超级电容在风力发电系统中的应用分析

张振莹 杨 南

天津瑞源电气有限公司

超级电容在风力发电系统中的应用分析

张振莹 杨 南

天津瑞源电气有限公司

超级电容在风力电力系统中有着重要应用，带动了风力电力产业的发展。文章对各种电容的特点以及各种电容在风力电力系统中的应用进行阐述，并分析了电容在风力发电系统中的发展前景。

超级电容；风力发电；风力电力系统

导言

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。

1 机组及变桨系统介绍

1.1 风电机组

直驱式风电机组为变桨距调理型机组，由主控体系、变桨体系、变流器体系、偏航体系、液压体系、安全链体系等多部分构成。其中主控体系在风电机组控制和运行中占有关键位置，主要作用是通过各类传感器对电网、气象及机组运行参数进行监控，并与其它控制器保持通讯，依据各方面的状况作出综合分析后，宣布各种控制指令，完成机组的自动发动/停机、偏航对风、机舱扭缆、变桨距控制、变速控制和运行故障监控等。主控体系与变流器体系之间通讯选用CAN 2.0B协议，数据为规范帧格局(11位ID)，波特率为500Kbps。在发动风电机组之前，需确保三个超级电容均已充电结束。当表现出风电场断电的状况，变桨体系由超级电容供电，完成收桨作业，完成机组安全停机。

1.2 变桨系统

变桨关键控制箱履行轮毂内的轴控箱和坐落机舱内的机舱控制柜之间的衔接作业。变桨关键控制箱与机舱控制柜的衔接通过滑环完成。机舱控制柜通过滑环向变桨关键控制柜供给电能和控制信号。别的风电机组主控体系和变桨控制器之间用于数据交换的Profi bus-DP的衔接也通过这个滑环完成。通讯模块主要完成三个桨叶控制体系与风电机组主控体系的信息传递，完成主控体系对变桨体系的控制，以及主控体系对变桨体系作业状况的监控。超级电容模块的作用是在滑环断电或变桨体系欠压的状况下，向变桨体系供给能量，将三个桨叶顺桨，确保整个机组的安全。变桨控制器由变频器、接触器、继电器以及DC电源等模块构成。变频器型号为Vacon NX_5系列变频器。风电机组正常运行阶段，当风速超越机组额外风速时，为了控制功率输出，变桨体系依据风速改变主动调整桨距角，将桨距角限定在一个小视点(如30°)以内，通过控制叶片的视点可使风轮的转速保持稳定。任何状况引起的停机都会使叶片顺桨到90°位置。

2 超级电容特点

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。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%。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。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。

3 超级电容在风力发电机组中的应用

3.1 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)。

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

3.2 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。

3.3 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。

3.4 故障检测

当主控体系检查到任何一个超级电容电压高于520V则报故障，另外给滑环断电。超级电容1放电时，若主控体系检查到电压继续1s低于465V或许超级电容电压3s内降低超越20V则报超级电容供电故障。待超级电容充电1小时后，主控体系查询超级电容电压，若低于490V则报超级电容充电失利故障。在变桨作业过程中主控体系实时检查三个超级电容放电回路接触器的状况，任何一个断开均报故障。(主控给变桨发送运行指令时，变桨会将超级电容放电回路接触器闭合)变桨体系正常发动后，当要给滑环断电时(通过控制界面可发断电指令)，主控先给变桨发送中止运行指令(变桨收到后会断开超级电容放电回路接触器)，主控在检查到运行指令降低沿跳变5s以后发送滑环断电IO指令，紧接着查询三个超级电容放电回路接触器是不是已断，任何一个未断开均报故障。滑环断电5s以后若查询到主控与任何一个桨叶体系之间通讯仍在，则报滑环断电失利故障。

结束语

风力发电机组运行工况复杂，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，其应用于电动风力发电机组的前景十分广阔。

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