超級電容在風力發電系統中的應用

文 | 周玲慧，趙燕，徐峰

超級電容在風力發電系統中的應用

文 | 周玲慧，趙燕，徐峰

兆瓦級直驅風電機組電控系統，由機艙控制柜、變流器、變槳系統、塔底控制柜組成。其中變槳系統是整個風電機組的重要組成部分，所有部件都安裝在輪轂上，機組正常運行時，所有部件都隨輪轂以一定的速度旋轉。通過控制葉片的角度來控制風輪的轉速，進而控制機組的輸出功率，并能夠通過空氣動力制動的方式使機組安全停機。風電機組的葉片通過變槳軸承與輪轂相連，每個葉片都有自己相對獨立的電控同步的變槳驅動系統，變槳驅動系統通過一個小齒輪與變槳軸承內齒嚙合聯動。

在市電正常時，變槳系統依賴市電供電，為保證市電停止后，變槳系統仍然可以工作一段時間，以確保機組在發生嚴重故障或重大事故的情況下可以安全停機（葉片順槳到90°）。需要一個為系統提供一定工作能量的儲能裝置，該儲能裝置儲存能量的大小，根據用電設備的功率和備用時間確定。

目前風電行業一些儲能裝置采用了蓄電池，其主要缺點是重量較重、體積較大、循環壽命短、維護成本較高，同時充放電效率低，對工作溫度要求也較嚴格。

超級電容又叫做電化學電容器，是近期發展起來的一種新型儲能元件，它既像靜電電容一樣具有很高的放電功率，又像電池一樣具有很大的電荷儲存能力，使得這兩種元件找到一個最佳結合點。它性能穩定，容量為傳統電容器的20倍—200倍，功率一般大于1000W/kg，循環壽命大于105次，可儲存的能量比傳統電容要高得多，并且充電快速。

由于超級電容具有可以快速充放電、循環壽命長等優異性能，因此非常適用于風電機組中變槳系統的儲能裝置，能有效增強變槳系統的可靠性。

機組及變槳系統介紹

風電作為綠色可再生能源近年來受到了國家產業政策的大力扶持，航天科工集團第三研究院貫徹《中國航天科工集團公司自主創新工作管理辦法》的有關要求，面向新能源領域風電產業，開展擁有獨立自主知識產權的全功率2MW風電變流器的研發，并同步開展1.5MW直驅風力發電整機系統的研發與設計。經過近三年時間，風電研發隊伍在大慶瑞好風電場進行了無數次調試和試驗，對機組進行并網發電試驗，成功實現了1.5MW大功率并網發電，并完成了連續多天無人值守下的小功率并網發電考核。下面針對超級電容在該風電機組中的應用進行介紹。

一、風電機組

直驅式風電機組為變槳距調節型機組，由主控系統、變槳系統、變流器系統、偏航系統、液壓系統、安全鏈系統等多部分組成。其中主控系統在風電機組控制和運行中占有核心地位，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，根據各方面的情況作出綜合分析后，發出各種控制指令，實現機組的自動啟動/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。

風電機組在運行期間，葉片會在風速變化的時候繞其徑向軸轉動。在整個風速范圍內具有幾乎最佳的槳距角和較低的切入風速。高風速時，改變槳距角以減少攻角，從而減小葉片上的氣動力，保證葉輪輸出功率不超過發電機的額定功率。主控系統與變槳系統之間通訊采用CANOPEN協議，波特率為50Kbps。

風電機組采用全功率變流器并網，把機組帶動的永磁同步電機發出的交流電變為直流電，再經過逆變器變換成可并入電網的符合相關標準要求的交流電。主控系統與變流器系統之間通訊采用CAN 2.0B協議，數據為標準幀格式（11 位ID），波特率為500Kbps。

在啟動風電機組之前，需保證三個超級電容均已充電完畢。當出現風電場斷電的情況，變槳系統由超級電容供電，完成收槳工作，實現機組安全停機。

二、變槳系統

變槳中央控制箱執行輪轂內的軸控箱和位于機艙內的機艙控制柜之間的連接工作。變槳中央控制箱與機艙控制柜的連接通過滑環實現。機艙控制柜通過滑環向變槳中央控制柜提供電能和控制信號。另外風電機組主控系統和變槳控制器之間用于數據交換的Profibus-DP的連接也通過這個滑環實現。

圖1為變槳系統內部接口示意圖，主要包括通訊模塊、超級電容模塊和槳葉控制模塊三部分。通訊模塊主要完成三個槳葉控制系統與風電機組主控系統的信息傳遞，實現主控系統對變槳系統的控制，以及主控系統對變槳系統工作狀態的監控。超級電容模塊的作用是在滑環斷電或變槳系統欠壓的情況下，向變槳系統提供能量，將三個槳葉順槳，保證整個機組的安全。槳葉控制模塊接收主控系統的指令，按照主控系統的要求將槳葉開到指定的角度。

變槳系統采用模塊化控制，由三個完全相同的變槳控制器分別控制三個槳葉。變槳控制器由變頻器、接觸器、繼電器以及DC電源等模塊組成。變頻器型號為Vacon NX_5系列變頻器。

對每個槳葉采用單獨伺服電機進行調節，伺服電機通過主動齒輪與槳葉輪轂內齒圈嚙合直接對槳葉的槳距角進行控制。位移傳感器采集槳葉槳距角的變化與電機形成閉環PID負反饋控制，在系統出現故障如控制電源斷電時，由超級電容向槳葉控制電機供電，將槳葉調節為順槳位置，實現葉輪停轉。

風電機組正常運行期間，當風速超過機組額定風速時，為了控制功率輸出，變槳系統根據風速變化自動調整槳距角，將槳距角限定在一個小角度（如30°）之內，通過控制葉片的角度可使風輪的轉速保持恒定。任何情況引起的停機都會使葉片順槳到90°位置。

主控軟件對超級電容充電控制以及故障檢測

接下來以超級電容1為例，介紹主控系統軟件如何進行超級電容充電控制以及故障檢測。對超級電容2和超級電容3的充電控制以及故障檢測，與超級電容1類似。

一、充電控制

主控系統查詢超級電容1的電壓持續60s高于490V則向超級電容1發送停止充電指令；持續10s低于470V則將停止充電指令清零。

若查詢到超級電容1的電壓持續5s低于525V，并且無停止充電指令，則向超級電容1發送充電指令。

若同時查收到三個槳葉的停止充電指令，表示變槳系統超級電容充電完畢，此時機組才能啟動。

二、充電流程

整機系統對風完畢之后，點擊風電機組操控界面上的滑環供電按鈕，主控系統查收到滑環供電指令40s后給變槳系統發送啟動通訊指令。若查收到三個槳葉的通訊心跳位均不在，即主控與變槳通訊未建立，則向變槳系統發送滑環上電指令，否則只要任何一個槳葉的通訊心跳位存在就向變槳系統發送停止運行指令，并在3s之后查詢超級電容放電回路接觸器是否已斷開，若三個接觸器均斷開則向變槳系統發送滑環上電指令，否則報故障。這樣設計的好處是，如果因變槳系統故障導致整機停機了，變槳系統超級電容放電回路接觸器有可能并未斷開而處于閉合狀態，此時若重新做試驗，給滑環上電并向變槳發送充電指令，可能會出現超級電容電源板被燒壞的現象，而每次主控收到滑環上電指令就啟動變槳通訊并查詢心跳位，若心跳位存在則向變槳發送停止運行指令，給滑環斷電，可以成功規避該問題。

主控系統向變槳系統發送滑環上電指令后會收到變槳的供電反饋信號，40s后主控系統啟動與1號槳葉之間通信，之后每隔1min再分別與 2號、3號槳葉建立通信。通信建立成功后主控系統可接收到變槳系統發送的50ms變化一次的心跳位信號，同時主控系統向變槳系統發送20ms變化一次的主控心跳信號。主控系統通過判斷接收到的槳葉狀態字與心跳位狀態，確定與變槳通信是否正常。通信正常后主控系統判斷如果槳葉超級電容電壓高于490V，則向變槳系統發送超級電容充電停止指令；如果超級電容電壓低于470V，則向變槳系統發送超級電容充電開始指令。判斷超級電容放電回路接觸器是否正常斷開、三組槳葉是否充電都完成，若未完成則重新進行上述判斷，直至完成。

判斷變槳系統自檢完成進入正常工作模式后，主控系統向變槳系統發送運行指令和位置1控制命令字。

成功建立通信后，槳葉角度在操控界面上顯示為90°，待三槳葉全部充電完成，三個槳葉的位置角度會變為89°，表示：變槳已經供電正常，待啟動（當變槳處于急停狀態，其槳葉角度顯示為90°）。

三、故障檢測

當主控系統檢測到任何一個超級電容電壓高于520V則報故障，同時給滑環斷電。

超級電容1放電時，若主控系統檢測到電壓持續1s低于465V或者超級電容電壓3s內下降超過20V則報超級電容供電故障。

待超級電容充電1小時后，主控系統查詢超級電容電壓，若低于490V則報超級電容充電失敗故障。

在變槳工作過程中主控系統實時檢測三個超級電容放電回路接觸器的狀態，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）

變槳系統正常啟動后，當要給滑環斷電時（通過操控界面可發斷電指令），主控先給變槳發送停止運行指令（變槳收到后會斷開超級電容放電回路接觸器），主控在檢測到運行指令下降沿跳變5s之后發送滑環斷電IO指令，緊接著查詢三個超級電容放電回路接觸器是否已斷，任何一個未斷開均報故障。如果變槳系統出現故障并未正常啟動或者正處于超級電容充電過程中，主控系統在收到操控界面的滑環斷電指令后，緊接著發送滑環斷電IO指令。

滑環斷電5s之后若查詢到主控與任何一個槳葉系統之間通訊仍在，則報滑環斷電失敗故障。

超級電容性能驗證試驗

為整機系統安全性穩定性考慮，應分別對三個槳葉對應超級電容的性能進行驗證，功能完好的情況下才能啟動機組。

一、試驗項目

首先，針對單個槳葉，待超級電容充電完畢，進行如下幾項系統試驗，均能正常收槳才表示該槳葉對應超級電容功能完好：

1.滑環斷電試驗；2.安全鏈急停試驗；3.主控停車試驗。

接下來，針對三槳同調工況，進行如下幾項系統試驗，均能正常收槳才表示整機系統的變槳系統超級電容功能完好：

1.超級電容充電過程中，主控急停試驗；2.滑環上電但未建立變槳通信，主控急停試驗；3.滑環未上電，主控急停試驗。

二、試驗結果

根據某工況下機組多次單槳收槳試驗的結果，發現一般單槳收槳20°超級電容電壓下降約10V，收槳30°超級電容電壓下降約15V，收槳60°超級電容電壓下降約25V。根據多次三槳同調收槳試驗的結果，發現一般收槳20°超級電容電壓下降約20V。

最后在各試驗均能正常收槳，且三個超級電容性能均滿足要求的情況下，機組安全啟動，實現并網發電。

結束語

綜上所述，超級電容由于其充放電快、循環壽命長等特性十分適用于風電機組變槳系統的儲能裝置，可提高機組穩定性和安全性。從打破國外技術壟斷、保證國家電力安全和分享巨大的風電市場角度考慮，超級電容的成功應用具有極大的現實意義，對從事風電事業的人員具有一定的借鑒意義。

（作者單位：中國航天科工集團第三研究院）