超级电容在风力发电系统中的应用

文 | 周玲慧，赵燕，徐峰

超级电容在风力发电系统中的应用

文 | 周玲慧，赵燕，徐峰

兆瓦级直驱风电机组电控系统，由机舱控制柜、变流器、变桨系统、塔底控制柜组成。其中变桨系统是整个风电机组的重要组成部分，所有部件都安装在轮毂上，机组正常运行时，所有部件都随轮毂以一定的速度旋转。通过控制叶片的角度来控制风轮的转速，进而控制机组的输出功率，并能够通过空气动力制动的方式使机组安全停机。风电机组的叶片通过变桨轴承与轮毂相连，每个叶片都有自己相对独立的电控同步的变桨驱动系统，变桨驱动系统通过一个小齿轮与变桨轴承内齿啮合联动。

在市电正常时，变桨系统依赖市电供电，为保证市电停止后，变桨系统仍然可以工作一段时间，以确保机组在发生严重故障或重大事故的情况下可以安全停机（叶片顺桨到90°）。需要一个为系统提供一定工作能量的储能装置，该储能装置储存能量的大小，根据用电设备的功率和备用时间确定。

目前风电行业一些储能装置采用了蓄电池，其主要缺点是重量较重、体积较大、循环寿命短、维护成本较高，同时充放电效率低，对工作温度要求也较严格。

超级电容又叫做电化学电容器，是近期发展起来的一种新型储能元件，它既像静电电容一样具有很高的放电功率，又像电池一样具有很大的电荷储存能力，使得这两种元件找到一个最佳结合点。它性能稳定，容量为传统电容器的20倍—200倍，功率一般大于1000W/kg，循环寿命大于105次，可储存的能量比传统电容要高得多，并且充电快速。

由于超级电容具有可以快速充放电、循环寿命长等优异性能，因此非常适用于风电机组中变桨系统的储能装置，能有效增强变桨系统的可靠性。

机组及变桨系统介绍

风电作为绿色可再生能源近年来受到了国家产业政策的大力扶持，航天科工集团第三研究院贯彻《中国航天科工集团公司自主创新工作管理办法》的有关要求，面向新能源领域风电产业，开展拥有独立自主知识产权的全功率2MW风电变流器的研发，并同步开展1.5MW直驱风力发电整机系统的研发与设计。经过近三年时间，风电研发队伍在大庆瑞好风电场进行了无数次调试和试验，对机组进行并网发电试验，成功实现了1.5MW大功率并网发电，并完成了连续多天无人值守下的小功率并网发电考核。下面针对超级电容在该风电机组中的应用进行介绍。

一、风电机组

直驱式风电机组为变桨距调节型机组，由主控系统、变桨系统、变流器系统、偏航系统、液压系统、安全链系统等多部分组成。其中主控系统在风电机组控制和运行中占有核心地位，主要作用是通过各类传感器对电网、气象及机组运行参数进行监控，并与其它控制器保持通讯，根据各方面的情况作出综合分析后，发出各种控制指令，实现机组的自动启动/停机、偏航对风、机舱扭缆、变桨距控制、变速控制和运行故障监控等。

风电机组在运行期间，叶片会在风速变化的时候绕其径向轴转动。在整个风速范围内具有几乎最佳的桨距角和较低的切入风速。高风速时，改变桨距角以减少攻角，从而减小叶片上的气动力，保证叶轮输出功率不超过发电机的额定功率。主控系统与变桨系统之间通讯采用CANOPEN协议，波特率为50Kbps。

风电机组采用全功率变流器并网，把机组带动的永磁同步电机发出的交流电变为直流电，再经过逆变器变换成可并入电网的符合相关标准要求的交流电。主控系统与变流器系统之间通讯采用CAN 2.0B协议，数据为标准帧格式（11 位ID），波特率为500Kbps。

在启动风电机组之前，需保证三个超级电容均已充电完毕。当出现风电场断电的情况，变桨系统由超级电容供电，完成收桨工作，实现机组安全停机。

二、变桨系统

变桨中央控制箱执行轮毂内的轴控箱和位于机舱内的机舱控制柜之间的连接工作。变桨中央控制箱与机舱控制柜的连接通过滑环实现。机舱控制柜通过滑环向变桨中央控制柜提供电能和控制信号。另外风电机组主控系统和变桨控制器之间用于数据交换的Profibus-DP的连接也通过这个滑环实现。

图1为变桨系统内部接口示意图，主要包括通讯模块、超级电容模块和桨叶控制模块三部分。通讯模块主要完成三个桨叶控制系统与风电机组主控系统的信息传递，实现主控系统对变桨系统的控制，以及主控系统对变桨系统工作状态的监控。超级电容模块的作用是在滑环断电或变桨系统欠压的情况下，向变桨系统提供能量，将三个桨叶顺桨，保证整个机组的安全。桨叶控制模块接收主控系统的指令，按照主控系统的要求将桨叶开到指定的角度。

变桨系统采用模块化控制，由三个完全相同的变桨控制器分别控制三个桨叶。变桨控制器由变频器、接触器、继电器以及DC电源等模块组成。变频器型号为Vacon NX_5系列变频器。

对每个桨叶采用单独伺服电机进行调节，伺服电机通过主动齿轮与桨叶轮毂内齿圈啮合直接对桨叶的桨距角进行控制。位移传感器采集桨叶桨距角的变化与电机形成闭环PID负反馈控制，在系统出现故障如控制电源断电时，由超级电容向桨叶控制电机供电，将桨叶调节为顺桨位置，实现叶轮停转。

风电机组正常运行期间，当风速超过机组额定风速时，为了控制功率输出，变桨系统根据风速变化自动调整桨距角，将桨距角限定在一个小角度（如30°）之内，通过控制叶片的角度可使风轮的转速保持恒定。任何情况引起的停机都会使叶片顺桨到90°位置。

主控软件对超级电容充电控制以及故障检测

接下来以超级电容1为例，介绍主控系统软件如何进行超级电容充电控制以及故障检测。对超级电容2和超级电容3的充电控制以及故障检测，与超级电容1类似。

一、充电控制

主控系统查询超级电容1的电压持续60s高于490V则向超级电容1发送停止充电指令；持续10s低于470V则将停止充电指令清零。

若查询到超级电容1的电压持续5s低于525V，并且无停止充电指令，则向超级电容1发送充电指令。

若同时查收到三个桨叶的停止充电指令，表示变桨系统超级电容充电完毕，此时机组才能启动。

二、充电流程

整机系统对风完毕之后，点击风电机组操控界面上的滑环供电按钮，主控系统查收到滑环供电指令40s后给变桨系统发送启动通讯指令。若查收到三个桨叶的通讯心跳位均不在，即主控与变桨通讯未建立，则向变桨系统发送滑环上电指令，否则只要任何一个桨叶的通讯心跳位存在就向变桨系统发送停止运行指令，并在3s之后查询超级电容放电回路接触器是否已断开，若三个接触器均断开则向变桨系统发送滑环上电指令，否则报故障。这样设计的好处是，如果因变桨系统故障导致整机停机了，变桨系统超级电容放电回路接触器有可能并未断开而处于闭合状态，此时若重新做试验，给滑环上电并向变桨发送充电指令，可能会出现超级电容电源板被烧坏的现象，而每次主控收到滑环上电指令就启动变桨通讯并查询心跳位，若心跳位存在则向变桨发送停止运行指令，给滑环断电，可以成功规避该问题。

主控系统向变桨系统发送滑环上电指令后会收到变桨的供电反馈信号，40s后主控系统启动与1号桨叶之间通信，之后每隔1min再分别与 2号、3号桨叶建立通信。通信建立成功后主控系统可接收到变桨系统发送的50ms变化一次的心跳位信号，同时主控系统向变桨系统发送20ms变化一次的主控心跳信号。主控系统通过判断接收到的桨叶状态字与心跳位状态，确定与变桨通信是否正常。通信正常后主控系统判断如果桨叶超级电容电压高于490V，则向变桨系统发送超级电容充电停止指令；如果超级电容电压低于470V，则向变桨系统发送超级电容充电开始指令。判断超级电容放电回路接触器是否正常断开、三组桨叶是否充电都完成，若未完成则重新进行上述判断，直至完成。

判断变桨系统自检完成进入正常工作模式后，主控系统向变桨系统发送运行指令和位置1控制命令字。

成功建立通信后，桨叶角度在操控界面上显示为90°，待三桨叶全部充电完成，三个桨叶的位置角度会变为89°，表示：变桨已经供电正常，待启动（当变桨处于急停状态，其桨叶角度显示为90°）。

三、故障检测

当主控系统检测到任何一个超级电容电压高于520V则报故障，同时给滑环断电。

超级电容1放电时，若主控系统检测到电压持续1s低于465V或者超级电容电压3s内下降超过20V则报超级电容供电故障。

待超级电容充电1小时后，主控系统查询超级电容电压，若低于490V则报超级电容充电失败故障。

在变桨工作过程中主控系统实时检测三个超级电容放电回路接触器的状态，任何一个断开均报故障。（主控给变桨发送运行指令时，变桨会将超级电容放电回路接触器闭合）

变桨系统正常启动后，当要给滑环断电时（通过操控界面可发断电指令），主控先给变桨发送停止运行指令（变桨收到后会断开超级电容放电回路接触器），主控在检测到运行指令下降沿跳变5s之后发送滑环断电IO指令，紧接着查询三个超级电容放电回路接触器是否已断，任何一个未断开均报故障。如果变桨系统出现故障并未正常启动或者正处于超级电容充电过程中，主控系统在收到操控界面的滑环断电指令后，紧接着发送滑环断电IO指令。

滑环断电5s之后若查询到主控与任何一个桨叶系统之间通讯仍在，则报滑环断电失败故障。

超级电容性能验证试验

为整机系统安全性稳定性考虑，应分别对三个桨叶对应超级电容的性能进行验证，功能完好的情况下才能启动机组。

一、试验项目

首先，针对单个桨叶，待超级电容充电完毕，进行如下几项系统试验，均能正常收桨才表示该桨叶对应超级电容功能完好：

1.滑环断电试验；2.安全链急停试验；3.主控停车试验。

接下来，针对三桨同调工况，进行如下几项系统试验，均能正常收桨才表示整机系统的变桨系统超级电容功能完好：

1.超级电容充电过程中，主控急停试验；2.滑环上电但未建立变桨通信，主控急停试验；3.滑环未上电，主控急停试验。

二、试验结果

根据某工况下机组多次单桨收桨试验的结果，发现一般单桨收桨20°超级电容电压下降约10V，收桨30°超级电容电压下降约15V，收桨60°超级电容电压下降约25V。根据多次三桨同调收桨试验的结果，发现一般收桨20°超级电容电压下降约20V。

最后在各试验均能正常收桨，且三个超级电容性能均满足要求的情况下，机组安全启动，实现并网发电。

结束语

综上所述，超级电容由于其充放电快、循环寿命长等特性十分适用于风电机组变桨系统的储能装置，可提高机组稳定性和安全性。从打破国外技术垄断、保证国家电力安全和分享巨大的风电市场角度考虑，超级电容的成功应用具有极大的现实意义，对从事风电事业的人员具有一定的借鉴意义。

（作者单位：中国航天科工集团第三研究院）