超级电容在电动变桨型风力发电机组中的应用

王志强

摘 要：目前国内主流电动变桨型风力发电机组的变桨系统采用双回路供电电源，即3*400VAC主电源和后备铅酸电池电源，在发生电网故障及风机紧急停机状态下，由后备电源驱动电机回桨，实现风机停机。铅酸电池存在使用寿命短（2-3年）、维护成本高的特点。采用超级电容作为后备电源可满足使用要求，具有高效率、快速充放电、寿命长、免维护、环保等诸多优势，对提高机组安全性、运行效率、降低生产成本方面效益明显。

关键词：超级电容；电动变桨；风力发电机组

1 国内主流电动变桨型风力发电机组变桨系统简介

1.1 系统结构

多采用七柜式电动变桨系统，分别为一个主控箱、三个轴箱、三个电池箱及其他附属设施构成一整套变桨系统，在正常情况下，变桨驱动器接受3*400VAC主电源，经过整流变为可控的直流电驱动电机工作。

1.2 驱动器驱动电机工作过程

在正常情况下驱动器与电机处于待机状况，当PLC给定驱动器的RFG启动信号有效时，将3*400VAC电源作为主电源，编码器将叶片运行位置反馈给变桨PLC，测速发电机将电机速度信号反馈给驱动器，驱动电机运行，实现变桨控制。当发生电网故障或风机进入紧急停机状态，通过主控制器发出动作指令，驱动器停止工作，由后备电源（铅酸电池作为后备电源）直接驱动电机回桨，停止风机运行。

1.3 后备电池驱动电机工作过程

当发生电网故障或紧急回桨情况时，驱动器停止工作，变桨控制器发出指令，此时刹车和电枢励磁回路接触器相继吸合，由后备电池直接驱动电机回桨，触发限位开关，电机停止运行，此时风机桨叶处于顺桨状态，风机安全停机。

1.4 变桨电池

每套电池箱由18节铅酸蓄电池串联组成（共3套），每节电池标称为12V/7.2AH，提供标称电压为216VDC直流后备电源。

2 铅酸蓄电池特点

（1）维护频率及成本高：每年进行一次日常维护，平均2-3年更换一次，寿命周期内8-10次，单台更换成本约1.2-1.5万元，风机设计寿命20年，在其寿命周期内蓄电池的更换费用约10-15万元。（2）温度适应性不强：蓄电池的放电能力在不同温度环境下差异较大，25℃时、为100%，0℃时、为85%，需设计加热装置才能满足使用。（3）应用控制系统复杂，需考虑过充、过放、过热等复杂运行工况状态。（4）体积大、质量重，日常维护不方便，运行过程中存在漏液、鼓包等故障现象。（5）废旧蓄电池损坏产生的金属铅、液体等对环境造成污染，具有回收、处置废旧电池资质的企业较少，处理难度大。

3 超级电容特点

（1）超级电容约有100万次循环寿命，10年免维护，使维护寿命降低至电池的1/10，而在变桨系统中应用，维护频率可降低至原来的100%，即在风机寿命周期内免维护，单台风机一次性成本为2.5万元。（2）工作温度范围大，为-40℃～+65℃，在低温、高温环境下正常使用，充放电效率接近100%。（3）超级电容功率密度为铅酸电池的20倍，在满足系统功率计能量要求下可将重量降低至原来的1/4以上。（4）超级电容所有状态与电压值成对应关系，自身管理及应用系统简单可靠，在很大程度上提高了变桨系统的可靠性。

4 超级电容在风力发电机组中的应用

4.1 超级电容配置

以1.5MW机组变桨系统为例进行核算（变桨电机参数见表1）。

（1）系统能量需求为63KJ，取1.25倍余量，设计能量为78.75KJ。（2）模组串联数量n：n=260V/2.6V，n=100只 单体选用2.7V。（3）模组最小容量C：C=78.75KJ/0.5*（2602-1502），C=3.48F。（4）最小单体容量C1：C1=n*C，C1=348F

将20只2.7V/350F电容器单体设计成一个模组，每支桨叶用5套模组串联。

4.2 超级电容充电器

按系统要求充电时间小于2min，系统能量为17.5WH，充电器功率P=E/t，P=17.5*60/2，充电器功率为525W，根据充电器效率问题，选用实际功率为700W的隔离式AC/DC充电器。

4.3 超级电容管理系统

每个电容箱体配备监测单元，采集并管理电容箱内部工作温度、电压状态、充放电电流，将信号进行转换，传输至变桨PLC，同时控制充电器充电等工作。

5 结束语

变桨型风力发电机组运行工况复杂，用铅酸电池作为后备电源驱动风机桨叶旋转时环境温度对其充、放电性能影响大，影响机组可利用率及安全可靠性。超级电容作为一种充放电速度快、工作范围宽、可靠性高、免维护保养的储能设备，可作为风力发电机组变桨后备电源，对降低企业运营成本、降低人员劳动强度、保障机组安全稳定运行效果明显，在风力发电领域推广使用超级电容，能够减少能源消耗，解决铅酸电池污染问题，其应用于电动变桨型风力发电机组的前景十分广阔。

参考文献

[1]何春光.超级电容器储能装置仿真建模及其应用研究[D].湖南大学，2013.

[2]张纯江，董杰，刘君，等.蓄电池与超级电容混合储能系统的控制策略[J].电工技术学报，2014.