大型風(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)超級電容的選擇及其自檢策略的研究

吳鵬，許明，盧曉光

(許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000)

Selection and Self-checking Control of Super Capacitor for Large-scale WindTurbine Pitch System

WU Peng，XU Ming，LU Xiaoguang

(XJ Group Corporation，Xuchang 461000，China)

摘要：機(jī)組在發(fā)生電網(wǎng)故障時(shí)，為了保證風(fēng)機(jī)能夠快速收槳以保證風(fēng)機(jī)安全，變槳系統(tǒng)配備了一套由超級電容組成的備用電源。分析了變槳系統(tǒng)超級電容的布置方案，對風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)故障工況進(jìn)行了仿真計(jì)算，得到了2 MW風(fēng)電機(jī)組的超級電容的容量和型號，同時(shí)對風(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)的電容自檢策略進(jìn)行了分析，并在風(fēng)場運(yùn)行中進(jìn)行了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機(jī)組；超級電容；自檢

中圖分類號：TM614

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-2257(2015)04-0036-04

收稿日期：2014-11-14

作者簡介：吳鵬(1985-)，男，山東棗莊人，工程師，研究方向?yàn)轱L(fēng)機(jī)控制。

Abstract：When the grid fault occurs，in order to ensure that the pitch system can be quickly to feather，the pitch system equipped with a spare power supply composed of super capacitor.This article analyzes the layout scheme of pitch system of super capacitor，on wind power grid fault condition to carry on the simulation computation，get the super capacitor of 2 MW wind turbine capacity and type，furthermore，self-checking control of super capacitor are analyzed，and verified in wind field.

Key words：wind turbine；super capacitor；self-checking

0引言

風(fēng)能是發(fā)展最快的可再生能源，也是最具有大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的可再生能源。 風(fēng)電機(jī)組的主控系統(tǒng)，是風(fēng)電機(jī)組的核心部分。它承擔(dān)著風(fēng)機(jī)監(jiān)控、自動調(diào)節(jié)、實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲以及保證良好的電網(wǎng)兼容性等重要任務(wù)，它主要由監(jiān)控系統(tǒng)、主控系統(tǒng)、變槳控制系統(tǒng)以及變頻系統(tǒng)(變頻器)幾部分組成。在風(fēng)機(jī)啟動之前，主控系統(tǒng)需對變槳系統(tǒng)進(jìn)行自檢，確保變槳系統(tǒng)運(yùn)行正常，其中對變槳系統(tǒng)超級電容的檢測是必須的。超級電容是風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行的重要保證，確保風(fēng)機(jī)在電網(wǎng)故障時(shí)，為葉片順槳提供必須的能量，保證機(jī)組能夠安全停機(jī)。

1變槳系統(tǒng)及超級電容方案

變槳系統(tǒng)的主要功能是通過調(diào)整葉片的槳距角，改變氣流對槳葉的攻角，從而控制發(fā)電機(jī)的輸出功率。在此，變槳系統(tǒng)采用的是電動變槳距伺服系統(tǒng)，電動變槳距伺服系統(tǒng)是利用電動機(jī)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)的，電動機(jī)經(jīng)過減速機(jī)，帶動葉片順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)葉片的槳距角調(diào)節(jié)。

每個(gè)葉片的變槳控制柜，都配備一套由超級電容組成的備用電源。變槳系統(tǒng)后備電源是在風(fēng)電機(jī)組失去外部電源時(shí)保證機(jī)組能夠安全停機(jī)的最后保障，其容量要滿足驅(qū)動電機(jī)把槳葉從工作狀態(tài)順到停機(jī)狀態(tài)所需能量。當(dāng)來自滑環(huán)的電網(wǎng)電壓掉電時(shí)，備用電源直接給變槳控制系統(tǒng)供電，仍可保證整套變槳電控系統(tǒng)正常工作。

變槳用超級電容的基本工作原理為：風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)正常輸入電能，智能管理單元控制的充電器給超級電容器組充電，直至超級電容達(dá)到額定電壓；緊急運(yùn)行工況下，風(fēng)電機(jī)組需緊急變槳，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，超級電容儲能系統(tǒng)放電，驅(qū)動變槳系統(tǒng)將葉片順槳，風(fēng)機(jī)安全停機(jī)。

1.1 超級電容模型

圖1　超級電容模型

超級電容是一種雙層電容，它利用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)獲得超大的容量。得益于納米技術(shù)的進(jìn)步，超級電容技術(shù)獲得了突破性的進(jìn)展，其性能進(jìn)一步提高，制造成本大大降低。作為一種理想的短期儲能元件，超級電容具有功率密度高、大電流充放電能力強(qiáng)、能量轉(zhuǎn)換效率高和循環(huán)使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。超級電容的物理特性非常復(fù)雜，參考文獻(xiàn)采用梯形電路構(gòu)建了超級電容的分布參數(shù)模型，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)顯示其特性曲線與實(shí)際電容特性十分接近。

圖1所示模型中，由Ri、Ci構(gòu)成的支路，主導(dǎo)該電路秒鐘級的充電特性；Rd和Cd決定電路分鐘級的充電特性；Rl和Cl決定了電路10 min級的充電特性；Rlea決定電容自放電特性。

圖2　簡化模型

由于在電力系統(tǒng)中，電壓跌落等故障持續(xù)時(shí)間往往很短(≤1 s)，所以在仿真低電壓穿越時(shí)，可以將超級電容簡化為只含主導(dǎo)超級電容秒鐘級充電特性的支路，如圖2所示。

1.2變槳系統(tǒng)超級電容方案

以下探討的風(fēng)機(jī)緊急變槳用超級電容方案，主要根據(jù)某2 MW雙饋風(fēng)電機(jī)組變槳控制系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行。

2 MW雙饋風(fēng)電機(jī)組變槳控制系統(tǒng)安裝在風(fēng)機(jī)輪轂內(nèi)，風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，所有部件都隨輪轂以一定的速度旋轉(zhuǎn)。 它主要用于葉片正常變槳控制和緊急變槳控制等。變槳系統(tǒng)通過控制葉片的角度來控制風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制風(fēng)機(jī)的輸出功率，并能夠通過空氣動力制動的方式使風(fēng)機(jī)安全停機(jī)。 備用電源系統(tǒng)主要為風(fēng)機(jī)緊急順槳時(shí)提供電源。

風(fēng)電機(jī)組變槳控制系統(tǒng)承擔(dān)著保證風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行的任務(wù)，而應(yīng)用較多的電動直流驅(qū)動系統(tǒng)緊急變槳控制簡單，相對可靠性高，因此，風(fēng)電機(jī)組變槳控制系統(tǒng)采用直流驅(qū)動方案。 每個(gè)葉片變槳系統(tǒng)使用1臺直流伺服驅(qū)動電機(jī)和減速齒輪箱作為傳動裝置。

風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，變槳使用伺服驅(qū)動器作為直流伺服電機(jī)的供電裝置，使葉片變槳；緊急情況下(如電網(wǎng)發(fā)生故障等)，變槳使用備用電源作為直流伺服電機(jī)的供電裝置，使葉片順槳。變槳系統(tǒng)這2種運(yùn)行狀態(tài)的切換，可通過緊急轉(zhuǎn)換控制電路控制來實(shí)現(xiàn)。

2風(fēng)電機(jī)組變槳工況仿真分析與超級電容選取

2.1變槳工況分析

2.1.1　變槳工況選擇

超級電容在風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)或電網(wǎng)故障時(shí)才會啟動，因此，根據(jù)GL標(biāo)準(zhǔn)選取電網(wǎng)故障工況進(jìn)行仿真分析，分析用工況如表1所示。

表1　計(jì)算工況表　　m/s

2.1.2　計(jì)算結(jié)果

同樣在風(fēng)電機(jī)組仿真軟件Bladed中對上述工況進(jìn)行仿真，可以得到3個(gè)槳葉的變槳力矩和變槳速度的時(shí)間序列，通過后處理可以得到變槳的最大功率和各個(gè)工況下變槳所需的能量。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2計(jì)算結(jié)果

工況編號功率/W能量/Ja8290.4335962.05b10176.8042649.51c10178.2342737.94d10371.2342221.55e5806.3325687.56f5986.1525900.83g11717.8139121.97h11615.8838987.79i7131.7920435.84j7100.4020314.67k10625.5326442.34l10893.5627732.16m4354.2522768.89n4390.4022698.54o4611.8625140.07p4616.8125173.47q4569.6920438.97r4598.6820420.20s4014.5119015.02t3975.9319591.08

從表2可以看出，如果槳葉完成單次順槳，1個(gè)槳葉需要配備最小放電功率為11 717.81 W，最小容量為42 737.94 J的后備電源。

2.2超級電容選取

通過仿真計(jì)算，可以確定1個(gè)槳葉完成單次收槳需要的最小放電功率、最小能量，電動機(jī)和減速機(jī)總效率設(shè)為0.8，超級電容一般要求1次充電完成后可完成2次順槳過程。

首先，確定驅(qū)動器電壓的工作范圍，驅(qū)動器由外部交流正常供電時(shí)直流母線電壓為420 V，當(dāng)直流母線電壓低于390 V時(shí)，認(rèn)為外部交流電源故障，母線最低直流工作電壓為160 V。

其次，確定自己選用超級電容單節(jié)電壓范圍，計(jì)算出需要的個(gè)數(shù)及單個(gè)電容的大小。

超級電容使用單體串聯(lián)的方法，根據(jù)額定工作電壓(420 V)，超級電容單體額定電壓為2.7 V，因此，至少需要156只單體串聯(lián)。

超級電容供電時(shí)，電壓范圍為390～160 V，根據(jù)所需能量計(jì)算超級電容容量為：

因此，單個(gè)電容的容量為：

1.69×156=263.64F

根據(jù)選型手冊，單個(gè)電容容量大于263.64 F的為350 F，特性如表3所示。

表3超級電容參數(shù)表

型號SCPC2R7357工作溫度/℃-40~+60額定容量/F350額定電壓/V2.7浪涌電壓/V2.85

最后，驗(yàn)證計(jì)算最低放電電壓為：

U=181.78V

滿足變槳最大功率電容額定電流的最低放電電壓為：

順槳時(shí)最大電流為：

單個(gè)槳葉后備電源配置如表4所示。

表4單個(gè)槳葉后備電源配置表

電容容量/F350串聯(lián)個(gè)數(shù)156最高工作電壓/V444.6額定工作電壓/V421.2最低工作電壓/V181.78最大工作電流/A80.57順槳次數(shù)2電動機(jī)及傳動系統(tǒng)效率0.8驅(qū)動器母線工作電壓范圍/V160~420觸發(fā)后備電源供電電壓/V390單次順槳需求最大功率/W11717.81單次順槳需求能量/J42737.94

3主控系統(tǒng)變槳自檢策略

為了保證風(fēng)機(jī)安全，變槳系統(tǒng)需要在電網(wǎng)掉電或變槳供電故障時(shí)，利用備用電源使風(fēng)機(jī)槳葉安全順槳。因此，備用電源是否正常對系統(tǒng)穩(wěn)定和風(fēng)機(jī)安全非常重要。在風(fēng)機(jī)每次自檢時(shí)，系統(tǒng)都會進(jìn)行變槳電容自檢以檢查電容的容量是否能夠支持風(fēng)機(jī)槳葉由0°順槳到90°，順槳2次。

3.1電容電壓供電自檢

變槳自檢開始時(shí)首先將變槳供電斷開，利用后備電源驅(qū)動變槳系統(tǒng)向工作位置運(yùn)行，如果槳距角低于67°，驅(qū)動變槳系統(tǒng)向停止位置運(yùn)行，如果槳距角低于74°，驅(qū)動變槳系統(tǒng)向工作位置運(yùn)行，在槳距角68°～73°范圍內(nèi)不斷累加此時(shí)的摩擦力矩。如果電容電壓低于350V，停止上面的變槳?jiǎng)幼?。在變槳系統(tǒng)外部供電斷開后，變槳系統(tǒng)由超級電容供電，因此，此時(shí)變槳系統(tǒng)的母線電壓大約等于電容電壓。比較此時(shí)的電容電壓與母線電壓。如果母線電壓與電容電壓差值大于限值，則變槳系統(tǒng)超級電容供電出現(xiàn)故障。

3.2超級電容容量自檢

將變槳系統(tǒng)外部供電恢復(fù)，此時(shí)變槳系統(tǒng)將會給超級電容充電，等待超級電容充電完畢，記錄變槳電容充電到400V的充電時(shí)間T1，同時(shí)計(jì)算出充電過程中直流母線電壓的平均值Us。根據(jù)充電時(shí)間可以計(jì)算出電容值，即

T1為充電時(shí)間；R為充電電阻；Us為充電過程中母線電壓平均值；U1初值電壓，充電開始時(shí)電壓；U2為最終電壓，充電后電壓。

根據(jù)計(jì)算出的電容值，可算出變槳電容在上面的動作過程中消耗的能量為：

U2為電容消耗之前的電壓；U1為電容消耗之后的電壓；C為電容值。

變槳系統(tǒng)動作時(shí)的功率為：

T為變槳力矩；ω為變槳速度；k為變槳系統(tǒng)傳動比；P0為變槳自檢功率補(bǔ)償值。

變槳系統(tǒng)動作所消耗的能量為：

Jc=P·t

通過上述公式，可以計(jì)算出變槳自檢時(shí)電容消耗的能量值與變槳系統(tǒng)自身的能量消耗值，由于整個(gè)自檢過程是超級電容驅(qū)動變槳系統(tǒng)工作，因此，如果超級電容能量存儲出現(xiàn)問題，那么這2個(gè)能量消耗值之間必然存在相當(dāng)大的偏差。通過上面的2個(gè)自檢過程,可以檢查超級電容的供電和電容的能量存儲是否正常。如果電容出現(xiàn)問題，為了保證風(fēng)機(jī)安全，風(fēng)機(jī)將停機(jī)等待維護(hù)人員檢查超級電容。

4風(fēng)電機(jī)組變槳電容自檢策略風(fēng)場驗(yàn)證

圖3，圖4為某實(shí)驗(yàn)風(fēng)機(jī)利用此變槳電容自檢策略，進(jìn)行變槳電容自檢所得的數(shù)據(jù)。由圖3，圖4可以看出，在整個(gè)自檢過程中槳距角、變槳力矩和電容電壓的變化，通過變槳的動作不斷消耗電容的能量，隨后通過公式計(jì)算出電容消耗能量和變槳消耗能量，根據(jù)圖5的曲線對比可以判斷電容容量是否正常。利用此策略，風(fēng)機(jī)能夠在每次自檢時(shí)都能夠檢測變槳電容是否正常，保證風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行。

圖3　自檢時(shí)槳距角的變化曲線

圖4　自檢時(shí)電容電壓與母線電壓的變化曲線

圖5　自檢時(shí)電容消耗能量和變槳消耗能量

5結(jié)束語

為了確定2MW風(fēng)電機(jī)組超級電容容量大小的選擇，在Bladed軟件上,進(jìn)行了在不同工況下變槳最大功率和變槳所需的最大能量的仿真和分析；

同時(shí)，為了保證風(fēng)機(jī)安全確保備用電源運(yùn)行正常，分析了超級電容的電容值與能量存儲之間的關(guān)系，研究并確定了變槳自檢的控制策略，給出了具體的處理方法。風(fēng)場試驗(yàn)及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，策略能滿足變槳超級電容的自檢要求，有力地保證了變槳緊急順槳時(shí)風(fēng)機(jī)的安全。

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