評(píng)估該裝置能否滿足測(cè)試需要。測(cè)試所用超級(jí)電容部分參數(shù)：超級(jí)電容模組參數(shù)75 V，30 F；超級(jí)電容數(shù)量3個(gè)；采用并聯(lián)連接方式；連接后電壓75 V；連接后電容90 F。變槳電機(jī)部分參數(shù)：電機(jī)型號(hào)G1602500；額定轉(zhuǎn)速1500 r/m；額定力矩 82 N·m；抱閘力矩 112 N·m；額定功率6 kW；額定電流135 A；額定電壓75 V。

3.1 放電測(cè)試

使用充電器對(duì)超級(jí)電容充電，充電完成后斷掉外接電源，使用上位機(jī)界面發(fā)送電機(jī)運(yùn)動(dòng)指令，可指定電機(jī)運(yùn)動(dòng)范圍。采用電機(jī)放電消耗能量的方式測(cè)試超級(jí)電容的放電能力，根據(jù)電容特性，超級(jí)電容釋放一半儲(chǔ)能時(shí)其電壓約為額定電壓的0.707倍，電壓下降到額定電壓的一半時(shí)，儲(chǔ)能釋放3/4。超級(jí)電容放電測(cè)試條件及結(jié)果如下。

（1）首先將電機(jī)運(yùn)動(dòng)范圍設(shè)置為60～75°，通過(guò)PC2的上位機(jī)軟件界面將施加力矩設(shè)置為30 N·m，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1500 r/min。在小角度范圍里測(cè)試電機(jī)的運(yùn)行以及釋放能量收槳情況如圖2所示。

圖2 超級(jí)電容供電條件下第1次測(cè)試

超級(jí)電容給電機(jī)供電情況下，電壓從64 V跌落至53 V，最低39 V，只跌落了11 V，電機(jī)電流基本穩(wěn)定，電機(jī)轉(zhuǎn)速開(kāi)始啟動(dòng)到截止，運(yùn)行曲線平穩(wěn)，屬于正常。

令布爾變量μ(pi,kα)表示協(xié)同成員pi與知識(shí)點(diǎn)kα間是否存在關(guān)聯(lián)關(guān)系。協(xié)同成員pi與知識(shí)點(diǎn)kα間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，即協(xié)同成員pi掌握知識(shí)點(diǎn)kα，則μ(pi,kα)=1；反之，則有μ(pi,kα)=0。因此，K-K子網(wǎng)絡(luò)與P-P子網(wǎng)絡(luò)之間的映射關(guān)系可以表示為

（2）將電容充滿電，在上位機(jī)軟件上將電機(jī)運(yùn)動(dòng)范圍設(shè)置為75～88°，力矩30 N·m，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1500 r/min。由圖3所知，超級(jí)電容給電機(jī)供電情況下，電壓從74 V跌落至66 V，最低57 V，電容電壓降低8 V，電機(jī)電流基本穩(wěn)定，有較小的跳變現(xiàn)象，電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線平穩(wěn)正常。

（3）將電容充滿電，在上位機(jī)軟件上將電機(jī)運(yùn)動(dòng)范圍設(shè)置為0～85°，力矩20 N·m，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1500 r/min。由圖4所知，超級(jí)電容給電機(jī)供電情況下，電壓從75 V跌落至51 V，最低46 V，電容電壓在電機(jī)運(yùn)行的整個(gè)85°范圍內(nèi)只降落24 V，滿足變槳收槳時(shí)的電容電壓要求，電機(jī)電流平穩(wěn)正常，電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線也是平穩(wěn)正常的。

圖3 超級(jí)電容供電條件下第2次測(cè)試

圖4 電容供電條件下第3次測(cè)試

（4）將電容充滿電，電機(jī)運(yùn)動(dòng)范圍0～85°，增大力矩到30 N·m，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1500 r/min。由圖5所知，超級(jí)電容給電機(jī)供電情況下，電容電壓從75 V跌落至36 V，最低34 V，當(dāng)增大力矩時(shí)，電容電壓掉落更快，跌落了39 V，這個(gè)更符合實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)機(jī)情況，滿足變槳收槳時(shí)的電容電壓要求，電機(jī)電流和電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線均平穩(wěn)正常。

圖5 電容供電條件下第4次測(cè)試

3.2 測(cè)試分析

變槳系統(tǒng)超級(jí)電容容量選擇的依據(jù)是風(fēng)機(jī)順槳過(guò)程中的力矩，電容儲(chǔ)存的能量應(yīng)能滿足在主電源斷電或電壓跌落的情況下驅(qū)動(dòng)槳葉回到安全位置。

根據(jù)NBT 31018-2011，電容組的容量應(yīng)滿足槳葉在規(guī)定載荷情況下完成一次以上順槳?jiǎng)幼饕骩6]。依據(jù)2 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)規(guī)范要求得出整個(gè)順槳過(guò)程需要的力矩和為256.2176 N·m，對(duì)照實(shí)驗(yàn)得出的曲線，可以將測(cè)試的超級(jí)電容與2 MW機(jī)組順槳需求能量做個(gè)對(duì)比，如表1所示。

表1 測(cè)試用電容與2 MW機(jī)組順槳需求能量對(duì)比

所測(cè)試的電容測(cè)試過(guò)程中放電至35 V，根據(jù)電容能量公式可計(jì)算出電容釋放出的能量為198 kJ,遠(yuǎn)大于2 MW機(jī)組順槳需求能量56 kJ，由此可見(jiàn)，該電容滿足2 MW風(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)順槳需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

[1]汪海波，田 煒，魯 斌，等.兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)直流和交流電動(dòng)變槳距技術(shù)[J].江蘇電機(jī)工程，2011，30（4）：42-44，47.

[2]葉杭治.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)[M].第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006，83-85.

[3]姚興佳，宋 俊.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組原理與應(yīng)用[M].第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011：128-129.

[4]葉杭治.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行與維護(hù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010：113-115.

[5]魯 斌，田 煒，劉 劍，等.基于超級(jí)電容的變槳系統(tǒng)后備電源設(shè)計(jì)[J].江蘇電機(jī)工程，2013，32（5）：46-48.

[6]國(guó)家能源局.NB/T 31018—2011風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電動(dòng)變槳控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)電力出版社，2011.