海上风力发电机变桨系统超级电容的容量检测方法研究

程厚淳

（天津瑞源电气有限公司，天津 300308）

海上风电具有能源密度大、可靠性高等特点，因此成为各国研究和开发的热点项目。在海上风力发电机中，风机的输出功率由风机的转速决定，而风机的转速主要是通过变桨系统控制叶片的角度实现的。此外，变桨系统还能控制叶片的紧急顺桨，从而实现发电机的安全制动停机，因此，变桨系统在海上风力发电机中具有不可及替代的作用。海上风力发电机变桨系统由一个独立的电源供电，当供电电源发生故障时，变桨系统就会停止工作，此时若发电机也发生故障，就不能使叶片安全制动，最终可能会诱发更严重的故障或者重大事故。因此，为了保障海上风力发电机在发生故障时能安全制动，需要为变桨系统提供一个独立的备用电源。超级电容器是一种技术先进的储能装置，它具有容量大、储能高、比功率高、充放电速度快、绿色环保、适用范围广等诸多优点，因此被广泛应用于海上风力发电机变桨系统的备用电源中。当风力发电机的电源因故障停止供电时，就会自动投切进超级电容为变桨系统供电，变桨系统会立刻启动紧急顺桨，使叶片旋转至安全位置，从而实现发电机的安全停机，保障了风力发电机的安全。因此，有必要对超级电容的性能进行及时检测。如何对海上风力发电机变桨系统超级电容的容量进行及时、准确的检测，已经成为当前海上风电领域中的一个热门研究课题，受到越来越多人们的重视。

1 海上风力发电机变桨系统超级电容的容量检测方法

在海上风力发电机变桨系统的后备电源中，超级电容器通常都是多个单体以并串联的方式使用的。由于生产工艺、制作材料等因素的影响，超级电容器单体之间必然存在一定的差异，这些差异主要体现在电压、放电电流、寿命等方面，在使用的过程中，使用环境的温度、湿度、使用时间等因素会放大这种差异性，可能会导致某些超级电容的容量降低，甚至失效，对海上风力发电机的安全运行带来严重威胁。因此必须对超级电容器进行检测和筛选，并且根据检测结果对超级电容器进行分级，并对失效的超级电容进行更换，以降低风力发电机的故障发生率，保障其安全运行。

1.1 超级电容容量的检测原理

容量是反映超级电容储存电能的能力，同时也是超级电容器当前运行状态的具体表现。若容量出现不正常的下降或者失效，就表明超级电容器发生故障。当前主要的超级电容器容量的检测方法主要是恒流充放电法。利用恒流充放电法进行超级电容容量检测时，利用公式能够对超级电容的容量进行计算：

在超级电容器充放电的电流恒定不变时，公式（1）能够转化为下述形式：

由公式（2）能够推导出公式（3）：

首先对超级电容器进行恒流充电或放电，然后将测量得到的电流、电压等数值代入到公式（3）中即可得到超级电容的当前容量值。

图1为恒流充放电检测方法的原理图。原理图中主要包括恒流电流电源/恒电压电源、转换开关、电流表、电压表、放电装置和待检测的超级电容。

在利用恒流充放电的方法进行超级电容器容量检测时，为了保证检测结果的准确性，必须在检测前对超级电容器进行完全放电。待完全放电后再进行容量的检测，主要的检测过程如下所述。

（1）设置为恒流/恒压电源的额定电压为UR，放电装置的恒定电流值为I。

（2）将转换开关拨到位置1，此时超级电容开始充电，当充电至额定电压时，保持恒压充电15min。

（3）充电结束后，将转换开关拨至位置2，以恒定电流值放电。

图1 超级电容容量检测原理图

（4）设置超级电容器两极电压在放电前后的变化量为ΔVC，放电时间为Δt ，将其代入到公式（3）中，即可得到超级电容器的容量值。

但在实际的充放电过程中，超级电容器两极的电压变化并不是线性的，电流值也极不稳定，因此，检测得到的超级电容器的容量值也存在较大的误差，有必要对上述超级电容容量的检测方法进行改进。

1.2 改进的超级电容容量的检测方法

由于传统的超级电容容量检测方法存在较大的不足，因此，在传统检测方法的基础上对超级电容容量的检测方法进行了改进。设置超级电容的充放电过程能够用下述公式进行描述：

其中，V0为超级电容的初始电压值；V1为超级电容的最后能够充进的或者释放的电压值；Vt为t时刻超级电容器的电压值；R为超级电容充电或放电过程中电路的等效电阻。设置对超级电容进行电压检测时的测量精度为ε，则根据公式（4）能够推导出下述超级电容器容量检测公式：

由公式（5）能够得知，在计算的过程中能够消除掉电压测量精度ε，因此能够提高超级电容器的容量检测精度。同时可知，利用公式（5）进行超级电容器容量的检测，检测的精度只与电压的变化、等效电阻、充放电时间等这三个参数有关，而与充放电过程中电流值的变化无关，因此，能够极大的提高超级电容器容量的检测精度。

2 实验结果分析

为了验证改进检测方法的有效性，需要进行一次实验。实验在天津某风电公司进行，实验温度为室温，实验中的相关参数如下表1所示。

具体的实验步骤如下所述。

（1）切断变桨系统的电源和变桨系统超级电容的外部供电，并利用超级电容的电能控制变桨系统作机械运动，消耗超级电容中的电能。

（2）实时检测超级电容的电压，当低于U1时，停止消耗超级电容中的电能，并接入外部供电为超级电容充电，当高于U2时停止充电。

（3）为超级电容充电的开始时刻和结束时刻，利用公式（5）计算超级电容的容值。

表1 实验参数设置

根据上述实验方法对超级电容的容量进行重复多次检测，记录实验数据并绘制检测曲线，能够得到下图2中的实验结果。

图2 超级电容的容量实验结果

在上图2中，曲线1为超级电容的电压值，曲线2为叶片角度。从实验结果能够看出，当扭矩为52NM时，系统会自动投切超级电容的容量检测功能，此时变桨系统的供电由主电源切换到超级电容进行供电，叶片的位置从40°旋转至65°，超级电容的电压由450V降至415V，与理论计算值413V非常相近。由于变桨系统安全系统存在一定的摩擦力，叶片的实际扭矩会略大于52NM，因此超级电容的电压出现的偏差是在允许范围内的。实验结果还表明，在非恒流放电的情况下也能对超级电容的容量进行检测，并且实际检测结果与理论计算值之间的误差在1%以内。

3 结语

在海上风力发电机中，及时准确的进行变桨系统超级电容的容量检测，是保证风力发电机发生故障时能够安全停机的前提。本文对传统的恒电流充放电检测方法进行了改进，克服了传统检测方法的不足，能够及时准确的进行变桨系统超级电容的容量测量，具有检测精度高、速度快等优点，并且能够在非恒流的条件下对超级电容的容量进行检测，拥有广阔的发展空间和应用前景。