海上風力發電機變槳系統超級電容的容量檢測方法研究

程厚淳

（天津瑞源電氣有限公司，天津 300308）

海上風電具有能源密度大、可靠性高等特點，因此成為各國研究和開發的熱點項目。在海上風力發電機中，風機的輸出功率由風機的轉速決定，而風機的轉速主要是通過變槳系統控制葉片的角度實現的。此外，變槳系統還能控制葉片的緊急順槳，從而實現發電機的安全制動停機，因此，變槳系統在海上風力發電機中具有不可及替代的作用。海上風力發電機變槳系統由一個獨立的電源供電，當供電電源發生故障時，變槳系統就會停止工作，此時若發電機也發生故障，就不能使葉片安全制動，最終可能會誘發更嚴重的故障或者重大事故。因此，為了保障海上風力發電機在發生故障時能安全制動，需要為變槳系統提供一個獨立的備用電源。超級電容器是一種技術先進的儲能裝置，它具有容量大、儲能高、比功率高、充放電速度快、綠色環保、適用范圍廣等諸多優點，因此被廣泛應用于海上風力發電機變槳系統的備用電源中。當風力發電機的電源因故障停止供電時，就會自動投切進超級電容為變槳系統供電，變槳系統會立刻啟動緊急順槳，使葉片旋轉至安全位置，從而實現發電機的安全停機，保障了風力發電機的安全。因此，有必要對超級電容的性能進行及時檢測。如何對海上風力發電機變槳系統超級電容的容量進行及時、準確的檢測，已經成為當前海上風電領域中的一個熱門研究課題，受到越來越多人們的重視。

1 海上風力發電機變槳系統超級電容的容量檢測方法

在海上風力發電機變槳系統的后備電源中，超級電容器通常都是多個單體以并串聯的方式使用的。由于生產工藝、制作材料等因素的影響，超級電容器單體之間必然存在一定的差異，這些差異主要體現在電壓、放電電流、壽命等方面，在使用的過程中，使用環境的溫度、濕度、使用時間等因素會放大這種差異性，可能會導致某些超級電容的容量降低，甚至失效，對海上風力發電機的安全運行帶來嚴重威脅。因此必須對超級電容器進行檢測和篩選，并且根據檢測結果對超級電容器進行分級，并對失效的超級電容進行更換，以降低風力發電機的故障發生率，保障其安全運行。

1.1 超級電容容量的檢測原理

容量是反映超級電容儲存電能的能力，同時也是超級電容器當前運行狀態的具體表現。若容量出現不正常的下降或者失效，就表明超級電容器發生故障。當前主要的超級電容器容量的檢測方法主要是恒流充放電法。利用恒流充放電法進行超級電容容量檢測時，利用公式能夠對超級電容的容量進行計算：

在超級電容器充放電的電流恒定不變時，公式（1）能夠轉化為下述形式：

由公式（2）能夠推導出公式（3）：

首先對超級電容器進行恒流充電或放電，然后將測量得到的電流、電壓等數值代入到公式（3）中即可得到超級電容的當前容量值。

圖1為恒流充放電檢測方法的原理圖。原理圖中主要包括恒流電流電源/恒電壓電源、轉換開關、電流表、電壓表、放電裝置和待檢測的超級電容。

在利用恒流充放電的方法進行超級電容器容量檢測時，為了保證檢測結果的準確性，必須在檢測前對超級電容器進行完全放電。待完全放電后再進行容量的檢測，主要的檢測過程如下所述。

（1）設置為恒流/恒壓電源的額定電壓為UR，放電裝置的恒定電流值為I。

（2）將轉換開關撥到位置1，此時超級電容開始充電，當充電至額定電壓時，保持恒壓充電15min。

（3）充電結束后，將轉換開關撥至位置2，以恒定電流值放電。

圖1 超級電容容量檢測原理圖

（4）設置超級電容器兩極電壓在放電前后的變化量為ΔVC，放電時間為Δt ，將其代入到公式（3）中，即可得到超級電容器的容量值。

但在實際的充放電過程中，超級電容器兩極的電壓變化并不是線性的，電流值也極不穩定，因此，檢測得到的超級電容器的容量值也存在較大的誤差，有必要對上述超級電容容量的檢測方法進行改進。

1.2 改進的超級電容容量的檢測方法

由于傳統的超級電容容量檢測方法存在較大的不足，因此，在傳統檢測方法的基礎上對超級電容容量的檢測方法進行了改進。設置超級電容的充放電過程能夠用下述公式進行描述：

其中，V0為超級電容的初始電壓值；V1為超級電容的最后能夠充進的或者釋放的電壓值；Vt為t時刻超級電容器的電壓值；R為超級電容充電或放電過程中電路的等效電阻。設置對超級電容進行電壓檢測時的測量精度為ε，則根據公式（4）能夠推導出下述超級電容器容量檢測公式：

由公式（5）能夠得知，在計算的過程中能夠消除掉電壓測量精度ε，因此能夠提高超級電容器的容量檢測精度。同時可知，利用公式（5）進行超級電容器容量的檢測，檢測的精度只與電壓的變化、等效電阻、充放電時間等這三個參數有關，而與充放電過程中電流值的變化無關，因此，能夠極大的提高超級電容器容量的檢測精度。

2 實驗結果分析

為了驗證改進檢測方法的有效性，需要進行一次實驗。實驗在天津某風電公司進行，實驗溫度為室溫，實驗中的相關參數如下表1所示。

具體的實驗步驟如下所述。

（1）切斷變槳系統的電源和變槳系統超級電容的外部供電，并利用超級電容的電能控制變槳系統作機械運動，消耗超級電容中的電能。

（2）實時檢測超級電容的電壓，當低于U1時，停止消耗超級電容中的電能，并接入外部供電為超級電容充電，當高于U2時停止充電。

（3）為超級電容充電的開始時刻和結束時刻，利用公式（5）計算超級電容的容值。

表1 實驗參數設置

根據上述實驗方法對超級電容的容量進行重復多次檢測，記錄實驗數據并繪制檢測曲線，能夠得到下圖2中的實驗結果。

圖2 超級電容的容量實驗結果

在上圖2中，曲線1為超級電容的電壓值，曲線2為葉片角度。從實驗結果能夠看出，當扭矩為52NM時，系統會自動投切超級電容的容量檢測功能，此時變槳系統的供電由主電源切換到超級電容進行供電，葉片的位置從40°旋轉至65°，超級電容的電壓由450V降至415V，與理論計算值413V非常相近。由于變槳系統安全系統存在一定的摩擦力，葉片的實際扭矩會略大于52NM，因此超級電容的電壓出現的偏差是在允許范圍內的。實驗結果還表明，在非恒流放電的情況下也能對超級電容的容量進行檢測，并且實際檢測結果與理論計算值之間的誤差在1%以內。

3 結語

在海上風力發電機中，及時準確的進行變槳系統超級電容的容量檢測，是保證風力發電機發生故障時能夠安全停機的前提。本文對傳統的恒電流充放電檢測方法進行了改進，克服了傳統檢測方法的不足，能夠及時準確的進行變槳系統超級電容的容量測量，具有檢測精度高、速度快等優點，并且能夠在非恒流的條件下對超級電容的容量進行檢測，擁有廣闊的發展空間和應用前景。