超级电容在风电机组备用电源中的优势

摘 要：近年，可再生能源发电在电力供应中的比例逐步提升，而风力发电是目前成本最接近常规电力，发展前景最大的可再生能源发电，但风电设备事故频发也是今年风电行业的发展之殇，风电机组的备用电源是守护风力发电机组安全的最后一道防线，一旦备用电源失效，在电网故障时极容易造成风电机组飞车乃至倒塔事故，而如今风电机组的备用电源主要有蓄电池和超级电容两种，本文就对超级电容在风电机组备用电源中的优势进行阐述。

关键词：风电；备用电源；超级电容；蓄电池

风电机组在正常运行过程中如果电网掉电，需要应急电源为叶片回桨提供能量。很多机组采用铅酸电池作为应急电源，一个电池柜在机舱内，同时给 3 个变桨系统提供应急电源，通过机舱控制柜内的电池充放电控制回路，控制监测电池的电量。但铅酸电池寿命较短、对工作环境温度要求严格、充电时间长并且容易出现电能储存不足的情况。亟需找到一种稳定的后备电源储能设备。

一、问题原因及风险分析

风电机组运行环境比较恶劣，经过长期运行实际来看，蓄电池使用寿命短，一般 2～3 年蓄电池就得更换。受地区季节性大气候因素影响，蓄电池的使用寿命将进一步降低，单台风机电池故障后只能采取整组更换方式，维护成本较高。蓄电池使用 2 年之后实际容量降低，经常发生长时间待机充电现象，故障时刻机组存在无法顺桨的隐患，机组运行安全存在风险，并增加了后期的运行维护工作量及成本。

二、超级电容器介绍

（一）超级电容器的概念。超级电容器是建立在德国物理学家亥姆霍兹提出的界面双电层理论基础上的一种全新的电容器。众所周知，插入电解质溶液中的金属电极表面与液面两侧会出现符号相反的过剩电荷，从而使相间产生电位差。那么，如果在电解液中同时插入两个电极，并在其间施加一个小于电解质溶液分解电压的电压，这时电解液中的正、负离子在电场的作用下会迅速向两极运动，并分别在两上电极的表面形成紧密的电荷层，即双电层，它所形成的双电层和传统电容器中的电介质在电场作用下产生的极化电荷相似，从而产生电容效应，紧密的双电层近似于平板电容器，但是，由于紧密的电荷层间距比普通电容器电荷层间距更小，因而具有比普通电容器更大的容量。

（二）超级电容器的机构和基本原理。超级电容器的容量比通常的电容器大得多。由于其容量很大，对外表现和电池相同，因此也称作“电容电池”或“黄金电池”。超级电容器电池也属于双电层电容器，它是目前世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种，

其基本原理和其它的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。

三、超级电容的优势

超级电容器的存储容量可以达到数千法以上，理论上超级电容器应具备很高的功率密度和循环寿命。与蓄电池相比，超级电容的主要技术特点体现在：功率密度高，远高于目前蓄电池的功率密度水平；循环寿命长，在几秒的高速深度循环10万次后，超级电容器的特性变化很小，容量和内阻仅降低10%～20%；响应速度较快，对过充电和过放电有一定的承受能力。由以上分析可得出超级电容在储能方面有无与伦比的优越性，具体的有以下几点：

（一）良好的充/放电特性。超级电容在任何情况下依然可以进行储能，而传统蓄电池只要在电压达到一定门限时才能吸收能量，这样无异于对能量的巨大浪费。

（二）极化电解质的物理反应，性能较稳定。超级电容充电时，当外电压加到超级电容器的两个极板上时，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器两个极板上的电荷产生的电场作用下，电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，正电荷与负电荷吸附在两个极板上。放电时，正、负极板上的电荷被外电路泄放，当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上的电荷响应减少，但不会脱离电解液。由此可以看出：超级电容器的充放电是物理过程，没有化学反应。而铅酸蓄电池在放电时，正极的活性物质二氧化铅和负极的活性物质金属铅都与硫酸电解液反应，生成硫酸铅，在电化学上把这种反应叫做“双硫酸盐化反应”。在蓄电池刚放电结束时，正、负极活性物质转化成硫酸铅是一种结果疏松、晶体细密的结晶物，活性程度非常高。蓄电池充电过程中，正、负极疏松细密的硫酸铅，在外界充电电流的作用下会重新还原成二氧化铅和金属铅，蓄电池又处于充足电的状态。正是这种可逆转的电化学反应，使蓄电池实现了储存电能和释放电能的功能。因此性能较稳定的超级电容器，与利用化学反应的蓄电池不同。

（三）超长的循环寿命。风力发电由于自身的特点，可能引起蓄电池反复频繁充电，导致电池寿命缩短。而超级电容器因具有 10 万次以上的充放电循环寿命和完全免维护、高可靠性等特點，很快成为储能缓冲装置的首选，此外，在有瞬间强负载的系统中，利用超级电容器可以发挥稳定系统电压，减少系统电源容量配置的作用。

（四）快速响应特性（ms）。超级电容放电响应时间在 ms 之内，远远短于传统蓄电池，可以有效、及时保护负载的安全。

基于以上超级电容与铅蓄电池、铅酸电池的对比，笔者认为超级电容在未来风电机组备用电源选用中更具优势。

参考文献：

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作者简介：

白雪银（1988-）男，汉族，辽宁省鞍山市，工程师，工学学士，单位：中广核大北山（瓦房店）风力发电有限公司，研究方向：风力发电机组的运行与维护。