存量风机变桨系统后备电源优化

孔庆刚，王建波，杨益平

（1.尚坚能源科技（上海）有限公司，上海201612；2.杭州弘易科技有限公司，浙江杭州310023）

存量风机变桨系统后备电源优化

孔庆刚1，王建波1，杨益平2

（1.尚坚能源科技（上海）有限公司，上海201612；2.杭州弘易科技有限公司，浙江杭州310023）

分析了风电变桨系统的主要故障，采用铅酸蓄电池为后备电源的故障约占变桨故障的50%。以SL1500风机为例，提出了使用超级电容对变桨系统备用电源进行优化的方案，并进行了相关设计。

变桨系统；备用电源；超级电容

1 引言

随着社会发展对能源需求的持续增长，煤炭、石油等常规石化能源逐渐枯竭，环境污染问题也日益严重。近年来国内多处受到雾霾的危害，大家越来越重视可再生能源的利用。风力发电作为可再生能源的一种，受到重视。虽然我国的风电已在2006年开始批量装机，目前新增的风电容量，已经超过美国，连续几年位居全球首位。但是风力发电的技术在近年来才逐步成熟，在早期安装的风机，由于技术的缺陷，存在着安全隐患。由于风电厂通常位于偏远地区甚至海上，工作环境、自然条件都比较恶劣，以致各地风电场弃风情况的加剧，这种状况下就需要降低发电成本，提高风电的竞争力。因此要求现存风电场，对现有风机进行技术改造，提高系统可靠性和可利用运行时间，来降低发电成本。［1］

风机变桨系统，发生故障时会直接导致风机停机，甚至会导致叶片无法收回。在大风直吹风机部分叶片的情况下，会导致叶片的迎风面积增大，在三个叶片不同角度，造成叶片很大的气动不平衡，在一些特殊风况下，如极端风速、异常湍流、和突变风向，叶片会产生剧烈扭谐振，风机轻则叶片断裂，重则会导致整个风机失去控制，造成风机飞车、甚至倒蹋。因此变桨系统在风机电控系统里最需要保证安全和可靠性，即使在电网发生故障时，也要求能够通过备用电源进行紧急顺桨，收回桨叶。

2 存量风机变桨系统的安全隐患

铅酸蓄电池是一种在各个领域里广泛使用的化学电池，具有能量密度大，成本低廉的优点。其工作原理为利用铅、硫酸之间的化学反应，产生电流。其阳极反应如式（1），铅和硫酸反应产生负电子；阴极反应如式（2），氧化铅和硫酸、氢离子反应，生成硫酸铅和水。

水和硫酸是重要的反应物质，而这两种液体受温度影响非常大，会导致铅酸蓄电池的低温性能不佳，在低温存储和运行中，存在容量衰退和失效的特性。在没电状态下长时间放置，电池极板会硫酸盐化，导致容量衰退。充电时，根据温度差异进行温度补偿，并且需要采用一些特殊的充电方式（如涓流充电），才能保证完全充满电池。所以蓄电池一般运行和存储温度都在－10℃以上，充电器需要根据不同厂家、不同型号的电池进行专门的设计。风力发电机组在户外工作，并且有大量机组建设在北方或高海拔地区，存储和工作甚至会出现长期－30℃以下的情况。同时从生产商到最终用户，需要经过电池厂家、变桨系统厂家、整机厂、业主等多个环节，而最终用户业主，甚至变桨厂家，并不十分了解电池特性。铅酸蓄电池在变桨系统里的应用和维护，都存在诸多缺陷，导致故障率极高。

早期风机的变桨系统普遍采用铅酸蓄电池作为备用电源，在运行时间超过5年后，普遍存在故障率高，需要经常维护的问题，已经严重影响到风机可利用运行时间和风机安全。

以某风场为例［2］，该风场全年发生故障639台次，其中变桨故障发生433台次。在变桨故障中，可以分为变桨伺服、变桨电机、备用电源、编码器及其他几类，如表1所示。其中备用电源的故障有190起，占43.88%，是导致故障多发的主要因素。尤其在运行时间超过两年后，备有电源故障急剧增加，更换频次增高，严重影响了机组的发电效率，增加了维护人员工作量。

表1 变桨故障统计

备用电源故障表现为电池失效、容量衰退、电压过低。经分析导致故障的原因，主要是因为铅酸蓄电池在以下状态工作：①低于－20℃的低温下运行；②长时间存储未充电；③）长时间低温存储；④充电电流过大；⑤超过40度以上的高温下运行；⑥长时间振动工作。

2013年前安装的风机功率约90，000MW，这一类风机大部分都采用铅酸蓄电池作为变桨备用电源。如SL1500风机是一种早期设计的经典风机，市场存量近万台，大部分运行时间都超过了5年，变桨备用电源进入频繁维护的状态，维护时间和成本急剧增加。2012年后设计的风机，大部分都采用超级电容作为变桨备用电源，已经解决了该问题。SL1500这类存量风机，原有变桨系统是根据蓄电池的特性进行设计。蓄电池放电过程中电压几乎不变，和超级电容特性存在巨大区别。如沿用蓄电池的特性设计超级电容的变桨系统，超级电容方案的整个生命周期成本和蓄电池方案相比，没有任何优势，同时如何实现故障预警也是问题。因此对于SL1500机型没有成功的解决方案，在确保实现功能和风机可靠性的同时，降低超级电容解决方案的成本是优化系统的难点，也是超级电容在存量风机推广的最大阻碍。本文基于SL1500风机，提出了一种解决方案，并在现场得到了改造验证。

3 存量风机变桨备用电源优化方案

3.1 SL1500风机变桨系统

SL1500风电机组采用变桨变速双馈恒频技术，机组由叶片通过变桨系统驱动，调整叶片升角，可以使风机能够在低风速时吸收最大风能，在超过额定风速时保持稳定恒功率输出，在风机故障时及时收桨进行气动刹车。

变桨系统采用电动变桨方式，系统框架如图1所示，主要由整流单元、PLC、变桨伺服、变桨电机、备用电源等部分组成。其中整流单元、PLC、整流单元通过对电网整流，为3个桨叶的变桨伺服提供550V直流输入；3个变桨伺服根据PLC的桨叶角度指令，分别驱动变桨电机，来实现对桨叶角度控制；在电网或整流单元发生故障时，由备用电源为3个桨叶的变桨伺服提供能量，完成变桨系统的紧急顺桨，让3个桨叶回到安全位置。现存SL1500变桨系统，采用铅酸蓄电池作为备用电源。

图1 SL1500变桨系统示意图

3.2 超级电容

超级电容一种双电层结构电容，如图2所示，在电极和溶液的界面，通过电子或离子的定向排列行程电荷对峙，整个储能和放电过程，不涉及化学反应，只有物理过程，所以可以做到充放电迅速，且具有短时放电能力强、低温特性好、使用寿命长、免维护等特性，可以长达8－10年的免维护。这些性能使得超级电容与蓄电池相比，非常适合用于风电变桨系统。但是由于技术不成熟和成本高昂的问题，在早期制约了其在变桨系统批量应用。风电变桨系统根据能量和电压的需要，主要采用350F／2.75V单体。由于风电温度范围宽，长时间旋转振动的特殊工作环境要求，超级电容单体和超级电容模组技术需要成熟和验证的时间。超级电容单体的价格，和批量应用密切相关，350F／2.75V单体，90%以上是在变桨系统里使用。在变桨系统没有大批量使用超级电容时，350F／2.75V单体价格居高不下。

从2012年以来，超级电容逐步在风电变桨里得到批量应用，其性能和可靠性，都得到了业主们的好评。在2013年以后，单体价格也得到了大幅度地下降。现在，超级电容已替代铅酸电池，成为风机的变桨控制系统备用电源的第一选择。

图2 超级电容结构

3.3 备用电源优化方案

针对SL1500机型变桨系统的改造，设计方案如下。

（1）容量设计

根据NB／T 31018－2011风力发电机组电动变桨控制系统技术规范，备用电源需要提供的能量，必须满足桨叶在规定载荷情况下完成一次以上顺桨动作。变桨系统驱动桨叶从0°到89°，假定变桨速度恒定、负载不变，可以认为系统按照恒功率驱动桨叶，根据式（3）得到变桨系统在顺桨过程消耗的能量；超级电容最大放电能量根据电压和电容容值进行计算，如式（4）。式（3）、式（4）中，Eavg为完成一次紧急顺桨需要的平均能量，Pavg为紧急顺桨时的平均功率，η为变桨系统效率，Tf为完成一次紧急顺桨需要的时间；Emax为超级电容可提供变桨系统的最大能量，C为从超级电容容量，Unor为从超级电容正常充满时的电压，Umin为系统截止工作电压。

根据式（3）、式（4），可以得到完成一次顺桨的最小电容容值。考虑到超级电容放电时，电容内阻会消耗能量，及超级电容在整个生命周期容量会有下降，最后电容容值需要取一个安全系数。计算出系统需要5.1F的容量，采用五串三并的超级电容模组配置，如图3所示，其中每组超级电容模组的额定电压为90V，串联电压为450V。该模组由36个单体串联构成，容量为9.6F，采用主动均压＋被动均压的均压方法。整个备用电源容量为5.76F，充满时电压为450V，工作截止电压为260V。

图3 超级电容模组连接方式

（2）充电方式

由于蓄电池有初始电压，而超级电容无初始电压。在超级电容充电起始阶段，充电回路相当于短路状态，所以无法直接利用原有充电回路。

改造方案是放弃蓄电池充电回路，增加一个与超级电容相匹配的充电器充电回路，充电采用先快后慢，最后恒压的方式充电，充电器实时在线，不需要停机等待充电。初始上电时超级电容完全没电，需要充电到能够满足一次紧急收桨的电能风机就可以开始运行，充电器在风机运行过程中继续对超级电容充电。初始上电到电容充满电的时间小于10min。充电回路具有在线监测和过流保护，保证超级电容充放电功能的正常运行及备用电源系统安全，充电器和超级电容的故障会发给主控系统，用于故障诊断、排查。

（3）故障预警

超级电容是一个物理元件，结构简单，工作电压、温度决定了其使用寿命。发生故障时的表现是短路或断路。超级电容单体电压低，模组采用多个单体串联，单体以被动均压＋主动均压的方式，进行单体间电压的均衡。模组采取多个单体，发生故障时，会通过故障单体或串联回路的其他单体过压表现出来，所以通过对单体的电压检测，可以反应整个模组和单体的状态。单体过压报警是保证系统安全的重要手段。在超级电容工作全过程，对每个单体都进行过压检测，提供过压报警功能。

由于超级电容在65℃以上环境温度下工作，寿命和性能会发生不可逆转的衰减。所以需要进行温度保护，一般采用65℃的温度开关，该开关在高于65±5℃时闭合，在低于45℃－58℃时断开。

（4）健康状况在线检测

变桨后备电源是作为电网供电的补充，在电网侧突发故障时，后备电源代替电网给变桨系统供电。日常工作中需要对后备电源定期检查，提前消除故障确保系统安全。

超级电容检测的考核要素，是电容容量和充电时间。其中电容容量按照分时计量法来进行计算，分别计算充电时的容量和放电的容量：

式中，Edis为放电能量，Uc为超级电容电压，R为超级电容内阻，Ech为充电能量，Ich为充电电流，ηc为超级电容效率Uc（on）为放电起始电压，Uc（off）为放电截止电压。

考虑到超级电容内阻的影响，变桨备用电源安全的判断条件为：超级电容的效率应该大于95%；容量不低于额定容量的85%。

4 结束语

现场对4台SL1500进行了改造，改造后的四个月，风机一直运行正常，并且经过了－20℃环境温度的考验，变桨后备电源也未出现任何故障。该改造提高了风机利用率，减少了维护成本和时间，解决了原铅酸蓄电池在恶劣工况下的隐患。此次优化达到了预定目标，证明该超级电容在SL1500系统通过优化进行应用，起到了示范验证作用，此技术为批量优化变桨备用电源积累经验和提供成功的解决方案。

［1］杨 涛.Suzlon1.25MW风机变桨电池优化方案［J］.能源与节能，2016，（9）：64－65，86.

［2］甘槐樟.风电场风机变桨系统故障分析［J］.湖南电力，2012，32（6）：35－37.

Optimization of backup power supply of the fan system

KONG Qing－gang1，WANG Jian－bo1，YANG Yi－ping2
（1.Shangjian Energy Technology（Shanghai）Co.，Ltd.，Shanghai 201612，China；2.Hangzhou Hongyi Technology Co.，Ltd.，Hangzhou 310023，China）

The main faults of the variable pitch system of wind power are analyzed.Nearly 50 percent of the faults occur in the lead－acid battery as backup power supply.Taking the example of Huarui SL1500 fan，the optimization of the backup power su pply of the variable pitch system by using the super capacitor is presented.

variable pitch system；backup power supply；super capacitor

TM912.1

：A

1005—7277（2017）01—0022—05

孔庆刚（1979－），男，浙江省宁波人，就职于尚坚能源科技（上海）有限公司、中级工程师、硕士学位，研究方向为电力电子电路拓扑、先进磁性元件、先进半导体应用、风电变桨用伺服及伺服系统。

2016－08－23