超级电容在变桨系统中的应用

郭晓宇

（固安华电天仁控制设备有限公司，河北 廊坊 065500）

国内风电发展初期，主流变桨供应商采用的后备电源技术多是密封阀控式铅酸电池技术，在长期应用中此技术的劣势越发明显，与此同时，超级电容作为新型储能元件，在变桨中的优异表现广泛获得业内认可。

1 变桨系统中的后备电源

如图1所示，风机在并网运行中，主控通过通讯总线向变桨系统下发位置指令，变桨系统借助控制技术和动力系统调节叶片迎风面与纵向旋转轴的夹角，即桨距角，使叶片达到风机主控给定的位置，从而使得风机发电机输出功率平稳达到主控设定值。在风机正常或紧急停机时，变桨系统控制桨叶转到预定安全位置，实现空气动力刹车，确保风机安全停运。当风机并网运行中，送入变桨系统的400VAC发生故障（非LVRT），在失去主电的情况下，此时变桨系统则靠后备电源提供能量，驱动桨叶回到安全位置，保证风机安全停机。可见，变桨后备电源在保证风机安全方面起着极其重要的作用。

图1

在风电机组运行现场，变桨蓄电池的寿命短、故障多、维护成本高等一系列问题影响风电机组的正常运行。根据风电机组设计寿命，在风电机组的寿命周期中，蓄电池要更换5～8次，蓄电池的费用可达变桨系统总投资的40%以上。无论从系统运行可靠性、维护性，还是经济效益角度考虑，蓄电池都成了变桨系统中十分薄弱的环节。

与蓄电池相比，超级电容器作为一种新型电化学储能单元，具有容量大、功率密度高、免维护、对环境无污染、循环寿命长、使用温度范围宽等优点。

2 超级电容

超级电容是一种介于传统电容和二次电池之间的电化学储能装置，其容量可以达到几百甚至上千法拉。按照储能机理，超级电容又可以分为双电层电容和法拉第准电容（本文中所涉及到的超级电容为双电层电容）。双电层电容的储能机理是在大比表面积的碳材料电极和电解质界面吸附相反的正负离子，电荷储存在界面双电层中，通过电化学极化进行可逆吸/脱附从而存储和释放能量，如图2。

图2

3 超级电容后备电源的设计

超级电容型变桨后备电源的设计主要是根据系统工作电压确定超级电容组的容值，从而确定后备电源中存储的有效能量，使后备电源内存储的能量可以满足顺桨要求。后备电源的容值通过下列公式确定：

式中：

η：电容侧能量转换为桨叶侧能量的效率；

C：后备电源的容值；

U1：变桨系统工作的最高直流母线电压；

U2：变桨系统工作的最低直流母线电压；

0～π/2：桨叶从0°顺桨到安全位置的角度；

N：变桨电机与桨叶的减速比；

Tn：桨叶额定载荷；

Ω：变桨电机转动角度；

1．25：顺桨次数。

其中：

N、Tn由整机厂家提供；U1、U2由变桨系统工作电压决定；η由实际测试决定。

以华电天仁TR-1．5G变桨系统来论证此方法的可行性，相关参数如下：

η：取60%；

U1：直流母线最高电压60V；

U2：系统最低工作电压30V；

N：减速比1800；

Tn：19Nm；

以上参数代入公式可以计算出后备电源的容值为83F。目前华电天仁TR-1．5G变桨系统中后备电源的容值为125F，由于后备电源在变桨系统中的重要性，实际使用时电容容值取正偏差以保证电容中储能充足，即实际使用时的电容容值不能低于理论计算容值。

4 结语

超级电容具有环保、免维护、寿命长、环境适应性强等优点，现在已经成为变桨系统的主流储能元件，合理的设计、使用超级电容，可以有效提高风机的安全性。