石 建，周臘吾，葛召炎，陳 浩

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大風電機組變槳用超級電容模組健康狀態(tài)在線監(jiān)測方法研究

石 建1,2，周臘吾1，葛召炎1，陳 浩2

(1.湖南大學電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410082；2.湖南世優(yōu)電氣股份有限公司，湖南 湘潭 411133)

隨著風電機組安全運行問題日益受到重視，風電機組變槳用超級電容模組的可靠性變的越來越重要。為了實時監(jiān)測超級電容模組健康狀態(tài)保證模組可靠性，提出了一種在線監(jiān)測模組健康狀態(tài)的方法。該方法在主控系統(tǒng)中編程測量在開路電壓法與電流積分法兩種測量方法下風電機組掉電低電壓穿越和順槳時超級電容模組放電電荷量，然后根據(jù)兩種方法估算的電荷量差值與模組失效閾值之比判斷其健康狀態(tài)。實驗結(jié)果表明，通過上述方法主控系統(tǒng)能實時監(jiān)測到超級電容模組健康狀態(tài)，特別是當超級電容老化失效發(fā)生時，可進行實時報警。該方法有效地實時監(jiān)測了風電機組變槳用超級電容模組健康狀態(tài)，從而極大地提高了風電機組安全運行的可靠性。

風電機組變槳距系統(tǒng)；超級電容模組；健康狀態(tài)；老化失效；在線監(jiān)測

0 引言

隨著風電機組整個系統(tǒng)的安全運行問題日益受到重視，作為實現(xiàn)風電機組低電壓穿越[1]和掉電安全順槳兩大重要功能的后備儲能器件——超級電容模組[2]，其可靠性成為安全問題先決條件與最關(guān)注的問題。

超級電容模組的高能量密度、長壽命(常溫下10年，高于蓄電池)、極長的充放電循環(huán)壽(50~100萬次，遠高于蓄電池)、高能量密等優(yōu)異性能而得到越來越多的應用，特別是已成為風電機組變槳距系統(tǒng)后備儲能器件的主流。然而，在實際應用中可能會出現(xiàn)明顯低于廠商手冊數(shù)據(jù)給出的數(shù)據(jù)[3]。特別是大規(guī)模儲能應用中超級電容模組需要大量串并聯(lián)組合工作[4]，其老化受溫度、偏置電壓、單體參數(shù)不一致等諸多因素影響，往往經(jīng)數(shù)月使用，性能就已經(jīng)下降[3,5]；同時若其中某節(jié)單體失效，將迅速導致模塊甚至全儲能系統(tǒng)無法正常工作[6]。由于風電機組工作在酷熱嚴寒等地方，作為變槳距系統(tǒng)后備儲能器件——超級電容模組所處環(huán)境比較惡劣，結(jié)合系統(tǒng)安全運行高可靠性的使用需求，必須進行必要的狀態(tài)監(jiān)測。

1 超級電容模組容量估算

1.1 SOC的定義

SOC[7](State of Charge)是用來標稱當前電容容量的狀態(tài)參數(shù)，通過準確可靠的狀態(tài)參數(shù)進行電容的管理與控制，從而能夠安全可靠地使用電容模組[8-9]。目前對SOC定義[3,10]存在眾多形式，從電荷量的角度定義，其經(jīng)典的SOC定義可用下式表示。

1.2 常見的SOC估算方法

超級電容模組SOC 測量是容量在線監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)，經(jīng)過多年的研究，目前已經(jīng)有多種估計SOC 的方法，主要包括：開路電壓法(OCV)[11]、內(nèi)阻法[12]、電流積分法、線性模型法、卡爾曼濾波法[8]等。這些算法是隨著能量監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)不斷的發(fā)展而相繼出現(xiàn)的。每種算法都有其優(yōu)缺點，對比見表1。

表1幾種主要SOC算法對比分析[8]

Table 1 Comparative and analysis of the algorithms about estimating SOC

在以上方法中，開路電壓法易于實現(xiàn)，沒有長時間的積累誤差，但是受溫度影響較大。超級電容模組可等效于理想電容[9]，電壓大小隨儲存電荷量變化，不像電池一樣有“平臺區(qū)”[13]。根據(jù)這一特點，本文采用了基于開路電壓法對超級電容模組SOC 值進行估計，因為其受溫度影響較大，必須對其進行相應修正。

1.3 開路電壓法估算模組容量[8]

對變槳距系統(tǒng)后備電源柜——超級電容模組在100~450?V中，每隔10?V做恒流放電實驗，開路電壓與額定電壓比值和對應SOC關(guān)系如圖1。

圖1 超級電容開路電壓與SOC對應曲線

圖1中曲線1為理想狀態(tài)開路電壓與額定電壓比值曲線，曲線2為通過實驗測定開路電壓與超級電容模組SOC對應關(guān)系曲線?？梢钥闯龊懔鞒浞烹姇r，超級電容模組開路電壓變化和存儲電荷量變化趨勢一致，這為利用開路電壓估計超級電容模組SOC提供了理論基礎(chǔ)和實驗依據(jù)。

但由實驗結(jié)果可知，超級電容開路電壓比值與超級電容模組SOC并非嚴格對應，在超級電容額定電壓附近，其開路電壓比值與超級電容模組SOC差距比較小。由于誤差的存在，對開路電壓進行修正，其電壓修正因子為,，采用最小二乘法對開路電壓比值與SOC曲線進行二次擬合[8]，則超級電容模組SOC與開路電壓對應關(guān)系為式(2)所示。

圖2中曲線2即為二次擬合曲線，后備電容柜超級電容模組SOC擬合曲線如圖2。

圖2超級電容模組SOC二次擬合曲線

規(guī)定超級電容模組在額定電壓、常溫25 ℃下，模組SOC為1時，其額定電荷量[8]為，的確定需對待測超級電容模組進行首次充放電實驗計算求得。

風電機組變槳距系統(tǒng)運行時，實時測量超級電容模組放電干路直流母線開路電壓，根據(jù)開路電壓法，超級電容模組電荷容量估算如式(3)所示。

1.4 模組容量修正

溫度影響超級電容模組額定電荷量大小。這是由于溫度降低時，電解液的粘度增加，滲入極板內(nèi)部困難，同時電阻增大，電容端電壓降低，從而容量減小，導致不同溫度下超級電容模組的容量不同，因此不同溫度下SOC=1時對應的具體容量也不同[8,14]。為保證對超級電容容量的準備估值，進行必要的溫度補償，以室溫(25 ℃)條件下超級電容模組的容量為基準[14]，對其他溫度情況下容量進行建模。

常用的描述溫度影響的模型為

修正后超級電容模組容量估算可用式(5)表達。

2 模組健康狀態(tài)在線監(jiān)測原理及方案

2.1 超級電容器老化失效分析

對于超級電容模組由電極、電解液、隔膜、集流體等部分組成，其失效一般由超級電容模組本身老化引起，其老化從物理與化學性質(zhì)上改變電極、電解液與其他超級電容模組部件，如氧化還原反應中碳電極熱力學非穩(wěn)定，從而借由等效容值與等效串聯(lián)電阻等特征參數(shù)，量化因超級電容模組老化引起的一系列不可逆的性能衰減[6,15]。

實驗證明在超級電容充放電循環(huán)測試中，其電容內(nèi)阻ESR會隨著超級電容充放電次數(shù)增加而增加。但超級電容容量則明顯減小，超級電容性能明顯降低[15]，與電池中電壓虛高現(xiàn)象類似。

在對超級電容模組失效判定根據(jù)超級電容本身特性下降判定，或是壽命終結(jié)判據(jù)。然而前者直接測量較困難。一般根據(jù)電容器壽命經(jīng)典失效判據(jù)[16]：超級電容模組串聯(lián)電阻(Equivalent series resistance，ESR)加倍或容量下降達20%作為壽命終結(jié)判據(jù)。

2.2 監(jiān)測方案

根據(jù)上文超級電容模組失效分析，本文在主控PLC中編程采用開路電壓法與電流積分法分別實時監(jiān)測風電機組掉電低電壓穿越和順槳時超級電容放電電容電荷量，然后根據(jù)兩種方法估算的電荷量差值和超級電容模組失效閾值比值判斷超級電容模組的健康狀態(tài)。

2.2.1基于開路電壓法估算模組放電電荷量

采用上節(jié)提到的開路電壓法對超級電容模組電荷容量進行估算，當正常運行風電機組突然掉電順槳時，根據(jù)實時采集到的超級電容模組開路電壓運用如式(6)來確定模組初始電荷量：

當超級電容模組掉電順槳放電結(jié)束后，實時采集超級電容模組放電干路直流母線的電壓。求得最終電荷量：

2.2.2基于電流積分法測量模組放電電荷量

安時計量法又稱電流積分法[8]的核心思想就是在一定的時間片D內(nèi)，對電容放電電流進行采樣，與D的乘積就是時間片D內(nèi)的放電電荷量。如果將一定時間分隔成很多個D，分別計算這些D與的乘積就可以視為內(nèi)放出的電荷量。實時采集模組放電電壓、電流及溫度，基于電流積分法估算風電機組掉電順槳超級電容模組放電電荷量如式(9)所示。

2.2.3模組健康狀態(tài)判定

根據(jù)電容器壽命經(jīng)典失效判據(jù)[16]：超級電容模組ESR加倍或容量下降達20%。但針對風電機組變槳距用超級電容模組，本文以風電機組主動力電源斷電后滿足風機低電壓穿越和順槳最低容量的1.4倍確定模組壽命終結(jié)依據(jù)，即以電容模組電荷容量下降達30%觸發(fā)壽命終結(jié)信號。

本文采用容量下降達30%作為超級電容模組失效判據(jù)，如式(10)所示。

(10)

3 模組健康狀態(tài)在線監(jiān)測程序設(shè)計

根據(jù)上節(jié)監(jiān)測方案，因為模組參數(shù)監(jiān)測在變槳距系統(tǒng)設(shè)計時已考慮，不需額外增加數(shù)據(jù)采集硬件，在風電機組主控PLC中編寫變槳距系統(tǒng)超級電容模組狀態(tài)監(jiān)測程序，實時監(jiān)測模組的健康狀態(tài)，保證風電機組可靠性。超級電容模組健康狀態(tài)監(jiān)測和失效判定流程如圖3。

從圖3可知，超級電容失效判定流程為在初次順槳時先確定待測超級電容額定，再根據(jù)開路電壓法和電流積分法分別測量在同一時間內(nèi)超級電容放電電荷量，最后根據(jù)兩者差值是否超出模組失效閾值判斷超級電容模組是否失效。

4 測試分析

驗證上述設(shè)計方案的有效性，本文利用變槳距電機對拖測試平臺對超級電容模組進行仿真測試[17]。本次實驗對象采用湖南世優(yōu)電氣生產(chǎn)的后備電容柜，本電容柜由5組90 V、9.6 F超級電容模組串聯(lián)，額定電壓為450 V。變槳電機的額定功率為8 kW，為滿足順槳5o/s要求電機轉(zhuǎn)速為1 600 rpm；負載電機的對拖力矩為30 Nm。

在實驗平臺上對整個變槳距系統(tǒng)進行為期三個月高頻帶載掉電順槳測試，分別紀錄該變槳距系統(tǒng)后備電容柜在主電源斷電前后各柜模組電壓、直流母線電流積分值、模組SOC。后備電容柜B初次測試額定電荷量為855.5 C。超級電容柜B部分據(jù)見表2。

圖3 超級電容失效判定流程圖

表2超級電容模組狀態(tài)記錄表

Table 2 State data sheet of the ultracapacitor modules

從表2中數(shù)據(jù)可以看出變槳距系統(tǒng)電容柜B中開路電壓法與電流積分法估算的超級電容模組電荷容量之間差值是不斷增大的，根據(jù)式(9)、式(10)對表2最后兩組數(shù)據(jù)進行計算可知，其健康受損程度PHM已經(jīng)大于1，即超級電容模組所含電量已低于風電機組低電壓穿越和順槳最低容量的1.4倍。風電機組主控報出更換超級電容模組警告，并及時進行更換處理。后備電容柜B超級電容模組健康狀態(tài)嚴重受損后放電電壓波形如圖4。

圖4 超級電容模組嚴重受損后放電電壓波形

圖4中曲線為超級電容模組嚴重受損后放電電壓波形圖，圖中可以看出本次掉電帶載順槳試驗中超級電容模組完成單次順槳后模組電壓跌落到230 V附近，根據(jù)式(9)、式(10)和表2可推斷出該超級電容模組已失效。

5 結(jié)論

本文通過在風電機組主控PLC 中編寫程序?qū)崟r監(jiān)測變槳距系統(tǒng)超級電容模組健康狀態(tài)。在程序中，基于開路電壓法和電流積分法估算超級電容模組SOC的差值，實時判斷模組健康狀態(tài)，判斷模組是否失效，從而保證風電機組的可靠性。由于現(xiàn)有老化研究的準確性仍無法滿足大規(guī)模儲能領(lǐng)域日益增長的可靠性與安全性需求，特別是風電領(lǐng)域。因此未來超級電容模組健康狀態(tài)的研究仍將是相關(guān)領(lǐng)域的重要科研內(nèi)容。

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(編輯 姜新麗)

Online monitoring method of health state of ultracapacitor for wind turbine pitching

SHI Jian1, 2, ZHOU Lawu1, GE Zhaoyan1, CHEN Hao2

(1. College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China; 2.Hunan Shiyou Electric Public Co., Ltd., Xiangtan 411133, China)

With the safe operation of the whole wind turbine generator to be paid more attention, the reliability of the ultracapacitor modules for wind turbine pitching has become more and more important. For continuously monitoring to the health status of the ultracapacitor modules and ensuring the reliability, this paper presents an on-line monitoring method of the health state of the module. When wind turbines LVRT and feathering after power down, it can measure the electronic quantity that the ultracapacitor discharges respectively by open circuit voltage measurement methods and current integral measurement methods in the master system. The ratio of the difference of the calculated electronic quantity to the failure thresholds of the ultracapacitor module determines the health state of the ultracapacitor module. Experimental results show that the master-controlled system can monitor the ultracapacitor module health status by the above methods, particularly when the ultracapacitor aging failure occurs, this method can continuously effectively monitor the health status of the ultracapacitor for wind turbine pitching, thus improve the reliability of wind turbines for safe operation.

This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51207048).

wind turbine pitch system; ultracapacitor modules; health state; aging failure; online failure monitoring

10.7667/PSPC151291

2015-07-20；

2015-09-10

石 建(1991-)，男，碩士，主要研究方向為檢測技術(shù)與自動化裝置；E-mail: 120631468@qq.com

周臘吾(1964-)，男，教授，博士生導師，主要從事電機及其控制方向的研究。

國家自然科學基金青年科學基金項目(51207048)