超級電容在電動變槳型風力發電機組中的應用

王志強

摘 要：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。

關鍵詞：超級電容；電動變槳；風力發電機組

1 國內主流電動變槳型風力發電機組變槳系統簡介

1.1 系統結構

多采用七柜式電動變槳系統，分別為一個主控箱、三個軸箱、三個電池箱及其他附屬設施構成一整套變槳系統，在正常情況下，變槳驅動器接受3*400VAC主電源，經過整流變為可控的直流電驅動電機工作。

1.2 驅動器驅動電機工作過程

在正常情況下驅動器與電機處于待機狀況，當PLC給定驅動器的RFG啟動信號有效時，將3*400VAC電源作為主電源，編碼器將葉片運行位置反饋給變槳PLC，測速發電機將電機速度信號反饋給驅動器，驅動電機運行，實現變槳控制。當發生電網故障或風機進入緊急停機狀態，通過主控制器發出動作指令，驅動器停止工作，由后備電源（鉛酸電池作為后備電源）直接驅動電機回槳，停止風機運行。

1.3 后備電池驅動電機工作過程

當發生電網故障或緊急回槳情況時，驅動器停止工作，變槳控制器發出指令，此時剎車和電樞勵磁回路接觸器相繼吸合，由后備電池直接驅動電機回槳，觸發限位開關，電機停止運行，此時風機槳葉處于順槳狀態，風機安全停機。

1.4 變槳電池

每套電池箱由18節鉛酸蓄電池串聯組成（共3套），每節電池標稱為12V/7.2AH，提供標稱電壓為216VDC直流后備電源。

2 鉛酸蓄電池特點

（1）維護頻率及成本高：每年進行一次日常維護，平均2-3年更換一次，壽命周期內8-10次，單臺更換成本約1.2-1.5萬元，風機設計壽命20年，在其壽命周期內蓄電池的更換費用約10-15萬元。（2）溫度適應性不強：蓄電池的放電能力在不同溫度環境下差異較大，25℃時、為100%，0℃時、為85%，需設計加熱裝置才能滿足使用。（3）應用控制系統復雜，需考慮過充、過放、過熱等復雜運行工況狀態。（4）體積大、質量重，日常維護不方便，運行過程中存在漏液、鼓包等故障現象。（5）廢舊蓄電池損壞產生的金屬鉛、液體等對環境造成污染，具有回收、處置廢舊電池資質的企業較少，處理難度大。

3 超級電容特點

（1）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。（2）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%。（3）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。（4）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。

4 超級電容在風力發電機組中的應用

4.1 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）。

（1）系統能量需求為63KJ，取1.25倍余量，設計能量為78.75KJ。（2）模組串聯數量n：n=260V/2.6V，n=100只 單體選用2.7V。（3）模組最小容量C：C=78.75KJ/0.5*（2602-1502），C=3.48F。（4）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。

4.2 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。

4.3 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。

5 結束語

變槳型風力發電機組運行工況復雜，用鉛酸電池作為后備電源驅動風機槳葉旋轉時環境溫度對其充、放電性能影響大，影響機組可利用率及安全可靠性。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，其應用于電動變槳型風力發電機組的前景十分廣闊。

參考文獻

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[2]張純江，董杰，劉君，等.蓄電池與超級電容混合儲能系統的控制策略[J].電工技術學報，2014.