張振瑩 楊 南

天津瑞源電氣有限公司

超級(jí)電容在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

張振瑩 楊 南

天津瑞源電氣有限公司

超級(jí)電容在風(fēng)力電力系統(tǒng)中有著重要應(yīng)用，帶動(dòng)了風(fēng)力電力產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。文章對(duì)各種電容的特點(diǎn)以及各種電容在風(fēng)力電力系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行闡述，并分析了電容在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)展前景。

超級(jí)電容；風(fēng)力發(fā)電；風(fēng)力電力系統(tǒng)

導(dǎo)言

目前國(guó)內(nèi)主流電動(dòng)變槳型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳系統(tǒng)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(fā)生電網(wǎng)故障及風(fēng)機(jī)緊急停機(jī)狀態(tài)下，由后備電源驅(qū)動(dòng)電機(jī)回槳，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)停機(jī)。鉛酸電池存在使用壽命短(2-3年)、維護(hù)成本高的特點(diǎn)。采用超級(jí)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(zhǎng)、免維護(hù)、環(huán)保等諸多優(yōu)勢(shì)，對(duì)提高機(jī)組安全性、運(yùn)行效率、降低生產(chǎn)成本方面效益明顯。

1 機(jī)組及變槳系統(tǒng)介紹

1.1 風(fēng)電機(jī)組

直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組為變槳距調(diào)理型機(jī)組，由主控體系、變槳體系、變流器體系、偏航體系、液壓體系、安全鏈體系等多部分構(gòu)成。其中主控體系在風(fēng)電機(jī)組控制和運(yùn)行中占有關(guān)鍵位置，主要作用是通過(guò)各類傳感器對(duì)電網(wǎng)、氣象及機(jī)組運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，并與其它控制器保持通訊，依據(jù)各方面的狀況作出綜合分析后，宣布各種控制指令，完成機(jī)組的自動(dòng)發(fā)動(dòng)/停機(jī)、偏航對(duì)風(fēng)、機(jī)艙扭纜、變槳距控制、變速控制和運(yùn)行故障監(jiān)控等。主控體系與變流器體系之間通訊選用CAN 2.0B協(xié)議，數(shù)據(jù)為規(guī)范幀格局(11位ID)，波特率為500Kbps。在發(fā)動(dòng)風(fēng)電機(jī)組之前，需確保三個(gè)超級(jí)電容均已充電結(jié)束。當(dāng)表現(xiàn)出風(fēng)電場(chǎng)斷電的狀況，變槳體系由超級(jí)電容供電，完成收槳作業(yè)，完成機(jī)組安全停機(jī)。

1.2 變槳系統(tǒng)

變槳關(guān)鍵控制箱履行輪轂內(nèi)的軸控箱和坐落機(jī)艙內(nèi)的機(jī)艙控制柜之間的銜接作業(yè)。變槳關(guān)鍵控制箱與機(jī)艙控制柜的銜接通過(guò)滑環(huán)完成。機(jī)艙控制柜通過(guò)滑環(huán)向變槳關(guān)鍵控制柜供給電能和控制信號(hào)。別的風(fēng)電機(jī)組主控體系和變槳控制器之間用于數(shù)據(jù)交換的Profi bus-DP的銜接也通過(guò)這個(gè)滑環(huán)完成。通訊模塊主要完成三個(gè)槳葉控制體系與風(fēng)電機(jī)組主控體系的信息傳遞，完成主控體系對(duì)變槳體系的控制，以及主控體系對(duì)變槳體系作業(yè)狀況的監(jiān)控。超級(jí)電容模塊的作用是在滑環(huán)斷電或變槳體系欠壓的狀況下，向變槳體系供給能量，將三個(gè)槳葉順槳，確保整個(gè)機(jī)組的安全。變槳控制器由變頻器、接觸器、繼電器以及DC電源等模塊構(gòu)成。變頻器型號(hào)為Vacon NX_5系列變頻器。風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行階段，當(dāng)風(fēng)速超越機(jī)組額外風(fēng)速時(shí)，為了控制功率輸出，變槳體系依據(jù)風(fēng)速改變主動(dòng)調(diào)整槳距角，將槳距角限定在一個(gè)小視點(diǎn)(如30°)以內(nèi)，通過(guò)控制葉片的視點(diǎn)可使風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定。任何狀況引起的停機(jī)都會(huì)使葉片順槳到90°位置。

2 超級(jí)電容特點(diǎn)

超級(jí)電容約有100萬(wàn)次循環(huán)壽命，10年免維護(hù)，使維護(hù)壽命降低至電池的1/10，而在變槳系統(tǒng)中應(yīng)用，維護(hù)頻率可降低至原來(lái)的100%，即在風(fēng)機(jī)壽命周期內(nèi)免維護(hù)，單臺(tái)風(fēng)機(jī)一次性成本為2.5萬(wàn)元。工作溫度范圍大，為-40℃～+65℃，在低溫、高溫環(huán)境下正常使用，充放電效率接近100%。超級(jí)電容功率密度為鉛酸電池的20倍，在滿足系統(tǒng)功率計(jì)能量要求下可將重量降低至原來(lái)的1/4以上。超級(jí)電容所有狀態(tài)與電壓值成對(duì)應(yīng)關(guān)系，自身管理及應(yīng)用系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，在很大程度上提高了變槳系統(tǒng)的可靠性。

3 超級(jí)電容在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的應(yīng)用

3.1 超級(jí)電容配置

以1.5MW機(jī)組變槳系統(tǒng)為例進(jìn)行核算(變槳電機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1)。

系統(tǒng)能量需求為63KJ，取1.25倍余量，設(shè)計(jì)能量為78.75KJ。模組串聯(lián)數(shù)量n：n=260V/2.6V，n=100只單體選用2.7V。模組最小容量C：C=78.75KJ/0.5*(2602-1502)，C=3.48F。最小單體容量C1：C1=n*C，C1=348F將20只2.7V/350F電容器單體設(shè)計(jì)成一個(gè)模組，每支槳葉用5套模組串聯(lián)。

3.2 超級(jí)電容充電器

按系統(tǒng)要求充電時(shí)間小于2min，系統(tǒng)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(jù)充電器效率問(wèn)題，選用實(shí)際功率為700W的隔離式AC/DC充電器。

3.3 超級(jí)電容管理系統(tǒng)

每個(gè)電容箱體配備監(jiān)測(cè)單元，采集并管理電容箱內(nèi)部工作溫度、電壓狀態(tài)、充放電電流，將信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，傳輸至變槳PLC，同時(shí)控制充電器充電等工作。

3.4 故障檢測(cè)

當(dāng)主控體系檢查到任何一個(gè)超級(jí)電容電壓高于520V則報(bào)故障，另外給滑環(huán)斷電。超級(jí)電容1放電時(shí)，若主控體系檢查到電壓繼續(xù)1s低于465V或許超級(jí)電容電壓3s內(nèi)降低超越20V則報(bào)超級(jí)電容供電故障。待超級(jí)電容充電1小時(shí)后，主控體系查詢超級(jí)電容電壓，若低于490V則報(bào)超級(jí)電容充電失利故障。在變槳作業(yè)過(guò)程中主控體系實(shí)時(shí)檢查三個(gè)超級(jí)電容放電回路接觸器的狀況，任何一個(gè)斷開(kāi)均報(bào)故障。(主控給變槳發(fā)送運(yùn)行指令時(shí)，變槳會(huì)將超級(jí)電容放電回路接觸器閉合)變槳體系正常發(fā)動(dòng)后，當(dāng)要給滑環(huán)斷電時(shí)(通過(guò)控制界面可發(fā)斷電指令)，主控先給變槳發(fā)送中止運(yùn)行指令(變槳收到后會(huì)斷開(kāi)超級(jí)電容放電回路接觸器)，主控在檢查到運(yùn)行指令降低沿跳變5s以后發(fā)送滑環(huán)斷電IO指令，緊接著查詢?nèi)齻€(gè)超級(jí)電容放電回路接觸器是不是已斷，任何一個(gè)未斷開(kāi)均報(bào)故障?；h(huán)斷電5s以后若查詢到主控與任何一個(gè)槳葉體系之間通訊仍在，則報(bào)滑環(huán)斷電失利故障。

結(jié)束語(yǔ)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行工況復(fù)雜，超級(jí)電容作為一種充放電速度快、工作范圍寬、可靠性高、免維護(hù)保養(yǎng)的儲(chǔ)能設(shè)備，可作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳后備電源，對(duì)降低企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本、降低人員勞動(dòng)強(qiáng)度、保障機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行效果明顯，在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域推廣使用超級(jí)電容，能夠減少能源消耗，解決鉛酸電池污染問(wèn)題，其應(yīng)用于電動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的前景十分廣闊。

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