風機變槳備用電源研究

李丹東

(西安諾博爾稀貴金屬材料股份有限公司,陜西 西安 710065)

1 課題研究背景及意義

地球變暖的現實使世界各國實現“碳達峰”、“碳中和”的越來越迫切,以風力發電為代表的新能源,具有綠色無污染、可無限再生的特點,已成為世界各國的研究熱點,從而使風電產業飛速發展,相應地也促使風力發電技術不斷推陳出新。如風電機組的功率控制由定槳距控制向變槳距控制發展,因為變槳距能夠對風速和載荷做出相應的葉片槳距角變化,其整機重量相對定槳距風機要輕,方便了機組安裝帶來。

由于風電場的環境惡劣,其低溫可達-40～-20℃,高溫則可至50～60℃；特別是在電網故障時要求盡快收槳,而變槳電機的啟動需要較大起動電流。兆瓦級變槳備用電源系統對于風力發電機組的整機安全和可靠性至關重要。本文根據目前風機變槳系統備用電源的現狀,有針對性進行研究和技術改進,以滿足當前風電機組變槳系統對備用電源系統的高可靠性要求,同時實現綠色環保和節能降耗的目的,具有重要的現實意義。

2 風機變槳備用電源系統的組成原理與改進方案

目前電伺服變槳系統的備用電源就是為鉛酸蓄電池組,但鉛酸蓄電池在低溫環境下,其容量會急劇變小甚至出現無法使用的情況,需為其配備加熱制冷系統；當變槳電機啟動時,備用電源需要為其提供瞬時大功率,為滿足該條件,所需鉛酸蓄電池串、并聯個數較多；鉛酸蓄電池壽命較短,且監控系統復雜。這使得鉛酸蓄電池無法為變槳系統提供安全可靠的備用電源,且總體成本較高。在高溫環境下產生鉛蒸汽是有毒的。

雖然近年鋰電池的發展迅猛,但其低溫下充電性能、大電流放電特性、安全性都未解決好,且充放電控制電路相對復雜,導致鋰電池的備用電源在風電行業中應用很少。

本文針對目前風機變槳系統的備用電源系統存在的不足,提出采用超級電容的風機變槳備用電源系統,取代鉛酸蓄電池。

基于超級電容的儲能電源具有很好的溫度特性,綠色環保,對環境無污染,循環使用壽命長達1 000 000次,能夠提供瞬間大功率充電放電,特別適合用于風機變槳備用電源系統。由于超級電容的價格也逐漸降低,基于超級電容的風機變槳的備用電源系統具有很好的推廣前景。

超級電容儲能屬于一種物理儲能,其內部在充放電的過程中不會發生化學反應,早期的超級電容利用活性炭作為其電極材料,因為活性炭的物理結構,其具有很大表面積,能夠使電容器的比電容得到提高。隨著技術的發展,石墨烯、碳氣凝膠、碳納米管等也被開發為超級電容的電極材料。超級電容的儲能原理決定了其具有壽命長的特點,能夠實現大電流的充放電,還有使用溫度范圍廣,綠色環保等優點?；诔夒娙莸某錾阅芤约帮L機變槳備用電源的復雜使用環境,超級電容在風機變槳備用電源系統中具有很好的應用前景。

目前,超級電容產業的領導企業為美國的Maxwell和日本的Nec、松下、Tokin等公司等,我國直到近年才出現如中車株機公司的優秀超級電容廠商,其研發生產超級電容的技術已經達到世界領先水平。2015年10月,中國中車株機公司自主研制出了新一代的大功率石墨烯超級電容,電容值高達30 000 F。

3 基于超級電容的風機變槳備用電源系統的設計

針對現有的風機變槳備用電源系統的問題,本章設計一種應用超級電容和雙向DC/DC變換器的備用電源系統,該系統采用了雙向Buck/Boost變換器拓撲結構,合理計算、選取超級電容單體與模組容量以及均壓電路,完善其充放電控制策略,并增加了基于物聯網技術的遠程狀態監控功能。

3.1 總體方案設計

基于超級電容的備用電源系統的設計原則主要為：(1)高性能硬件；(2)高可靠性；(3)實時在線監控。經過深入的調研,確定了基于超級電容的備用電源系統的主要指標,具體指標如表1所示。

表1 基于超級電容的備用電源系統的技術指標

風機變槳備用電源系統是風機安全可靠工作的一大重要保障,目前市面上的風機變槳備用電源分為三種,分別以傳統鉛酸蓄電池、鋰電池和超級電容作為儲能元件。然而,超級電容在風機變槳備用電源的應用中面臨以下主要問題：

(1)超級電容的參數存在差異。為此必須通過外部電路來均衡超級電容模組的單體電壓,提高其利用率。(2)超級電容的比能量無法與傳統電池相比較,相比而言,超級電容的儲能能力比傳統電池遜色,基于成本和體積的原因,超級電容模組的單體個數不會很多,也就無法像傳統蓄電池儲存3～5次的順槳能量。(3)超級電容模組能量利用率的問題。因此,為了使超級電容在風機變槳系統中得到更好的利用,需設計一個合理的備用電源系統來解決上述問題。

本文設計的風機變槳備用電源的總體方案設計如圖2所示。

圖2 風機變槳備用電源的總體方案

該方案設計難點是提高超級電容模組的利用率,主要從降低超級電容單體參數不一致帶來的影響和使超級電容模組在較低電壓仍能為風機變槳系統提供電源兩個方面著手,這就需要為超級電容模組設計一種有效的單體均壓電路及在超級電容模組電壓變化仍輸出穩定電壓的雙向DC/DC控制器。

3.2 儲能裝置容量的選取

風機變槳備用電源在電網故障時能為風機的順槳提供安全保障,其電源容量必須能夠滿足1.5～2次風機的順槳,超級電容作為新型的儲能元件,其存儲的能量計算相對傳統電池來講較為簡單,其能量計算公式為：

式中Q—超級電容儲存能量；

C—超級電容的容值；

U—超級電容的兩端電壓。

為保證備用電源有足夠的能量,設計取滿足兩次順槳的儲能容量,因此只要求出風機兩次順槳所需的能量,就可以根據該公式進行推算,得到相應的超級電容個數和容值。

變槳電機的參數如表2所示。以該變槳電機參數為根據,設計基于超級電容的風機變槳的備用電源。

表2 變槳電機參數

當發生風機失電事故時,風機變槳系統的備用電源為其提供變槳動力,變槳的角度為0～90°,也就是說備用電源需能夠滿足變槳電機驅動槳葉旋轉180°的所需能量。變槳時槳葉旋轉速度≥7°/s,則單次變槳中電機的運行時間長為12.857 s。假設在變槳過程中變槳電機一直以額定功率運行,據表2可計算出變槳電機所需電能為：W=UIt=160 V×30 A×12.857 s=61 713.6 J。

超級電容模組備用電源完成兩次順槳所需的儲存能量至少為以上計算的兩倍能量,即Q=2W=2×61 713.6=123 427.2 J,又因目前超級電容的額定電壓為2.7 V,為安全考慮將其充滿的電壓設為2.65 V。

從上面超級電容的儲能公式可以知道,當超級電容兩端的電壓為其額定電壓的一半時,超級電容本身剩余的儲存能量就只有其額定儲存能量的四分之一,能量已經所剩無幾,故將超級電容的放電終止電壓設定為1.4 V。

由于直流母線的額定電壓為168 V,而單體超級電容的電壓僅為2.7 V,要滿足變槳電機的工作電壓的要求,需要將超級電容串聯起來使用。假設需要的超級電容個數為n,單體超級電容的容值為C,單體超級電容的初始電壓為U1,放電后電壓為U2,則可以得到：

考慮成本等因素,當C=1 200 F超級電容,將初始電壓2.65 V和放電終止電壓1.4 V代入U1和U2,可以計算得到所需的超級電容的個數n≈40.634,如果考慮留有裕量,乘以系數1.3,取整數,則可以采用54個1 200 F的超級電容。

由式(2)反推來驗證2次順槳后超級電容單體的電壓下降為1.79 V,大于設計的低電壓1.4 V,滿足設計要求。

順槳過程中超級電容串聯模組的備用電源的大輸出電流出現在超級電容串聯模組電壓低的時候,即I=160×30/(1.4×54)≈63.49 A,也遠遠小于超級電容最大放電電流,故所設計超級電容串聯模組符合設計要求。

3.3 均壓電路

超級電容模組中的單體的均壓方案有能耗型和能量轉移型兩個基本方案,能耗型均壓方案的優點就是電路結構簡單,元器件較少,成本低,均衡速度能夠滿足實際工程需要,但無法有效利用超級電容的能量,“木桶效應”明顯。能量轉移型均壓方案電路復雜,但能有效利用超級電容的能量,如采用合適的控制策略能夠取得較好的均壓效果。

在能量轉移型的控制電路中,飛渡電容法的單飛渡電容法開關器件較多,不易實現,而多飛渡電容法的均壓效果較差；多輸出變壓器均壓法也存在著電路體積、均壓效果不理想等問題；電感儲能轉移法結構相對簡單,容易實現,但其開關數量也較多。

本系統采用一種簡化的電感儲能單向轉移法,如圖4工作原理為：當超級電容C1的電壓高于C2超過設定的閾值時,控制器控制T1導通,電感L1充電,關斷T1時,L1向C2充電,實現能量的轉移。同理超級電容C2電壓高于C3超過設定閾值時,能量向C3轉移,后的超級電容電壓高于C1時,能量通過變壓器轉移到C1上,能量只能以單一的方向轉移,無法實現反方向的能量轉移。通過這樣的能量轉移,終實現超級電容模組的單體電壓均衡。

圖4 Sepic/Zeta雙向變換器

電感儲能單向轉移法的均壓效果不如電感儲能轉移法,速度相對慢了,但開關器件數量由2(n-1)個減少為n個,相應的控制電路也得到簡化,成本也相應降低了,并且只要選取恰當的控制策略,電感儲能單向轉移法也能夠獲得較好的均壓效果,完全能夠滿足風機變槳系統的備用電源的要求。

3.4 備用電源系統的雙向DC/DC變換器設計

從設計的超級電容串聯模組計算可知,超級電容串聯模組的端電壓最高為143.1 V,而直流母線的額定電壓為168 V,并且超級電容串聯模組在使用過程中,它的端電壓并不像傳統電池的端電壓變化很小,它會隨著放電的進行,端電壓出現較大的變化,所以為了滿足變槳電機的使用需要,在備用電源與變槳電機之間加上一個DC/DC升壓電路。當電網正常運行時,變槳電機由電網的交流電整流后提供直流電源,并且超級電容串聯模組的充電也由電網的交流電整流后的直流電完成,因此直流母線與超級電容串聯模組之間也需要一個DC/DC降壓電路(圖1b所示)。

圖1 備用電源系統原理框圖

為節約成本,采用結構簡單、技術成熟的Cuk電路的變形——Sepic/Zeta雙向變換器,實現雙向的升降壓功能,兩側的電壓極性相同。Sepic/Zeta雙向變換器電路結構如圖3所示。

圖3 電感儲能單向轉移法

功率器件選型參考文獻[5],如表3所示。

表3 功率器件參數

由直流母線紋波需求,可求得直流母線并聯電容Cd≥237 μF,考慮足夠安全裕量,Cd可取2 200 μF/450 V。

3.5 充放電控制策略研究

超級電容是一種介于傳統電容和蓄電池的新型儲能元件,它的充放電電流可以高達上千安培,高低溫特性也要優于蓄電池,并且超級電容的循環壽命遠高于蓄電池,湖南耐普恩公司生產的超級電容壽命就高達100萬次,然而超級電容的充放電控制不當會造成超級電容的壽命急劇的縮短,使其優勢大為削弱。因此對超級電容的充放電策略的研究對風機變槳備用電源系統具有重要的意義。

3.5.1 充電策略

常用的電池充電策略有恒功率、恒流、恒壓、脈沖、浮充充電方式,超級電容模組的充電方式可以采用以上的某幾種充電方式的組合,這樣能夠有效的降低成本,提高超級電容模組的儲能性能。

本文采用的充電方式為：在超級電容模組電壓比較低的時候采用恒流充電的模式,提高超級電容模組的充電速度,當超級電容模組電壓上升到某一設定值(可由超級電容內阻與恒流充電電流計算出來)的時候再采用恒壓充電方式,降低充電電流,后采用浮充充電方式保持超級電容模組的滿電狀態。

3.5.2 放電策略

超級電容具有可以大電流放電的優秀特性,只要保證直流母線電壓為恒定值,就可以為變槳電機提供足夠的功率,無論變槳電機是工作于什么樣的工況。因此備用電源的放電策略采用恒壓的放電模式,通過控制IGBT的占空比,就可以在超級電容模組電壓下降的情況下也維持母線的電壓處于恒定值。

為了更好的利用風機變槳備用電源系統中超級電容模組的能量并簡化電路,在超級電容與直流母線間加了一個雙向DC/DC變換器,本章首先對所選的雙向DC/DC變換器進行建模并對充放電過程中的控制方式進行分析選擇,其次對雙向Buck/Boost變換器的工作模式的切換策略進行分析與選擇,后對所建模型進行仿真,驗證所選雙向DC/DC變換器的有效性。該部分設計為風機變槳備用電源系統設計的另一個難點。

3.6 雙向DC/DC變換器控制方式

3.6.1 雙閉環PI控制

為了實現雙向Buck/Boost變換器在超級電容模組充放電的時候都能夠快速的響應,電壓和電流環采用的控制器都是PI控制器,PI控制器能夠讓高低頻的增益得到提高,提高穩態精度,消除靜差。

因為超級電容模組的充電策略采用的是先恒流后恒壓充電的方式,因此需雙向Buck/Boost變換器在恒流充電時,電流環工作,保持充電電流恒定；當備用電源電壓達到設定值時進入恒壓充電,電壓環工作。當雙向Buck/Boost變換器工作于升壓模式,需要保證直流母線的電壓為其恒定電壓,為了更好的跟蹤負載變化,此時電壓環和電流環同時起作用。雙閉環中的電壓環是屬于外環控制,它能夠確保直流側電壓值的恒定,電流環為內環控制,可以實時的控制著電感電流的變化。雙閉環PI控制的結構框圖如圖4～8所示。

圖5中,uref為電壓環的設定值,VR為電壓環控制器的傳遞函數,CR為電流環控制器的傳遞函數,GidL()s為電感電流對開關占空比的傳遞函數,GuidL()s為輸出電壓對電感電流的傳遞函數。

圖5 雙閉環PI控制的結構框圖

3.6.2 雙向DC/DC工作方式切換策略

雙向Buck/Boost變換器在備用電源系統中有兩種工作模式,當電網正常運行的時候,雙向Buck/Boost變換器工作于Buck模式,為超級電容模組充電；當電網出現故障時,備用電源需向變槳電機提供動力,此時雙向Buck/Boost變換器工作在Boost模式,這就需要備用電源系統能夠根據具體情況給出正確的指令,使雙向Buck/Boost變換器工作于正確的工作狀態。

變槳系統中的直流母線電壓運行的允許低值為138 V,故當交流側電壓為20%的額定電壓且直流母線電壓低于140 V時即可判斷電網出現故障,備用電源投入使用,雙向Buck/Boost變換器工作于Boost模式；當交流側電壓值處于正常范圍且直流母線電壓大于150 V時,判斷電網正常,雙向Buck/Boost變換器工作于Buck模式。

圖6所示為雙向Buck/Boost變換器的工作模式的切換的流程圖。電壓的檢測是實時的檢測,這樣能夠給備用電源系統一個及時的信號并快速做出正確的指令。

圖6 雙向DC/DC變換器工作模式切換的流程圖

當雙向Buck/Boost變換器工作于Buck模式給超級電容模組充電的時候,也要監測超級電容模組的電壓,防止超級電容模組過充,使其長壽命的優勢得以發揮。

3.6.3 雙向DC/DC變換器Buck工作模式仿真分析

在Simulink中建立雙向Buck/Boost變換器Boost工作模式下的仿真模型,如圖7所示。將表1、2中的參數代入模型中,計算出電感電流對占空比的傳遞函數和輸出電壓對電感電流的傳遞函數,將傳遞函數輸入仿真模型中。電流內環的PI控制器比例和積分系數：Kcp=0.9、Kci=320,電壓外環的PI控制器的比例和積分系數為Kvp=2,Kvi=325。設定參考電壓為風機變槳系統直流母線的額定電壓168 V。

圖7 雙閉環控制仿真模型

經仿真可得如圖8所示波形,向Buck/Boost變換器工作于放電時,系統輸出電壓超調量小,響應速度快,在5 ms內即可穩定輸出設定的電壓值,快速跟蹤設定指令,當檢測電網故障時,能夠為變槳電機提供可靠的電源。因此本文設計的雙向Buck/Boost變換器處于升壓放電工作方式時具有響應速度快,超調量小的優點,符合設計的要求。

圖8 雙閉環控制仿真波形

以上的仿真結果證明利用狀態空間平均法對雙向Buck/Boost變換器進行數學建模,確定充放電過程中雙向Buck/Boost變換器的閉環控制方式,并對雙向Buck/Boost變換器的工作方式的切換策略進行了分析選擇,后對雙向Buck/Boost變換器所建立的模型進行仿真并對仿真結果進行分析,證明了所設計的雙向Buck/Boost變換器的可行性。

3.7 基于物聯網的備用電源狀態遠程監控系統

兆瓦級風機的電伺服變槳系統位于輪轂中,與機艙的主控制柜通信一般采用CAN總線的形式,再將數據通過光纖傳遞到塔基,然后再以專門的光纖通道傳送數據到中控室。

本文提出了一種基于GPRS網絡的備用電源狀態的監控系統,該監控系統能夠實時監控備用電源的狀態,維護檢修人員可在完成維護檢修工作后通過手機隨時查看備用電源狀態信息,提高工作效率?；贕PRS網絡的備用電源在線監控系統的結構如圖9所示。

圖9 基于GPRS網絡監控的風電機組通訊結構

4 實驗驗證

4.1 系統實驗平臺

根據前面的硬件設計電路,本文搭建了基于超級電容的風機變槳備用電源系統的實驗平臺,實驗平臺如圖10所示,實驗平臺由控制電路板、GPRS通訊模塊、雙向Buck/Boost變換器電路板、電源板以及超級電容模組組成。其中直流母線的負載由電阻代替,電網給直流母線供電裝置由圖10(b)所示的直流電源代替。

圖10 實驗平臺

4.2 實驗結果分析

根據前文的分析與設計,本文在基于超級電容的風機變槳備用電源系統實驗樣機上進行了實驗測試。實驗測試包括以下幾個部分：充電實驗、放電實驗、基于GPRS網絡的備用電源狀態遠程監控系統的通訊及超級電容模組單體均壓實驗以及風機變槳備用電源系統的保護電路功能實現的測試。

(1)充電實驗

充電實驗中,雙向Buck/Boost變換器工作于降壓充電模式,其充電電流設定為24 A,充電電流波形如圖11所示。從圖中可以看出系統能很好的跟隨給定電流指令,快速穩定于設定電流值,電流紋波小于2%,滿足系統設計要求。

圖11 充電電流波形

超級電容模組在充電過程中的電壓波形如圖12所示。超級電容模組在恒流充電過程中以恒定速率上升。

圖12 恒流充電電壓波形

(2)放電實驗

將直流電源斷開,模擬電網出現故障,雙向Buck/Boost變換器能夠自動切換到升壓放電模式,直流母線上的電壓波形如圖13所示。系統直流母線電壓允許的低值為138 V,由實驗結果可知,系統能夠快速判斷電網故障,及時為負載提供電源,直流母線電壓不會因為電網故障出現失電現象。當電網出現故障,備用電源為負載提供電源時,電感電流的波形如圖14所示。

圖13 電網故障時直流母線電壓波形

圖14 電網故障時電感電流波形

測試結果可知,本文設計的基于超級電容的風機變槳備用電源系統運行穩定性高,能夠可靠地為風機變槳電機提供備用電源。

5 總結與展望

本文針對目前風機變槳備用電源存在的問題,研究和設計了一種采用超級電容儲能技術的風機變槳備用電源系統,主要在以下的三個方面：

(1)完成了備用電源系統的總體設計方案?？偨Y了備用電源系統的設計主要指標,以及相應的系統容量、儲能元件參數,確定了儲能系統的充電放電策略,并配置遠程狀態監功能。

(2)設計雙向Buck/Boost型的DC/DC變換器,建模仿真分析了該系統在充放電過程中的切換策略和穩定性,檢驗其電壓電流的閉環控制方式的有效性和系統的可行性。

(3)設計相應的均壓電路、驅動電路和保護電路,編寫了備用電源系統軟件的主程序、儲能單體均壓子程序和超級電容模組的充放電子程序,并完成了系統聯調。

本文在設計風機變槳備用電源系統時采用超級電容,相對于常用的電池技術,具有先進性和實用性。但由于研究深度和現場運行不充分,在以下兩個方面有待進一步深化：

(1)對串聯運行的超級電容的單體電壓(能量)均衡算法進行優化,以提升均壓效率,從而提高風機變槳備用電源的安全性和可靠性。

(2)論文研究了小功率模擬負荷,與實際的槳葉驅動電機有差距,需提高系統的功率等級,并完成實際工況(包括異常和災害)條件下的驗證。