程厚淳

（天津瑞源電氣有限公司，天津 300308）

海上風(fēng)電具有能源密度大、可靠性高等特點(diǎn)，因此成為各國研究和開發(fā)的熱點(diǎn)項(xiàng)目。在海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，風(fēng)機(jī)的輸出功率由風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，而風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速主要是通過變槳系統(tǒng)控制葉片的角度實(shí)現(xiàn)的。此外，變槳系統(tǒng)還能控制葉片的緊急順槳，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的安全制動(dòng)停機(jī)，因此，變槳系統(tǒng)在海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)中具有不可及替代的作用。海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳系統(tǒng)由一個(gè)獨(dú)立的電源供電，當(dāng)供電電源發(fā)生故障時(shí)，變槳系統(tǒng)就會(huì)停止工作，此時(shí)若發(fā)電機(jī)也發(fā)生故障，就不能使葉片安全制動(dòng)，最終可能會(huì)誘發(fā)更嚴(yán)重的故障或者重大事故。因此，為了保障海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)在發(fā)生故障時(shí)能安全制動(dòng)，需要為變槳系統(tǒng)提供一個(gè)獨(dú)立的備用電源。超級(jí)電容器是一種技術(shù)先進(jìn)的儲(chǔ)能裝置，它具有容量大、儲(chǔ)能高、比功率高、充放電速度快、綠色環(huán)保、適用范圍廣等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳系統(tǒng)的備用電源中。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電源因故障停止供電時(shí)，就會(huì)自動(dòng)投切進(jìn)超級(jí)電容為變槳系統(tǒng)供電，變槳系統(tǒng)會(huì)立刻啟動(dòng)緊急順槳，使葉片旋轉(zhuǎn)至安全位置，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的安全停機(jī)，保障了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安全。因此，有必要對(duì)超級(jí)電容的性能進(jìn)行及時(shí)檢測(cè)。如何對(duì)海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳系統(tǒng)超級(jí)電容的容量進(jìn)行及時(shí)、準(zhǔn)確的檢測(cè)，已經(jīng)成為當(dāng)前海上風(fēng)電領(lǐng)域中的一個(gè)熱門研究課題，受到越來越多人們的重視。

1 海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳系統(tǒng)超級(jí)電容的容量檢測(cè)方法

在海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳系統(tǒng)的后備電源中，超級(jí)電容器通常都是多個(gè)單體以并串聯(lián)的方式使用的。由于生產(chǎn)工藝、制作材料等因素的影響，超級(jí)電容器單體之間必然存在一定的差異，這些差異主要體現(xiàn)在電壓、放電電流、壽命等方面，在使用的過程中，使用環(huán)境的溫度、濕度、使用時(shí)間等因素會(huì)放大這種差異性，可能會(huì)導(dǎo)致某些超級(jí)電容的容量降低，甚至失效，對(duì)海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重威脅。因此必須對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行檢測(cè)和篩選，并且根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行分級(jí)，并對(duì)失效的超級(jí)電容進(jìn)行更換，以降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)的故障發(fā)生率，保障其安全運(yùn)行。

1.1 超級(jí)電容容量的檢測(cè)原理

容量是反映超級(jí)電容儲(chǔ)存電能的能力，同時(shí)也是超級(jí)電容器當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的具體表現(xiàn)。若容量出現(xiàn)不正常的下降或者失效，就表明超級(jí)電容器發(fā)生故障。當(dāng)前主要的超級(jí)電容器容量的檢測(cè)方法主要是恒流充放電法。利用恒流充放電法進(jìn)行超級(jí)電容容量檢測(cè)時(shí)，利用公式能夠?qū)Τ?jí)電容的容量進(jìn)行計(jì)算：

在超級(jí)電容器充放電的電流恒定不變時(shí)，公式（1）能夠轉(zhuǎn)化為下述形式：

由公式（2）能夠推導(dǎo)出公式（3）：

首先對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行恒流充電或放電，然后將測(cè)量得到的電流、電壓等數(shù)值代入到公式（3）中即可得到超級(jí)電容的當(dāng)前容量值。

圖1為恒流充放電檢測(cè)方法的原理圖。原理圖中主要包括恒流電流電源/恒電壓電源、轉(zhuǎn)換開關(guān)、電流表、電壓表、放電裝置和待檢測(cè)的超級(jí)電容。

在利用恒流充放電的方法進(jìn)行超級(jí)電容器容量檢測(cè)時(shí)，為了保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，必須在檢測(cè)前對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行完全放電。待完全放電后再進(jìn)行容量的檢測(cè)，主要的檢測(cè)過程如下所述。

（1）設(shè)置為恒流/恒壓電源的額定電壓為UR，放電裝置的恒定電流值為I。

（2）將轉(zhuǎn)換開關(guān)撥到位置1，此時(shí)超級(jí)電容開始充電，當(dāng)充電至額定電壓時(shí)，保持恒壓充電15min。

（3）充電結(jié)束后，將轉(zhuǎn)換開關(guān)撥至位置2，以恒定電流值放電。

圖1 超級(jí)電容容量檢測(cè)原理圖

（4）設(shè)置超級(jí)電容器兩極電壓在放電前后的變化量為ΔVC，放電時(shí)間為Δt ，將其代入到公式（3）中，即可得到超級(jí)電容器的容量值。

但在實(shí)際的充放電過程中，超級(jí)電容器兩極的電壓變化并不是線性的，電流值也極不穩(wěn)定，因此，檢測(cè)得到的超級(jí)電容器的容量值也存在較大的誤差，有必要對(duì)上述超級(jí)電容容量的檢測(cè)方法進(jìn)行改進(jìn)。

1.2 改進(jìn)的超級(jí)電容容量的檢測(cè)方法

由于傳統(tǒng)的超級(jí)電容容量檢測(cè)方法存在較大的不足，因此，在傳統(tǒng)檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上對(duì)超級(jí)電容容量的檢測(cè)方法進(jìn)行了改進(jìn)。設(shè)置超級(jí)電容的充放電過程能夠用下述公式進(jìn)行描述：

其中，V0為超級(jí)電容的初始電壓值；V1為超級(jí)電容的最后能夠充進(jìn)的或者釋放的電壓值；Vt為t時(shí)刻超級(jí)電容器的電壓值；R為超級(jí)電容充電或放電過程中電路的等效電阻。設(shè)置對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行電壓檢測(cè)時(shí)的測(cè)量精度為ε，則根據(jù)公式（4）能夠推導(dǎo)出下述超級(jí)電容器容量檢測(cè)公式：

由公式（5）能夠得知，在計(jì)算的過程中能夠消除掉電壓測(cè)量精度ε，因此能夠提高超級(jí)電容器的容量檢測(cè)精度。同時(shí)可知，利用公式（5）進(jìn)行超級(jí)電容器容量的檢測(cè)，檢測(cè)的精度只與電壓的變化、等效電阻、充放電時(shí)間等這三個(gè)參數(shù)有關(guān)，而與充放電過程中電流值的變化無關(guān)，因此，能夠極大的提高超級(jí)電容器容量的檢測(cè)精度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證改進(jìn)檢測(cè)方法的有效性，需要進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)在天津某風(fēng)電公司進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)溫度為室溫，實(shí)驗(yàn)中的相關(guān)參數(shù)如下表1所示。

具體的實(shí)驗(yàn)步驟如下所述。

（1）切斷變槳系統(tǒng)的電源和變槳系統(tǒng)超級(jí)電容的外部供電，并利用超級(jí)電容的電能控制變槳系統(tǒng)作機(jī)械運(yùn)動(dòng)，消耗超級(jí)電容中的電能。

（2）實(shí)時(shí)檢測(cè)超級(jí)電容的電壓，當(dāng)?shù)陀赨1時(shí)，停止消耗超級(jí)電容中的電能，并接入外部供電為超級(jí)電容充電，當(dāng)高于U2時(shí)停止充電。

（3）為超級(jí)電容充電的開始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻，利用公式（5）計(jì)算超級(jí)電容的容值。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)方法對(duì)超級(jí)電容的容量進(jìn)行重復(fù)多次檢測(cè)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并繪制檢測(cè)曲線，能夠得到下圖2中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖2 超級(jí)電容的容量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在上圖2中，曲線1為超級(jí)電容的電壓值，曲線2為葉片角度。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠看出，當(dāng)扭矩為52NM時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)投切超級(jí)電容的容量檢測(cè)功能，此時(shí)變槳系統(tǒng)的供電由主電源切換到超級(jí)電容進(jìn)行供電，葉片的位置從40°旋轉(zhuǎn)至65°，超級(jí)電容的電壓由450V降至415V，與理論計(jì)算值413V非常相近。由于變槳系統(tǒng)安全系統(tǒng)存在一定的摩擦力，葉片的實(shí)際扭矩會(huì)略大于52NM，因此超級(jí)電容的電壓出現(xiàn)的偏差是在允許范圍內(nèi)的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，在非恒流放電的情況下也能對(duì)超級(jí)電容的容量進(jìn)行檢測(cè)，并且實(shí)際檢測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算值之間的誤差在1%以內(nèi)。

3 結(jié)語

在海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，及時(shí)準(zhǔn)確的進(jìn)行變槳系統(tǒng)超級(jí)電容的容量檢測(cè)，是保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)生故障時(shí)能夠安全停機(jī)的前提。本文對(duì)傳統(tǒng)的恒電流充放電檢測(cè)方法進(jìn)行了改進(jìn)，克服了傳統(tǒng)檢測(cè)方法的不足，能夠及時(shí)準(zhǔn)確的進(jìn)行變槳系統(tǒng)超級(jí)電容的容量測(cè)量，具有檢測(cè)精度高、速度快等優(yōu)點(diǎn)，并且能夠在非恒流的條件下對(duì)超級(jí)電容的容量進(jìn)行檢測(cè)，擁有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。