在當(dāng)前全球能源安全問(wèn)題突出、環(huán)境污染問(wèn)題嚴(yán)峻的大背景下，加快發(fā)展風(fēng)電已成為國(guó)際社會(huì)推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型發(fā)展、應(yīng)對(duì)全球氣候變化、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的普遍共識(shí)。中國(guó)可再生能源近年來(lái)發(fā)展迅猛，2030年前中國(guó)可再生能源的發(fā)電量占比將達(dá)30%以上。

變槳系統(tǒng)作為風(fēng)電機(jī)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。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組出現(xiàn)故障時(shí)，需要通過(guò)變槳系統(tǒng)控制槳葉收槳至安全位置，實(shí)現(xiàn)空氣制動(dòng)剎車(chē)；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(shí)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?jí)電容，而后備電源容量計(jì)算與選型將直接影響到系統(tǒng)的安全與成本。

1 后備電源類(lèi)型的更迭

1859年，由法國(guó)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。早期的變槳系統(tǒng)多為7柜結(jié)構(gòu)，其中包含3個(gè)后備電源柜，用以安裝鉛酸電池組。在風(fēng)電機(jī)組的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)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(jì)，在風(fēng)電機(jī)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(fèi)用可達(dá)變槳系統(tǒng)總投資的50%以上，無(wú)論從經(jīng)濟(jì)效益還是系統(tǒng)運(yùn)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)。

超級(jí)電容器是1879年由德國(guó)物理學(xué)家亥姆霍茲提出的具有法拉級(jí)的超大電容器。該電容器是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)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(chǔ)能器件。超級(jí)電容正負(fù)極為碳活性物和粘合劑經(jīng)過(guò)一定配比混合而成的極片材料，內(nèi)填充含有機(jī)材料的電解液。

在超級(jí)電容充放電時(shí)，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(chǔ)能，其儲(chǔ)能過(guò)程為物理反應(yīng)，并不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以超級(jí)電容在壽命上相較于其他儲(chǔ)能設(shè)備具有極大優(yōu)勢(shì)。

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

根據(jù)當(dāng)前變槳系統(tǒng)相關(guān)國(guó)標(biāo)的設(shè)計(jì)要求，鉛酸電池作為后備電源時(shí)，系統(tǒng)在整個(gè)變槳范圍內(nèi)，其順槳能力不少于3次；而超級(jí)電容作為后備電源時(shí)，其順槳能力不少于1次。因此相對(duì)于鉛酸電池，超級(jí)電容的選型和分析對(duì)后備電源的計(jì)算精度和準(zhǔn)確性要求更高。

2 后備電源順槳能力的測(cè)試與要求

變槳系統(tǒng)后備電源順槳能力通過(guò)加載試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試與驗(yàn)證。當(dāng)變槳系統(tǒng)加載試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)在與實(shí)際工作等效的工況條件下進(jìn)行，在試驗(yàn)過(guò)程中，由加載系統(tǒng)來(lái)模擬槳葉等效載荷，完成被測(cè)系統(tǒng)的一系列加載試驗(yàn)。電動(dòng)變槳距加載試驗(yàn)平臺(tái)示意圖如圖1所示。

圖1 電動(dòng)變槳距加載試驗(yàn)平臺(tái)

風(fēng)力發(fā)電在中國(guó)發(fā)展已有十余年，但葉片載荷作為整機(jī)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(kāi)，整機(jī)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(jì)和型式試驗(yàn)的參考力矩。而當(dāng)校驗(yàn)后備電源順槳能力時(shí)，也習(xí)慣以額定轉(zhuǎn)矩這一恒定值來(lái)檢驗(yàn)順槳的次數(shù)。

通過(guò)風(fēng)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，變槳系統(tǒng)在0°～90°范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩是一個(gè)變化值。因此，若以變槳系統(tǒng)額定轉(zhuǎn)矩作為計(jì)算和檢驗(yàn)后備電源能量，將產(chǎn)生一定的偏差，并可能提高整個(gè)變槳系統(tǒng)的生產(chǎn)成本。

本文編自2021年第1期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“基于葉片載荷的變槳后備電源能量計(jì)算方法”，作者為王振威、劉佳偉、呂峰。