基于葉片載荷的變槳后備電源能量計算方法

王振威 劉佳偉 呂 峰

基于葉片載荷的變槳后備電源能量計算方法

王振威 劉佳偉 呂 峰

（固安華電天仁控制設備有限公司，河北 廊坊 065500）

超級電容已成為現今主流的變槳系統后備電源。本文以超級電容為例，針對風電機組變槳系統后備電源設計，提出一種基于葉片載荷的能量計算方法。通過與傳統順槳能量計算方法對比發現，本方法能提高能量計算的準確度，實現成本優化，對變槳系統整體設計具有指導意義。

變槳系統；載荷；后備電源；超級電容

0 引言

在當前全球能源安全問題突出、環境污染問題嚴峻的大背景下，加快發展風電已成為國際社會推動能源轉型發展、應對全球氣候變化、實現經濟可持續發展的普遍共識[1-4]。中國可再生能源近年來發展迅猛，2030年前中國可再生能源的發電量占比將達30%以上[5]。

變槳系統作為風電機組的重要控制與保護裝置，承擔著控制槳葉捕獲風能的重要作用[6-7]。當風電機組出現故障時，需要通過變槳系統控制槳葉收槳至安全位置，實現空氣制動剎車；而當電網供電異常情況下，變槳系統則需要利用系統自身后備電源提供能量，實現收槳功能。

隨著變槳技術的不斷發展，變槳系統主流后備電源已由傳統的鉛酸電池轉變為超級電容，而后備電源容量計算與選型將直接影響到系統的安全與成本。

1 變槳系統后備電源發展現狀

1.1 后備電源類型的更迭

1859年，由法國人普蘭特發明了鉛酸電池，使用含氧化鉛的材料制成鉛板作為正極，海綿狀纖維活性物制成的鉛板作為負極，內填充稀硫酸作為電解液傳導電子[8-9]。早期的變槳系統多為7柜結構，其中包含3個后備電源柜，用以安裝鉛酸電池組。在風電機組的現場運行中，變槳系統使用的鉛酸電池出現了故障多、壽命短等情況。據統計，在風電機組的壽命周期內，鉛酸電池通常被更換三、四次，鉛酸電池的費用可達變槳系統總投資的50%以上，無論從經濟效益還是系統運行可靠性角度，使用鉛酸電池作后備電源均已成為變槳系統中十分薄弱的環節[10]。

超級電容器是1879年由德國物理學家亥姆霍茲提出的具有法拉級的超大電容器。該電容器是20世紀60年代發展起來的一種基于雙電層理論基礎，介于蓄電池和傳統電容器之間的全新儲能器件[11]。超級電容正負極為碳活性物和粘合劑經過一定配比混合而成的極片材料，內填充含有機材料的電解液。在超級電容充放電時，其正負極利用極化反應吸附電解液中的正負離子，形成雙電層結構進行儲能，其儲能過程為物理反應，并不會發生化學反應，所以超級電容在壽命上相較于其他儲能設備具有極大優勢。

目前隨著儲能技術的發展，使用超級電容作為后備電源已受到越來越多廠商的關注。超級電容因其功率密度高、充電速度快、循環壽命長、工作溫度范圍寬等優點，非常適用于工作環境嚴酷的風力發電機組變槳系統的后備電源[12-15]。

根據當前變槳系統相關國標的設計要求，鉛酸電池作為后備電源時，系統在整個變槳范圍內，其順槳能力不少于3次；而超級電容作為后備電源時，其順槳能力不少于1次[16]。因此相對于鉛酸電池，超級電容的選型和分析對后備電源的計算精度和準確性要求更高。

1.2 后備電源順槳能力的測試與要求

變槳系統后備電源順槳能力通過加載試驗進行測試與驗證。當變槳系統加載試驗時，應在與實際工作等效的工況條件下進行，在試驗過程中，由加載系統來模擬槳葉等效載荷，完成被測系統的一系列加載試驗[17]。電動變槳距加載試驗平臺示意圖如圖1所示。

圖1 電動變槳距加載試驗平臺示意圖

風力發電在中國發展已有十余年，但葉片載荷作為整機廠家的核心數據，在行業發展之初并未向部件廠家公開，整機廠家習慣以變槳系統額定轉矩作為變槳系統的設計和型式試驗的參考力矩。而當校驗后備電源順槳能力時，也習慣以額定轉矩這一恒定值來檢驗順槳的次數。通過風場試驗數據可知，變槳系統在0°～90°范圍內運行時，其輸出轉矩是一個變化值。因此，若以變槳系統額定轉矩作為計算和檢驗后備電源能量，將產生一定的偏差，并可能提高整個變槳系統的生產成本。

2 葉片載荷的分析與選取

2.1 葉片載荷的分析

各大風電整機廠家在風機設計之初，會通過仿真軟件輸出變槳系統的驅動載荷數據。為達到設計目的，變槳系統需要綜合考慮疲勞與極端工況，系統的整體方案必須滿足風電機組在設計壽命中可能產生的一系列設計風況。

GH Bladed為一款工業級的風力機仿真計算軟件，能為風力發電機的設計與控制提供可參考的解決方案[18]。該軟件已通過德國船級社與IEC認證。一般將輸出以50ms為步長，包含時間、槳距角、變槳速率、驅動力矩等相關數據的載荷時序文件。某廠家3.0MW機型載荷時序見表1。

表1 某廠家3.0MW機型載荷時序

根據仿真得到的載荷時序數據可知，變槳系統在按預定的轉速運行時，其驅動轉矩是一個變化的過程，該驅動轉矩將隨著槳葉角度的變化而變化。圖2所示為某廠家3.0MW機型變槳系統在多個載荷工況下的驅動轉矩隨槳葉角度分布圖。

圖2 驅動轉矩槳葉角度分布圖

由圖2可知，若運行過程中出現電網掉電情況，則此時驅動部分的能量需要由后備電源提供，而系統后備電源的輸出功率將隨著槳葉角度的變化而變化。截取某廠家3.0MW機型的葉片載荷時序中一段數據，將變槳系統當前能耗、當前能耗占本次順槳總能耗的占比與槳葉角度關聯繪圖，得到能耗角度曲線圖，如圖3所示。

由圖3可知，從0°～90°的順槳過程中，變槳系統的當前能耗隨槳葉角度的增大而變化。以該載荷數據為例，當順槳角度到達56.78°時，系統已消耗本次順槳總能量的近90%；而完成56.78°～90°的順槳過程，只消耗了本次順槳能量的近10%。

由于順槳過程中變槳系統的能耗分布不均勻，所以用額定轉矩這一恒定值來檢驗順槳的次數并不準確。隨著整機廠家葉片載荷數據的逐步開放，尋找到了一種更接近實際運行工況的計算方案。

圖3 能耗角度曲線圖

2.2 葉片載荷的選取

結合GB/T 18451.1—2012《風力發電機組 設計要求》中規定的最少設計載荷工況（design load case, DLC），變槳系統后備電源能量計算時，需要通過載荷時序文件，計算得出極端工況下順槳一次的能量，同時考慮低電壓穿越（low voltage ride through, LVRT）過程中可能產生的極端能耗。

極端工況下順槳一次能量，以設計載荷工況中發電兼有故障（DLC2.1、DLC2.2、DLC2.3、DLC2.4）和緊急關機（DLC5.1）兩大設計工況中進行選取，取最大值。

低電壓穿越過程中極端能耗，以設計載荷工況中發電工況（DLC1.1、DLC1.2、DLC1.3、DLC1.4、DLC1.5）中進行選取，取3s最大值。

3 后備電源能量計算與余量預留

3.1 順槳能量的計算

根據載荷時序數據，可得到采樣時刻變槳功率值，采樣時刻功率的計算公式為

式中：P為載荷時序中第個采樣時刻功率值（kW）；T為載荷時序中第個采樣時刻驅動力矩值（N·m）；n為載荷時序中第個采樣時刻變槳速率（rad/s）；為變槳減速機總速比；p為圓周率常數。

若以采樣時刻功率值作為采樣步長時間內的平均功率，則可得到步長時間內的能耗，即

式中：W為第個采樣時間段的功耗（kJ）；P為載荷時序中第個采樣時刻功率值（kW）；為采樣步長時間（s）。

由于順槳過程為一段連續的時間，因此順槳一次總能量的公式為

式中：1為順槳一次總能量（kJ）；W第個采樣時間段的功耗（kJ）；為順槳開始的采樣時刻；為順槳結束的采樣時刻。

此外，變槳系統設計時，需要滿足低電壓穿越的需求，即在風電場并網點電壓跌至20%額定電壓時能夠保證不脫網連續運行625ms，在風電場并網點電壓發生跌落后2s內能夠恢復到額定電壓的90%時，風電場內的風電機組能夠保證不脫網連續運行。在此，選取發電工況下3s能耗的最大值作為低穿時間段內的極限能耗。由于3s時間連續，因此3s能耗極限計算公式為

式中：2為該載荷數據下3s的極限能耗（kJ）；W為第個采樣時間段的功耗（kJ）；為3s開始的采樣時刻；為3s結束的采樣時刻。

根據式（3）與式（4）對應處理所需設計機型的所有葉片載荷工況，可得到一次順槳能耗極值1max以及3s能耗極值2max，而總能量公式為

式中：為變槳系統后備電源所需總能量（kJ）；1max為一次順槳總能耗極值（kJ）；2max為考慮低電壓穿越工況的3s能耗極值（kJ）。

3.2 傳統方案與本方案對比

傳統順槳能量計算公式如下

式中：3為以額定轉矩順槳一次所需能量（kJ）；n為額定轉矩值（N·m）；為總順槳角度（°）；為順槳速度（°/s）；為變槳減速機總速比。

以某廠家3.0MW機型為例，使用傳統方法計算順槳能量。若該機型變槳系統額定轉矩為82N·m，緊急順槳速度為4.5°/s，順槳距離為90°，變槳減速機總速比為1870.7，則順槳能量達240.94kJ。

對同一機型，若使用本方案計算，則得到一次順槳能耗極值160.03kJ，得到3s能耗極值21.4kJ，最終順槳總能量為181.43kJ。

通過兩種方案對比，可以得到使用本方案計算的總能量，此值相較于傳統方案計算的總能量有所減少，減少能量近24.7%。

3.3 現場實際工況測試

選擇同一機型，取現場調試數據計算順槳一次所消耗的能量，計算公式如下

式中：4為現場工況變槳順槳一次所消耗的能量（kJ）；為超級電容實測容值（F）；1為后備電源順槳起始時刻電壓值（V）；2為后備電源順槳結束時刻電壓值（V）。

對3個風電場共47臺機組進行電容順槳試驗，即在斷開電網電壓后，使用后備電源完成一次槳距角由0°～90°的順槳操作，計算得到順槳一次消耗能量在98.17～122.46kJ之間，最大能量損耗為122.46kJ。

通過現場測試對比，可以得到實際變槳順槳一次所消耗的能量值，此值更加接近于本方案計算的能量值。

3.4 后備電源余量的預留

考慮到風力發電機的整體設計壽命，若以超級電容為后備電源，以10年為更換周期，則所需總的容值應滿足以下公式

式中：為超級電容的總容值（F）；1為后備電源的最高工作電壓值（V）；2為后備電源的最低工作電壓值（V）；為變槳系統后備電源的總轉化效率；為后備電源所需的最低能量（kJ）；為超級電容10年的容值衰減率；為整機廠家定制的順槳次數。

4 結論

本文提出一種基于葉片載荷的后備電源能量計算方法，遍歷各個工況下離散數據進行能量累加，最終得到順槳一次所需的最大能量值。通過與傳統計算方法對比可知，本方法可提高能量計算的準確度并盡可能實現成本的優化。本文還以超級電容為例，計算得到順槳所需的最小電容容值，并以該值作為后備電源設計的依據。

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Calculation method of backup power supply based on blade load

WANG Zhenwei LIU Jiawei LYU Feng

(Gu’an Huadian Tianren Control Equipment Co., Ltd, Langfang, Hebei 065500)

Ultra-capacitor has become the mainstream backup power supply of pitch system. Taking ultra-capacitor as an example, this paper proposes an energy calculation method based on blade load for the design of backup power supply of wind turbine pitch system. Compared with the traditional calculation method of feathering energy, the proposed method improves the accuracy, reduces the cost and proposes a guideline for the design of the pitch system.

pith system; load; backup power supply; ultra-capacitor

2020-07-07

2020-07-24

王振威（1986—），男，浙江省湖州市人，本科，工程師，主要從事變槳系統研發設計、葉片載荷計算與分析工作。