李 鋒

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SL1500機組超級電容備用電源系統(tǒng)替換鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)技術研究

李 鋒

（新疆金風科技股份有限公司，烏魯木齊 830011）

由于目前以鉛酸蓄電池作為備用電源系統(tǒng)的風機發(fā)電機組在運行2～3年后頻繁報出備用電源相關故障，因此本文以SL1500風機為研究對象，提出針對SL1500風機的鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)更換為超級電容備用電源系統(tǒng)的技術方案，并從能量計算及超級電容模組選擇、充電系統(tǒng)設計、超級電容柜柜體設計3個方面對該技術方案進行了詳細描述。最后通過在SL1500機組上測試以及對測試數據分析，從而證明該替換解決方案具有可行性、具有推廣的價值。

SL1500機組；超級電容；鉛酸蓄電池；備用電源系統(tǒng)；替換

目前并網型風力發(fā)電機組備用電源系統(tǒng)主要有兩種形式：①采用超級電容作為備用電源系統(tǒng)；②采用鉛酸蓄電池作為備用電源系統(tǒng)。前者在早期的風力發(fā)電機組中普遍采用，其具有壽命長、無記憶效應、運行溫度寬、充電速度快、功率密度大等優(yōu)點，但是價格較鉛酸蓄電池要高。因此部分整機廠家采用了鉛酸蓄電池作為備用電源系統(tǒng)。鉛酸蓄電池本身易受溫度影響，且充電時間相當長的缺點，使得風機在運行2～3年后頻繁報出相關故障，導致風電廠想將鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)更換成超級電容備電系統(tǒng)。本文就是在此背景下，針對SL1500機組進行研究后提出SL1500機組超級電容備用電源系統(tǒng)替換鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)的技術方案。

1 替換方案的綜合研究概述

SL1500機組是華銳風電制造的1.5MW并網型雙饋風力發(fā)電機組，該機組的備用電源系統(tǒng)主要由采用30節(jié)12V 5.2Ah的鉛酸蓄電池串聯構成機組的備用電源系統(tǒng)，其主要作用在于當機組發(fā)生電網掉電、電網質量相關故障時，為變槳系統(tǒng)提供后備能量使變槳系統(tǒng)將槳葉順槳至安全位置，確保風力發(fā)電機組處于安全狀態(tài)。

從系統(tǒng)構成上細分，該系統(tǒng)主要由充電管理子系統(tǒng)、放電管理子系統(tǒng)、蓄電池檢測子系統(tǒng)、能量存儲子系統(tǒng)構成，如圖1所示。這4個子系統(tǒng)安裝位置也有不同，其中充電管理子系統(tǒng)、放電管理子系統(tǒng)、蓄電池檢測子系統(tǒng)位于機艙310柜，能量存儲子系統(tǒng)位于機艙后部與發(fā)電機下側的結合部。

圖1 SL1500鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)構成示意圖

由于目前鉛酸蓄電池和超級電容在各產品的尺寸和存儲能量的方式以及充電的要求方面各有不同，因此本替換技術在以下幾個方面做了研究。

1）能量計算和超級電容模組選型。

2）重新設計了基于超級電容的充電系統(tǒng)，并根據SL1500機組布局特點設計了相應充電器的固定支架。

3）對超級電容柜柜體進行了重新設計，以滿足對超級電容模組安裝固定的要求。

4）對原有SL1500鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)電路進行優(yōu)化。

2 替換方案詳細闡述

2.1 能量計算和超級電容模組選擇

1）能量計算

能量計算包括兩個部分，即理論計算和動態(tài)仿真。本替換方案的研究對象為SL1500系列機組中的8215機型，其能量計算主要設計到的參數有變槳減速器的減速比、變槳回轉支撐的齒數、變槳減速器的齒數。詳細闡述如下。

（1）理論計算

假定當變槳系統(tǒng)主電發(fā)生掉電故障，槳葉以緊急收槳的速度從0°位置回槳至安全位置即90°，則利用下面公式：

式中，為槳葉從0°回到安全位置所需能量，kJ；為變槳電機額定扭矩，N·m；為變槳電機收槳時電機轉速（通過緊急收槳速度、變槳減速器的減速比、齒數以及變槳回轉支撐的齒數的關系換算而來），r/min；1為驅動器效率；2為變槳電機效率；為緊急順槳時間（通過式（2）計算而來），s。

通過上式計算可以得到8215機型槳葉回槳一次所需能量為86kJ。

（2）動態(tài)仿真

根據GB 18451.1—2001中7.4規(guī)定的載荷相關規(guī)定，以極端風速作為參考標準并利用下面公式：

式中，為槳葉從0°回到安全位置所需能量，kJ；T為時刻時變槳電機的扭矩值，N·m；W為時刻時變槳電機的轉速，r/min；為個數據的數據間隔時間，s。

通過對相關載荷的仿真計算，選擇出所需要能量最大的工況的能量值作為動態(tài)仿真需要的能量值。本替換方案中動態(tài)仿真結果為72.6kJ。

通過對理論計算和仿真計算，選取最大能量值為8215機型超級電容變備用電源系統(tǒng)所需最小能量。

在工程設計中，還有兩方面的問題需要考慮：①能量裕量，由于電容在使用過程中，內阻會增加，容量會減少。當電容容量下降20%時，電容將不能正常使用，因此通常在設計時，需要考慮能量裕量的問題；②收槳次數，根據《NBT 31018—2011風力發(fā)電機組電動變槳控制技術規(guī)范》相關規(guī)定：電容組的容量應滿足槳葉在規(guī)定載荷情況下完成1次以上順槳動作的要求。但通常在工程設計取2～3次的收槳能力，本替換方案則按照2次收槳進行設計。

綜上所述，本替換方案中8215機型超級電容備用電源系統(tǒng)所需要提供的最小能量為206kJ。

2）超級電容模組選擇

超級電容模組所含能釋放的能量按照式（4）進行計算，即

式中，為超級電容模組所含能量，J；為超級電容模組容值，F；在工程計算中，通常將其看成定值即：環(huán)境溫度為25℃時，恒流放電時的容值；1為超級電容放電起始端電壓，V；2為超級電容放電終止端電壓，V。

由于備用電源系統(tǒng)是給變槳系統(tǒng)提供順槳所需的能量，因此在超級電容放電終止端電壓的選擇上應能確保變槳驅動器正常工作。SL1500機組變槳系統(tǒng)使用的是KEB的驅動器，其直流母線正常工作的最小電壓為240V DC。超級電容放電起始端點壓等于備用電源的充電裝置的輸出電壓。因此本替換技術取超級電容放電終止端點壓為250V DC，超級電容放電起始電壓為400V DC。

根據上面的電壓以及能量要求，本替換技術選取的電容模組單體參數見表1。

表1 電容模組單體參數表

電容模組采用3串2并的連接方式，其額定電壓為405V DC，根據式（4）計算可得到電容模組所含能量為223kJ＞206kJ，因此該連接方式可以滿足超級電容放電起始電壓和模組容量的要求。

2.2 充電管理系統(tǒng)設計

1）設計充電管理系統(tǒng)的原因

根據式（4）可以看出，超級電容模組的電壓可以表征其所含能量的大小。同時考慮到風力發(fā)電機組備用電源的工作方式為在線式、充電方式為浮充式，因此對于超級電容模組的充電器的輸出電壓控制精度要求高，穩(wěn)壓精度＜0.6%。而SL1500機組備用電源充電回路采用三相整流橋輔助以限流電阻的形式（如圖2所示）對鉛酸蓄電池模組進行充電。

圖2 原SL1500鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)

根據圖2所示，原SL1500機組備用電源的充電方式易受到電源電壓波動的影響，根據《NBT 31018—2011風力發(fā)電機組電動變槳控制技術規(guī)范》第4.1.5.1條交流電源相關規(guī)定：電源電壓允許波動范圍：電壓額定值的-15%～+10%。同時限流電阻阻值受溫度等因素影響而該充電方式缺乏對電阻阻值的溫度補償，因此如果沿用原SL1500機組的備用電源充電方式為超級電容模組進行充電，則無法滿足超級電容備用電源系統(tǒng)對模組端點壓的要求，需要重新設計超級電容備用電源的充電系統(tǒng)。

2）充電系統(tǒng)設計

（1）充電系統(tǒng)工作原理

在風力發(fā)電機組起動前，充電系統(tǒng)將為超級電容模組充電，當超級電容電壓達到額定值時，認為超級電容模組能量已充滿，滿足風力發(fā)電機組起動條件。隨后充電系統(tǒng)將進入浮充狀態(tài)，以便超級電容模組時刻保持能量充滿的狀態(tài)，如圖3所示。

圖3 充電系統(tǒng)與超級電容模組充電方式

（2）充電電路設計以及充電器選型

超級電容模組充電電路主要由超級電容充電器以及電源電路、信號電路構成，如圖4所示。

圖4 充電系統(tǒng)電路結構示意圖

超級電容充電器的作用在于，當交流電源發(fā)生波動的時候依然能夠將交流電源轉換成超級電容模組設計電壓，為超級電容充電。

電源電路包括輸入電路和輸出電路，輸入采用單相230V AC 50Hz交流電源，線路中加入斷路器作為保護器件，輸出電路采用直流輸出，直接連接超級電容模組。

信號電路包括狀態(tài)反饋和控制信號，狀態(tài)反饋包括超級電容充電器輸出正常、超級電容是否充滿的信號?？刂菩盘柺侵赋潆娖鹘馆敵鲂盘枴＞唧w控制邏輯示意圖如圖5所示。

圖5 超級電容充電器控制邏輯示意圖

根據電容參數以及電源電路和信號電路要求，充電器選型參數見表2。

表2 充電器選型參數

（3）充電器固定

由于目前行業(yè)中采用的充電器尺寸都比較大，而其本身SL1500風力發(fā)電機組結構設計緊密且放置備用電源模組的位置控制有限，使其無法安裝和維護，因此本技術采用將充電系統(tǒng)放置于SL1500系統(tǒng)300控制柜中并設計一套充電器固定套件，用于固定充電器。充電器固定套件包括支撐橫梁以及固定組件，分別如圖6、圖7所示。

圖6 支撐橫梁

圖7 充電器固定組件

支撐橫梁是根據SL1500機艙控制柜的尺寸具體充電器大小所設計。同時考慮拆卸和維護的方便性，將橫梁支撐面向外延伸20mm，以方便于拆卸和維護。

充電器固定組件有兩個Z字型卡件構成，結構對稱。兩邊各有一個15mm寬通孔，方便固定組件左右調節(jié)，同時中間部位采用直徑為10mm通孔，已適應充電器寬度尺寸不一致的情況。在安裝方面，該固定組件的設計可以使充電器從、兩個方向任意固定。從方向固定時，只需將右半邊組件拆除，待充電器安裝完畢后再將其安裝上即可。

2.3 超級電容柜設計

1）設計超級電容柜的原因

SL1500機組原鉛酸蓄電池備用電源柜位于機艙尾部、發(fā)電機下側，采用760mm×600mm×200mm的柜體。由于超級電容模組的安定方式與安裝尺寸和鉛酸蓄電池都存在不同，所以該柜體無法安裝超級電容模組，因此需要重新設計柜體。

2）超級電容柜設計簡述

本技術中提出雙層結構并附加以觀察維護孔的形式來設計超級電容柜，具體如圖8所示。柜體采用760mm×600mm×350mm的柜體，通過中間安置水平安裝板將柜體分為底部和上部兩部分。底部安裝有6個超級電容模組，采用3串2并的方式，模組間留有10mm間隔以便于空氣流通。柜體左側安裝有用于空氣流通的風扇，柜體右側作為超級電容柜出線口。

圖8 超級電容柜柜體結構示意圖

超級電容柜上部為器件安裝區(qū)，安裝有主電接線端子、信號接線端子、電容保護熔斷器、內循環(huán)風扇保護斷路器等。同時考慮到超級電容的可維護性，特別設置了觀察維護孔，如圖9所示。維護人員可通過該觀察維護孔，完成對超級電容模組的電壓、信號測量以及二次接線工作。

圖9 超級電容柜上層板結構示意圖

3 風場驗證

該SL1500機組超級電容備用電源系統(tǒng)替換鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)技術已經在甘肅某風場SL1500-82機組上得到測試以及應用，測試分為充電測試、收槳能力測試兩部。在應用上進行近兩個月的故障統(tǒng)計以說明該技術的可靠性。

3.1 充電測試

充電測試主要測試其系統(tǒng)充電能力以及充電時間，因此測試是從超級電容模組電壓為0開始，以超級電容模組電壓達到設計電壓為止進行的，具體數據如圖10所示。

圖10 超級電容模組充電曲線圖

根據圖10數據可以得到以下結論：超級電容模組充電起始電壓為0，充電終止電壓為405.18V DC，進行數據統(tǒng)計，整個充電過程所用時間為721.5s，約為12.025min。

3.2 收槳能力測試

在能量設計的時候，超級電容模組所含能量就是能夠保證SL1500機組連續(xù)兩次收槳，因此測試時也按照連續(xù)兩次收槳進行測試，具體數據分別如圖11、圖12所示。

圖11 超級電容模組連續(xù)兩次收槳電壓曲線圖

圖12 連續(xù)兩次收槳能力測試槳葉位置曲線

針對圖11、圖12的數據分析如下。

1）第一次收槳開始時，超級電容電壓為405.5V DC，當三個槳葉收槳至90°時，超級電容電壓為375.77V DC。根據計算，電壓下降幅度為29.95V DC所消耗能量為50.2kJ。

2）第二次收槳開始時，超級電容電壓為367.43VDC，當3個槳葉收槳至90°時，超級電容電壓為337.19V DC。根據計算，電壓下降幅度為30.24V，所消耗能量為46.876kJ。

3）經過連續(xù)兩次收槳后，剩余能量為112.6kJ。

通過以上數據可以驗證該替換技術能夠滿足SL1500機組連續(xù)兩次收槳。

3.3 故障統(tǒng)計

目前該替換技術已經在甘肅某風場中的兩臺風機上得到應用。在經過近一個季度的運行中，發(fā)生超級電容備用電源系統(tǒng)技術故障為零，從而說明替換后的超級電容備用電源系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠的運行，從而確保SL1500機組安全可靠運行。

4 結論

本文針對SL1500機組的運行中所暴露出鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)相關故障，提出了利用超級電容備用電源系統(tǒng)替換鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)的技術。同時對替換技術中設計到的電容能量計算和選型、充電系統(tǒng)、超級電容柜進行了詳細的設計描述。最后通過風場測試以證明：針對SL1500機組，該超級電容備用電源系統(tǒng)替換鉛酸蓄備用電源系統(tǒng)的技術切實可行，能夠在滿足風機對備用電源的需求同時降低原鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)相關故障，加快了備用電源充電速度，從而保證了SL1500機組安全可靠運行，因此該技術方案具有推廣價值。

[1] NBT 31018—2011. 風力發(fā)電機組電動變槳控制技術規(guī)范[S].

[2] 孔慶剛, 王建波. 存量變槳系統(tǒng)后備電池優(yōu)化[J]. 電氣傳動自動化, 2017(1): 23-24.

[3] 135V6. 6F_Tech Proposal_Goldwind[Z]. 金風科技股份有限公司. 2016.

[4] Charger for EDLC Capacitors PA365. Puls GmbH[Z]. 2013.

[5] TonyBurton. 風能技術[M]. 北京: 科學出版社, 2007.

[6] 田軍, 朱永強, 陳彩虹. 儲能技術在分布式發(fā)電中的應用[J]. 電氣技術, 2010, 11(8): 28-32, 42.

[7] 李志梅, 魏本建, 趙東標. 風力發(fā)電機組電動變槳距機構設計與仿真[J]. 機械設計與制造, 2008(4): 57-59.

[8] 李憲棟, 石月春. 電池儲能系統(tǒng)電壓支持技術仿真研究[J]. 電氣技術, 2017, 18(8): 59-64.

[9] 鐘煒, 黃貴鳳. 蓄電池組50%放電試驗方案分析[J]. 電氣技術, 2015, 16(3): 100-102.

The technology research of ultracapacitorback-up power system replacing lead-acid battery back-up power system on SL1500

Li Feng

(Xinjiang Goldwind Technologies Inc, Urumqi 830011)

The wind turbines whose back-up power system is lead-acid battery frequently occur related faults after 2～3 years of operation.Based on SL1500 research object, the thesis supplies the solution that the lead-acid back-up power system replaces with the ultracapacitor back-up power system on the SL1500. meanwhile, the thesis detail introduces the solution through the description for energy calculation and super capacitor module selection, charger system design and super capacitor cabinet design. By testing on SL1500 and analyses for test data, the solution is proved that it is an executable technologyand value to spread.

SL1500; ultracapacitor; lead-acid battery; back-up system; replace

2017-12-20

李 鋒（1984-），男，碩士研究生，中級工程師，主要從事風力發(fā)電機組變槳控制技術研究工作。