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        基于超級(jí)電容的變槳系統(tǒng)后備電源設(shè)計(jì)

        2013-03-15 10:56:34斌,田煒,劉劍,潘
        電力工程技術(shù) 2013年5期
        關(guān)鍵詞:變槳酸蓄電池后備

        魯 斌,田 煒,劉 劍,潘 晨

        (國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院,江蘇南京210003)

        隨著風(fēng)力機(jī)大型化的發(fā)展,風(fēng)力發(fā)電技術(shù)取得很大的進(jìn)步,其中變槳距控制是國(guó)際主流風(fēng)力機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)之一。變槳距系統(tǒng)作為大型風(fēng)電機(jī)組的核心部分之一,對(duì)機(jī)組安全、穩(wěn)定、高效的運(yùn)行有十分重要的作用[1,2]。電動(dòng)變槳距系統(tǒng)以伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪系實(shí)現(xiàn)變槳距調(diào)節(jié)功能,可使3個(gè)葉片獨(dú)立實(shí)現(xiàn)變槳距[3]。基于變槳系統(tǒng)對(duì)風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行的重要性,變槳系統(tǒng)通常都配有后備電源,當(dāng)電網(wǎng)供電中斷時(shí),變槳系統(tǒng)可自動(dòng)切換到后備電源供電,并順槳停機(jī),確保風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行。目前變槳系統(tǒng)廠家通常采用鉛酸蓄電池作為后備電源,鉛酸蓄電池技術(shù)成熟,但其低溫性能較差,使用壽命較短,充電速度慢,完全充滿一般需要7~9 h。超級(jí)電容又稱為雙層電容,擁有非常長(zhǎng)的使用壽命[4],是20世紀(jì)70、80年代發(fā)展起來(lái)的介于電池和傳統(tǒng)電容器之間的新型儲(chǔ)能器件,具有法拉級(jí)的超大電容量,比同體積的電解電容器容量大2 000~6 000倍,功率密度比電池高l0~100倍,可以大電流充放電,充放電效率高[5]。相比鉛酸蓄電池,超級(jí)電容具有低溫性能好、充電時(shí)間短、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),正常工作溫度可低至-40℃。相近容量下,超級(jí)電容充放電時(shí)間通常只需幾分鐘到十幾分鐘,且使用循環(huán)壽命可達(dá)到10萬(wàn)次以上。采用超級(jí)電容作為變槳系統(tǒng)后備電源,可充分發(fā)揮超級(jí)電容的耐低溫和長(zhǎng)壽命特性,在風(fēng)機(jī)使用壽命內(nèi),可顯著降低變槳系統(tǒng)維護(hù)成本,提高風(fēng)機(jī)經(jīng)濟(jì)效益。文中設(shè)計(jì)了一種基于超級(jí)電容的變槳系統(tǒng)后備電源,并進(jìn)行了性能測(cè)試。

        隨著風(fēng)力機(jī)大型化的發(fā)展,風(fēng)力發(fā)電技術(shù)取得很大的進(jìn)步,其中變槳距控制是國(guó)際主流風(fēng)力機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)之一。變槳距系統(tǒng)作為大型風(fēng)電機(jī)組的核心部分之一,對(duì)機(jī)組安全、穩(wěn)定、高效的運(yùn)行有十分重要的作用[1,2]。電動(dòng)變槳距系統(tǒng)以伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪系實(shí)現(xiàn)變槳距調(diào)節(jié)功能,可使3個(gè)葉片獨(dú)立實(shí)現(xiàn)變槳距[3]。基于變槳系統(tǒng)對(duì)風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行的重要性,變槳系統(tǒng)通常都配有后備電源,當(dāng)電網(wǎng)供電中斷時(shí),變槳系統(tǒng)可自動(dòng)切換到后備電源供電,并順槳停機(jī),確保風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行。目前變槳系統(tǒng)廠家通常采用鉛酸蓄電池作為后備電源,鉛酸蓄電池技術(shù)成熟,但其低溫性能較差,使用壽命較短,充電速度慢,完全充滿一般需要7~9 h。超級(jí)電容又稱為雙層電容,擁有非常長(zhǎng)的使用壽命[4],是20世紀(jì)70、80年代發(fā)展起來(lái)的介于電池和傳統(tǒng)電容器之間的新型儲(chǔ)能器件,具有法拉級(jí)的超大電容量,比同體積的電解電容器容量大2 000~6 000倍,功率密度比電池高l0~100倍,可以大電流充放電,充放電效率高[5]。相比鉛酸蓄電池,超級(jí)電容具有低溫性能好、充電時(shí)間短、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),正常工作溫度可低至-40℃。相近容量下,超級(jí)電容充放電時(shí)間通常只需幾分鐘到十幾分鐘,且使用循環(huán)壽命可達(dá)到10萬(wàn)次以上。采用超級(jí)電容作為變槳系統(tǒng)后備電源,可充分發(fā)揮超級(jí)電容的耐低溫和長(zhǎng)壽命特性,在風(fēng)機(jī)使用壽命內(nèi),可顯著降低變槳系統(tǒng)維護(hù)成本,提高風(fēng)機(jī)經(jīng)濟(jì)效益。文中設(shè)計(jì)了一種基于超級(jí)電容的變槳系統(tǒng)后備電源,并進(jìn)行了性能測(cè)試。

        1變槳系統(tǒng)后備電源工作原理

        變槳系統(tǒng)后備電源工作原理如圖1所示。正常運(yùn)行時(shí),變槳系統(tǒng)以電網(wǎng)供電作為動(dòng)力電源,變槳控制器從風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)獲取角度、速度等控制指令,并發(fā)出控制指令給伺服驅(qū)動(dòng)器。伺服驅(qū)動(dòng)器收到控制指令后驅(qū)動(dòng)變槳電機(jī),并將槳葉角度、變槳速度等信號(hào)實(shí)時(shí)反饋給控制器,實(shí)現(xiàn)高精度實(shí)時(shí)變槳。

        圖1變槳系統(tǒng)后備電源工作原理

        當(dāng)變槳系統(tǒng)電網(wǎng)供電因故中斷時(shí) (如供電回路連接松動(dòng)),變槳系統(tǒng)自動(dòng)切換至后備電源供電,同時(shí)啟動(dòng)緊急順槳,將槳葉關(guān)至安全位置,并將變槳系統(tǒng)電網(wǎng)供電中斷故障反饋給主控系統(tǒng),主控系統(tǒng)根據(jù)故障反饋采取相應(yīng)安全措施,確保風(fēng)電機(jī)組安全可靠運(yùn)行。

        2后備電源設(shè)計(jì)

        采用超級(jí)電容作為變槳系統(tǒng)后備電源,要綜合考慮超級(jí)電容容量、工作溫度、放電電壓范圍等參數(shù)特性,確保后備電源的可用性與可靠性。

        2.1超級(jí)電容參數(shù)選取

        以某型號(hào)的2 MW電動(dòng)變槳系統(tǒng)為例,以超級(jí)電容作為其后備電源,則超級(jí)電容需滿足該變槳系統(tǒng)對(duì)后備電源參數(shù)要求,詳見表1。此外,依據(jù)NBT 31018—2011[6],電容組的容量應(yīng)滿足槳葉在規(guī)定載荷情況下完成1次以上順槳?jiǎng)幼饕蟆?/p>

        根據(jù)上述參數(shù)要求,選擇某型號(hào)額定電壓為90 V,額定容量23 F的超級(jí)電容模組,采用5組該型號(hào)模組串聯(lián)組成變槳系統(tǒng)后備電源。超級(jí)電容模組參數(shù)如表2所示。

        2.2容量校核

        對(duì)采用該設(shè)計(jì)方案的后備電源進(jìn)行電壓跌落值、放電能量、最小電容量核算,計(jì)算公式如下:

        表1后備電源參數(shù)要求

        表2超級(jí)電容模組參數(shù)

        式中:ΔU為電壓跌落值;UC為電容引發(fā)電壓跌落值;UESR為直流內(nèi)阻引發(fā)電壓跌落值;Iave為平均放電電流;Δt為放電時(shí)間;C為電容額定容量;RESR為直流等效阻抗;E為放電能量;Umax為放電起始電壓;Umin為放電中止電壓;Cmin為放電所需最小電容量;P為放電功率;U為放電電壓。

        放電參數(shù)選取。放電起始電壓:450 V;放電終止電壓:280 V;最大放電電流(3 s):90 A;放電功率:8 000 W;放電時(shí)間:≥30 s。

        容量核算。計(jì)算得到放電電流最小、最大值分別為17.8 A,28.6 A,則Iave為23.2 A。由此計(jì)算得到:電壓跌落值ΔU為162.9 V<170 V;放電能量E為285.4 kJ>220 kJ;放電所需最小電容量Cmin為4.4 F<4.6 F。

        可見,采用上述超級(jí)電容作為后備電源的設(shè)計(jì)方案可滿足變槳系統(tǒng)對(duì)電壓跌落、放電能量、最小電容量的要求。

        2.3后備電源充電設(shè)計(jì)

        為滿足上述變槳系統(tǒng)后備電源充電要求,需選用專用的超級(jí)電容充電器進(jìn)行充電,充電器性能參數(shù)需要滿足如下要求:工作溫度為-40~+65℃;輸出電壓(DC)為 450 V;輸入電壓(AC)為 220 V;充電電流為1~5 A。為保證充電器及后備電源長(zhǎng)期可靠運(yùn)行,充電器還應(yīng)當(dāng)具備過(guò)壓保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、短路保護(hù)功能,同時(shí)滿足變槳實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的振動(dòng)可靠性要求。

        3測(cè)試分析

        基于上述設(shè)計(jì)方案,搭建了基于超級(jí)電容的變槳系統(tǒng)后備電源并進(jìn)行實(shí)際測(cè)試分析,測(cè)試其充電、放電等特性,并評(píng)估其能否滿足變槳系統(tǒng)后備電源需要。

        測(cè)試曲線中各量與實(shí)際值對(duì)應(yīng)關(guān)系如下:電機(jī)轉(zhuǎn)速100 unit/s對(duì)應(yīng)變槳速度1°/s;槳葉位置100 unit對(duì)應(yīng)實(shí)際槳葉位置1°;電容電壓值與實(shí)際值一致。

        3.1充電測(cè)試

        充電起始電壓為90 V,充電截至電壓為450 V,環(huán)境溫度為15.6℃,測(cè)試曲線如圖2所示??梢?,基于超級(jí)電容的變槳系統(tǒng)后備電源從90~450 V的充電曲線平滑,接近理想充電曲線。90~450 V充電時(shí)間為736 s,實(shí)測(cè)0~450 V的充電時(shí)間為931 s,遠(yuǎn)小于鉛酸蓄電池7~9 h的充電時(shí)間,充電特性優(yōu)異。

        圖2超級(jí)電容后備電源充電曲線

        3.2放電測(cè)試

        模擬電網(wǎng)及電容供電條件下槳葉往返運(yùn)動(dòng),給定槳葉角度范圍91~61°,給定變槳速度3°/s,環(huán)境溫度15.3℃,測(cè)試曲線如圖3、圖4所示。超級(jí)電容供電條件下,其位置、速度給定與響應(yīng)特性與電網(wǎng)供電條件下基本一致,基于超級(jí)電容的變槳系統(tǒng)后備電源可滿足變槳系統(tǒng)運(yùn)行需要。

        3.3緊急順槳測(cè)試

        模擬變槳系統(tǒng)緊急順槳功能,給定角度0~91°,給定變槳速度7°/s,環(huán)境溫度14.4℃,測(cè)試曲線見圖5。出現(xiàn)電網(wǎng)供電中斷的情況下,變槳系統(tǒng)自動(dòng)切換至超級(jí)電容后備電源供電,同時(shí)啟動(dòng)緊急順槳,將槳葉關(guān)至安全位置?;诔?jí)電容的變槳系統(tǒng)后備電源可滿足變槳系統(tǒng)緊急順槳時(shí)對(duì)后備電源大功率、大電流放電的要求,按設(shè)計(jì)要求投入運(yùn)行,保證變槳系統(tǒng)按給定的角度和速度實(shí)現(xiàn)變槳系統(tǒng)的緊急順槳功能。

        圖4超級(jí)電容供電條件下變槳運(yùn)動(dòng)模擬

        上述測(cè)試表明,文中搭建的基于超級(jí)電容變槳系統(tǒng)后備電源可滿足變槳系統(tǒng)后備電源充電、放電及緊急順槳功能需求,且相比于鉛酸蓄電池,超級(jí)電容所具有的耐低溫及長(zhǎng)壽命特性使其作為變槳系統(tǒng)后備電源更具優(yōu)勢(shì)。

        4結(jié)束語(yǔ)

        圖5超級(jí)電容后備電源順槳曲線

        針對(duì)傳統(tǒng)變槳系統(tǒng)鉛酸蓄電池后備電源低溫性能差、壽命短等缺陷,結(jié)合近些年迅速發(fā)展的超級(jí)電容技術(shù),設(shè)計(jì)了以超級(jí)電容作為變槳系統(tǒng)后備電源的方案,該方案可克服以鉛酸蓄電池為后備電源存在的問(wèn)題,降低變槳系統(tǒng)故障率,減少風(fēng)機(jī)維護(hù)成本,改善風(fēng)電機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益。目前,超級(jí)電容模組價(jià)格較高,一定程度上影響了其在變槳系統(tǒng)后備電源上的應(yīng)用與推廣,隨著超級(jí)電容技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步升級(jí),生產(chǎn)成本的進(jìn)一步下降,相信基于超級(jí)電容的變槳系統(tǒng)后備電源具有良好的市場(chǎng)前景。

        [1]葉杭冶,李 偉,林勇剛,等.基于半物理仿真的變速恒頻獨(dú)立變槳控制[J].機(jī)床與液壓,2009,37(1):90-93.

        [2]汪海波,田 煒,魯 斌,等.兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)直流和交流電動(dòng)變槳距技術(shù)[J].江蘇電機(jī)工程,2011,30(4):42-44,47.

        [3]姚興佳,宋 俊.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組原理與應(yīng)用[M].第2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.128-129.

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        [5]AEWATERT B,CYGAN P J,LEUNG F C.Man Portable Power Needs of the 21st Century[J].Journal Power Sources,2000,91(1):27-36.

        [6]NBT 31018—2011,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電動(dòng)變槳控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范[S].

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