王振威 劉佳偉 呂 峰

基于葉片載荷的變槳后備電源能量計算方法

王振威 劉佳偉 呂 峰

（固安華電天仁控制設(shè)備有限公司，河北 廊坊 065500）

超級電容已成為現(xiàn)今主流的變槳系統(tǒng)后備電源。本文以超級電容為例，針對風(fēng)電機組變槳系統(tǒng)后備電源設(shè)計，提出一種基于葉片載荷的能量計算方法。通過與傳統(tǒng)順槳能量計算方法對比發(fā)現(xiàn)，本方法能提高能量計算的準(zhǔn)確度，實現(xiàn)成本優(yōu)化，對變槳系統(tǒng)整體設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

變槳系統(tǒng)；載荷；后備電源；超級電容

0 引言

在當(dāng)前全球能源安全問題突出、環(huán)境污染問題嚴(yán)峻的大背景下，加快發(fā)展風(fēng)電已成為國際社會推動能源轉(zhuǎn)型發(fā)展、應(yīng)對全球氣候變化、實現(xiàn)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的普遍共識[1-4]。中國可再生能源近年來發(fā)展迅猛，2030年前中國可再生能源的發(fā)電量占比將達(dá)30%以上[5]。

變槳系統(tǒng)作為風(fēng)電機組的重要控制與保護(hù)裝置，承擔(dān)著控制槳葉捕獲風(fēng)能的重要作用[6-7]。當(dāng)風(fēng)電機組出現(xiàn)故障時，需要通過變槳系統(tǒng)控制槳葉收槳至安全位置，實現(xiàn)空氣制動剎車；而當(dāng)電網(wǎng)供電異常情況下，變槳系統(tǒng)則需要利用系統(tǒng)自身后備電源提供能量，實現(xiàn)收槳功能。

隨著變槳技術(shù)的不斷發(fā)展，變槳系統(tǒng)主流后備電源已由傳統(tǒng)的鉛酸電池轉(zhuǎn)變?yōu)槌夒娙?，而后備電源容量計算與選型將直接影響到系統(tǒng)的安全與成本。

1 變槳系統(tǒng)后備電源發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 后備電源類型的更迭

1859年，由法國人普蘭特發(fā)明了鉛酸電池，使用含氧化鉛的材料制成鉛板作為正極，海綿狀纖維活性物制成的鉛板作為負(fù)極，內(nèi)填充稀硫酸作為電解液傳導(dǎo)電子[8-9]。早期的變槳系統(tǒng)多為7柜結(jié)構(gòu)，其中包含3個后備電源柜，用以安裝鉛酸電池組。在風(fēng)電機組的現(xiàn)場運行中，變槳系統(tǒng)使用的鉛酸電池出現(xiàn)了故障多、壽命短等情況。據(jù)統(tǒng)計，在風(fēng)電機組的壽命周期內(nèi)，鉛酸電池通常被更換三、四次，鉛酸電池的費用可達(dá)變槳系統(tǒng)總投資的50%以上，無論從經(jīng)濟效益還是系統(tǒng)運行可靠性角度，使用鉛酸電池作后備電源均已成為變槳系統(tǒng)中十分薄弱的環(huán)節(jié)[10]。

超級電容器是1879年由德國物理學(xué)家亥姆霍茲提出的具有法拉級的超大電容器。該電容器是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種基于雙電層理論基礎(chǔ)，介于蓄電池和傳統(tǒng)電容器之間的全新儲能器件[11]。超級電容正負(fù)極為碳活性物和粘合劑經(jīng)過一定配比混合而成的極片材料，內(nèi)填充含有機材料的電解液。在超級電容充放電時，其正負(fù)極利用極化反應(yīng)吸附電解液中的正負(fù)離子，形成雙電層結(jié)構(gòu)進(jìn)行儲能，其儲能過程為物理反應(yīng)，并不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以超級電容在壽命上相較于其他儲能設(shè)備具有極大優(yōu)勢。

目前隨著儲能技術(shù)的發(fā)展，使用超級電容作為后備電源已受到越來越多廠商的關(guān)注。超級電容因其功率密度高、充電速度快、循環(huán)壽命長、工作溫度范圍寬等優(yōu)點，非常適用于工作環(huán)境嚴(yán)酷的風(fēng)力發(fā)電機組變槳系統(tǒng)的后備電源[12-15]。

根據(jù)當(dāng)前變槳系統(tǒng)相關(guān)國標(biāo)的設(shè)計要求，鉛酸電池作為后備電源時，系統(tǒng)在整個變槳范圍內(nèi)，其順槳能力不少于3次；而超級電容作為后備電源時，其順槳能力不少于1次[16]。因此相對于鉛酸電池，超級電容的選型和分析對后備電源的計算精度和準(zhǔn)確性要求更高。

1.2 后備電源順槳能力的測試與要求

變槳系統(tǒng)后備電源順槳能力通過加載試驗進(jìn)行測試與驗證。當(dāng)變槳系統(tǒng)加載試驗時，應(yīng)在與實際工作等效的工況條件下進(jìn)行，在試驗過程中，由加載系統(tǒng)來模擬槳葉等效載荷，完成被測系統(tǒng)的一系列加載試驗[17]。電動變槳距加載試驗平臺示意圖如圖1所示。

圖1 電動變槳距加載試驗平臺示意圖

風(fēng)力發(fā)電在中國發(fā)展已有十余年，但葉片載荷作為整機廠家的核心數(shù)據(jù)，在行業(yè)發(fā)展之初并未向部件廠家公開，整機廠家習(xí)慣以變槳系統(tǒng)額定轉(zhuǎn)矩作為變槳系統(tǒng)的設(shè)計和型式試驗的參考力矩。而當(dāng)校驗后備電源順槳能力時，也習(xí)慣以額定轉(zhuǎn)矩這一恒定值來檢驗順槳的次數(shù)。通過風(fēng)場試驗數(shù)據(jù)可知，變槳系統(tǒng)在0°～90°范圍內(nèi)運行時，其輸出轉(zhuǎn)矩是一個變化值。因此，若以變槳系統(tǒng)額定轉(zhuǎn)矩作為計算和檢驗后備電源能量，將產(chǎn)生一定的偏差，并可能提高整個變槳系統(tǒng)的生產(chǎn)成本。

2 葉片載荷的分析與選取

2.1 葉片載荷的分析

各大風(fēng)電整機廠家在風(fēng)機設(shè)計之初，會通過仿真軟件輸出變槳系統(tǒng)的驅(qū)動載荷數(shù)據(jù)。為達(dá)到設(shè)計目的，變槳系統(tǒng)需要綜合考慮疲勞與極端工況，系統(tǒng)的整體方案必須滿足風(fēng)電機組在設(shè)計壽命中可能產(chǎn)生的一系列設(shè)計風(fēng)況。

GH Bladed為一款工業(yè)級的風(fēng)力機仿真計算軟件，能為風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)計與控制提供可參考的解決方案[18]。該軟件已通過德國船級社與IEC認(rèn)證。一般將輸出以50ms為步長，包含時間、槳距角、變槳速率、驅(qū)動力矩等相關(guān)數(shù)據(jù)的載荷時序文件。某廠家3.0MW機型載荷時序見表1。

表1 某廠家3.0MW機型載荷時序

根據(jù)仿真得到的載荷時序數(shù)據(jù)可知，變槳系統(tǒng)在按預(yù)定的轉(zhuǎn)速運行時，其驅(qū)動轉(zhuǎn)矩是一個變化的過程，該驅(qū)動轉(zhuǎn)矩將隨著槳葉角度的變化而變化。圖2所示為某廠家3.0MW機型變槳系統(tǒng)在多個載荷工況下的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩隨槳葉角度分布圖。

圖2 驅(qū)動轉(zhuǎn)矩槳葉角度分布圖

由圖2可知，若運行過程中出現(xiàn)電網(wǎng)掉電情況，則此時驅(qū)動部分的能量需要由后備電源提供，而系統(tǒng)后備電源的輸出功率將隨著槳葉角度的變化而變化。截取某廠家3.0MW機型的葉片載荷時序中一段數(shù)據(jù)，將變槳系統(tǒng)當(dāng)前能耗、當(dāng)前能耗占本次順槳總能耗的占比與槳葉角度關(guān)聯(lián)繪圖，得到能耗角度曲線圖，如圖3所示。

由圖3可知，從0°～90°的順槳過程中，變槳系統(tǒng)的當(dāng)前能耗隨槳葉角度的增大而變化。以該載荷數(shù)據(jù)為例，當(dāng)順槳角度到達(dá)56.78°時，系統(tǒng)已消耗本次順槳總能量的近90%；而完成56.78°～90°的順槳過程，只消耗了本次順槳能量的近10%。

由于順槳過程中變槳系統(tǒng)的能耗分布不均勻，所以用額定轉(zhuǎn)矩這一恒定值來檢驗順槳的次數(shù)并不準(zhǔn)確。隨著整機廠家葉片載荷數(shù)據(jù)的逐步開放，尋找到了一種更接近實際運行工況的計算方案。

圖3 能耗角度曲線圖

2.2 葉片載荷的選取

結(jié)合GB/T 18451.1—2012《風(fēng)力發(fā)電機組 設(shè)計要求》中規(guī)定的最少設(shè)計載荷工況（design load case, DLC），變槳系統(tǒng)后備電源能量計算時，需要通過載荷時序文件，計算得出極端工況下順槳一次的能量，同時考慮低電壓穿越（low voltage ride through, LVRT）過程中可能產(chǎn)生的極端能耗。

極端工況下順槳一次能量，以設(shè)計載荷工況中發(fā)電兼有故障（DLC2.1、DLC2.2、DLC2.3、DLC2.4）和緊急關(guān)機（DLC5.1）兩大設(shè)計工況中進(jìn)行選取，取最大值。

低電壓穿越過程中極端能耗，以設(shè)計載荷工況中發(fā)電工況（DLC1.1、DLC1.2、DLC1.3、DLC1.4、DLC1.5）中進(jìn)行選取，取3s最大值。

3 后備電源能量計算與余量預(yù)留

3.1 順槳能量的計算

根據(jù)載荷時序數(shù)據(jù)，可得到采樣時刻變槳功率值，采樣時刻功率的計算公式為

式中：P為載荷時序中第個采樣時刻功率值（kW）；T為載荷時序中第個采樣時刻驅(qū)動力矩值（N·m）；n為載荷時序中第個采樣時刻變槳速率（rad/s）；為變槳減速機總速比；p為圓周率常數(shù)。

若以采樣時刻功率值作為采樣步長時間內(nèi)的平均功率，則可得到步長時間內(nèi)的能耗，即

式中：W為第個采樣時間段的功耗（kJ）；P為載荷時序中第個采樣時刻功率值（kW）；為采樣步長時間（s）。

由于順槳過程為一段連續(xù)的時間，因此順槳一次總能量的公式為

式中：1為順槳一次總能量（kJ）；W第個采樣時間段的功耗（kJ）；為順槳開始的采樣時刻；為順槳結(jié)束的采樣時刻。

此外，變槳系統(tǒng)設(shè)計時，需要滿足低電壓穿越的需求，即在風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓跌至20%額定電壓時能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行625ms，在風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓發(fā)生跌落后2s內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90%時，風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機組能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行。在此，選取發(fā)電工況下3s能耗的最大值作為低穿時間段內(nèi)的極限能耗。由于3s時間連續(xù)，因此3s能耗極限計算公式為

式中：2為該載荷數(shù)據(jù)下3s的極限能耗（kJ）；W為第個采樣時間段的功耗（kJ）；為3s開始的采樣時刻；為3s結(jié)束的采樣時刻。

根據(jù)式（3）與式（4）對應(yīng)處理所需設(shè)計機型的所有葉片載荷工況，可得到一次順槳能耗極值1max以及3s能耗極值2max，而總能量公式為

式中：為變槳系統(tǒng)后備電源所需總能量（kJ）；1max為一次順槳總能耗極值（kJ）；2max為考慮低電壓穿越工況的3s能耗極值（kJ）。

3.2 傳統(tǒng)方案與本方案對比

傳統(tǒng)順槳能量計算公式如下

式中：3為以額定轉(zhuǎn)矩順槳一次所需能量（kJ）；n為額定轉(zhuǎn)矩值（N·m）；為總順槳角度（°）；為順槳速度（°/s）；為變槳減速機總速比。

以某廠家3.0MW機型為例，使用傳統(tǒng)方法計算順槳能量。若該機型變槳系統(tǒng)額定轉(zhuǎn)矩為82N·m，緊急順槳速度為4.5°/s，順槳距離為90°，變槳減速機總速比為1870.7，則順槳能量達(dá)240.94kJ。

對同一機型，若使用本方案計算，則得到一次順槳能耗極值160.03kJ，得到3s能耗極值21.4kJ，最終順槳總能量為181.43kJ。

通過兩種方案對比，可以得到使用本方案計算的總能量，此值相較于傳統(tǒng)方案計算的總能量有所減少，減少能量近24.7%。

3.3 現(xiàn)場實際工況測試

選擇同一機型，取現(xiàn)場調(diào)試數(shù)據(jù)計算順槳一次所消耗的能量，計算公式如下

式中：4為現(xiàn)場工況變槳順槳一次所消耗的能量（kJ）；為超級電容實測容值（F）；1為后備電源順槳起始時刻電壓值（V）；2為后備電源順槳結(jié)束時刻電壓值（V）。

對3個風(fēng)電場共47臺機組進(jìn)行電容順槳試驗，即在斷開電網(wǎng)電壓后，使用后備電源完成一次槳距角由0°～90°的順槳操作，計算得到順槳一次消耗能量在98.17～122.46kJ之間，最大能量損耗為122.46kJ。

通過現(xiàn)場測試對比，可以得到實際變槳順槳一次所消耗的能量值，此值更加接近于本方案計算的能量值。

3.4 后備電源余量的預(yù)留

考慮到風(fēng)力發(fā)電機的整體設(shè)計壽命，若以超級電容為后備電源，以10年為更換周期，則所需總的容值應(yīng)滿足以下公式

式中：為超級電容的總?cè)葜担‵）；1為后備電源的最高工作電壓值（V）；2為后備電源的最低工作電壓值（V）；為變槳系統(tǒng)后備電源的總轉(zhuǎn)化效率；為后備電源所需的最低能量（kJ）；為超級電容10年的容值衰減率；為整機廠家定制的順槳次數(shù)。

4 結(jié)論

本文提出一種基于葉片載荷的后備電源能量計算方法，遍歷各個工況下離散數(shù)據(jù)進(jìn)行能量累加，最終得到順槳一次所需的最大能量值。通過與傳統(tǒng)計算方法對比可知，本方法可提高能量計算的準(zhǔn)確度并盡可能實現(xiàn)成本的優(yōu)化。本文還以超級電容為例，計算得到順槳所需的最小電容容值，并以該值作為后備電源設(shè)計的依據(jù)。

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Calculation method of backup power supply based on blade load

WANG Zhenwei LIU Jiawei LYU Feng

(Gu’an Huadian Tianren Control Equipment Co., Ltd, Langfang, Hebei 065500)

Ultra-capacitor has become the mainstream backup power supply of pitch system. Taking ultra-capacitor as an example, this paper proposes an energy calculation method based on blade load for the design of backup power supply of wind turbine pitch system. Compared with the traditional calculation method of feathering energy, the proposed method improves the accuracy, reduces the cost and proposes a guideline for the design of the pitch system.

pith system; load; backup power supply; ultra-capacitor

2020-07-07

2020-07-24

王振威（1986—），男，浙江省湖州市人，本科，工程師，主要從事變槳系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計、葉片載荷計算與分析工作。