SL1500机组超级电容备用电源系统替换铅酸蓄电池备用电源系统技术研究
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新疆金风科技股份有限公司的研究人员李锋，在2018年第6期《电气技术》杂志上撰文指出，由于目前以铅酸蓄电池作为备用电源系统的风机发电机组在运行2～3年后频繁报出备用电源相关故障。
因此本文以SL1500风机为研究对象，提出针对SL1500风机的铅酸蓄电池备用电源系统更换为超级电容备用电源系统的技术方案，并从能量计算及超级电容模组选择、充电系统设计、超级电容柜柜体设计3个方面对该技术方案进行了详细描述。最后通过在SL1500机组上测试以及对测试数据分析，从而证明该替换解决方案具有可行性、具有推广的价值。
目前并网型风力发电机组备用电源系统主要有两种形式：①采用超级电容作为备用电源系统；②采用铅酸蓄电池作为备用电源系统。前者在早期的风力发电机组中普遍采用，其具有寿命长、无记忆效应、运行温度宽、充电速度快、功率密度大等优点，但是价格较铅酸蓄电池要高。因此部分整机厂家采用了铅酸蓄电池作为备用电源系统。
铅酸蓄电池本身易受温度影响，且充电时间相当长的缺点，使得风机在运行2～3年后频繁报出相关故障，导致风电厂想将铅酸蓄电池备用电源系统更换成超级电容备电系统。本文就是在此背景下，针对SL1500机组进行研究后提出SL1500机组超级电容备用电源系统替换铅酸蓄电池备用电源系统的技术方案。
1 替换方案的综合研究概述
SL1500机组是华锐风电制造的1.5MW并网型双馈风力发电机组，该机组的备用电源系统主要由采用30节12V 5.2Ah的铅酸蓄电池串联构成机组的备用电源系统，其主要作用在于当机组发生电网掉电、电网质量相关故障时，为变桨系统提供后备能量使变桨系统将桨叶顺桨至安全位置，确保风力发电机组处于安全状态。
从系统构成上细分，该系统主要由充电管理子系统、放电管理子系统、蓄电池检测子系统、能量存储子系统构成，如图1所示。这4个子系统安装位置也有不同，其中充电管理子系统、放电管理子系统、蓄电池检测子系统位于机舱310柜，能量存储子系统位于机舱后部与发电机下侧的结合部。
图1 SL1500铅酸蓄电池备用电源系统构成示意图
由于目前铅酸蓄电池和超级电容在各产品的尺寸和存储能量的方式以及充电的要求方面各有不同，因此本替换技术在以下几个方面做了研究。
1）能量计算和超级电容模组选型。
2）重新设计了基于超级电容的充电系统，并根据SL1500机组布局特点设计了相应充电器的固定支架。
3）对超级电容柜柜体进行了重新设计，以满足对超级电容模组安装固定的要求。
4）对原有SL1500铅酸蓄电池备用电源系统电路进行优化。
2 替换方案详细阐述
2.1 能量计算和超级电容模组选择
1）能量计算
能量计算包括两个部分，即理论计算和动态仿真。本替换方案的研究对象为SL1500系列机组中的8215机型，其能量计算主要设计到的参数有变桨减速器的减速比、变桨回转支撑的齿数、变桨减速器的齿数。详细阐述如下。
（1）理论计算
假定当变桨系统主电发生掉电故障，桨叶以紧急收桨的速度从0°位置回桨至安全位置即90°，则利用下面公式：
（1）
式中，E为桨叶从0°回到安全位置所需能量，kJ；T为变桨电机额定扭矩，N·m；W为变桨电机收桨时电机转速（通过紧急收桨速度、变桨减速器的减速比、齿数以及变桨回转支撑的齿数的关系换算而来），r/min；1为驱动器效率；2为变桨电机效率；t为紧急顺桨时间（通过式（2）计算而来），s。
（2）
通过上式计算可以得到8215机型桨叶回桨一次所需能量为86kJ。
（2）动态仿真
根据GB 18451.1—2001中7.4规定的载荷相关规定，以极端风速作为参考标准并利用下面公式：
（3）
式中，E为桨叶从0°回到安全位置所需能量，kJ；Ti为i时刻时变桨电机的扭矩值，N·m；Wi为i时刻时变桨电机的转速，r/min；t为N个数据的数据间隔时间，s。
通过对相关载荷的仿真计算，选择出所需要能量最大的工况的能量值作为动态仿真需要的能量值。本替换方案中动态仿真结果为72.6kJ。
通过对理论计算和仿真计算，选取最大能量值为8215机型超级电容变备用电源系统所需最小能量。
在工程设计中，还有两方面的问题需要考虑：①能量裕量，由于电容在使用过程中，内阻会增加，容量会减少。当电容容量下降20%时，电容将不能正常使用，因此通常在设计时，需要考虑能量裕量的问题；②收桨次数，根据《NBT 31018—2011风力发电机组电动变桨控制技术规范》相关规定：电容组的容量应满足桨叶在规定载荷情况下完成1次以上顺桨动作的要求。但通常在工程设计取2～3次的收桨能力，本替换方案则按照2次收桨进行设计。
综上所述，本替换方案中8215机型超级电容备用电源系统所需要提供的最小能量为206kJ。
2）超级电容模组选择
超级电容模组所含能释放的能量按照式（4）进行计算，即
（4）
式中，E为超级电容模组所含能量，J；C为超级电容模组容值，F；在工程计算中，通常将其看成定值即：环境温度为25℃时，恒流放电时的容值；U1为超级电容放电起始端电压，V；U2为超级电容放电终止端电压，V。
由于备用电源系统是给变桨系统提供顺桨所需的能量，因此在超级电容放电终止端电压的选择上应能确保变桨驱动器正常工作。SL1500机组变桨系统使用的是KEB的驱动器，其直流母线正常工作的最小电压为240V DC。超级电容放电起始端点压等于备用电源的充电装置的输出电压。因此本替换技术取超级电容放电终止端点压为250V DC，超级电容放电起始电压为400VDC。
根据上面的电压以及能量要求，本替换技术选取的电容模组单体参数见表1。
表1 电容模组单体参数表
电容模组采用3串2并的连接方式，其额定电压为405V DC，根据式（4）计算可得到电容模组所含能量为223kJ＞206kJ，因此该连接方式可以满足超级电容放电起始电压和模组容量的要求。
2.2 充电管理系统设计
1）设计充电管理系统的原因
根据式（4）可以看出，超级电容模组的电压可以表征其所含能量的大小。同时考虑到风力发电机组备用电源的工作方式为在线式、充电方式为浮充式，因此对于超级电容模组的充电器的输出电压控制精度要求高，稳压精度＜0.6%。而SL1500机组备用电源充电回路采用三相整流桥辅助以限流电阻的形式（如图2所示）对铅酸蓄电池模组进行充电。
图2 原SL1500铅酸蓄电池备用电源系统
根据图2所示，原SL1500机组备用电源的充电方式易受到电源电压波动的影响，根据《NBT 31018—2011风力发电机组电动变桨控制技术规范》第4.1.5.1条交流电源相关规定：电源电压允许波动范围：电压额定值的15%～+10%。同时限流电阻阻值受温度等因素影响而该充电方式缺乏对电阻阻值的温度补偿，因此如果沿用原SL1500机组的备用电源充电方式为超级电容模组进行充电，则无法满足超级电容备用电源系统对模组端点压的要求，需要重新设计超级电容备用电源的充电系统。
2）充电系统设计
（1）充电系统工作原理
在风力发电机组起动前，充电系统将为超级电容模组充电，当超级电容电压达到额定值时，认为超级电容模组能量已充满，满足风力发电机组起动条件。随后充电系统将进入浮充状态，以便超级电容模组时刻保持能量充满的状态，如图3所示。
图3 充电系统与超级电容模组充电方式
（2）充电电路设计以及充电器选型
超级电容模组充电电路主要由超级电容充电器以及电源电路、信号电路构成，如图4所示。
图4 充电系统电路结构示意图
超级电容充电器的作用在于，当交流电源发生波动的时候依然能够将交流电源转换成超级电容模组设计电压，为超级电容充电。
电源电路包括输入电路和输出电路，输入采用单相230V AC 50Hz交流电源，线路中加入断路器作为保护器件，输出电路采用直流输出，直接连接超级电容模组。
信号电路包括状态反馈和控制信号，状态反馈包括超级电容充电器输出正常、超级电容是否充满的信号。控制信号是指充电器禁止输出信号。具体控制逻辑示意图如图5所示。
图5 超级电容充电器控制逻辑示意图
根据电容参数以及电源电路和信号电路要求，充电器选型参数见表2。
表2 充电器选型参数
（3）充电器固定
由于目前行业中采用的充电器尺寸都比较大，而其本身SL1500风力发电机组结构设计紧密且放置备用电源模组的位置控制有限，使其无法安装和维护，因此本技术采用将充电系统放置于SL1500系统300控制柜中并设计一套充电器固定套件，用于固定充电器。充电器固定套件包括支撑横梁以及固定组件，分别如图6、图7所示。
图6 支撑横梁
图7 充电器固定组件
支撑横梁是根据SL1500机舱控制柜的尺寸具体充电器大小所设计。同时考虑拆卸和维护的方便性，将横梁支撑面向外延伸20mm，以方便于拆卸和维护。
充电器固定组件有两个Z字型卡件构成，结构对称。两边各有一个15mm宽通孔，方便固定组件左右调节，同时中间部位采用直径为10mm通孔，已适应充电器宽度尺寸不一致的情况。在安装方面，该固定组件的设计可以使充电器从X、Y两个方向任意固定。从X方向固定时，只需将右半边组件拆除，待充电器安装完毕后再将其安装上即可。
2.3 超级电容柜设计
1）设计超级电容柜的原因
SL1500机组原铅酸蓄电池备用电源柜位于机舱尾部、发电机下侧，采用760mm×600mm×200mm的柜体。由于超级电容模组的安定方式与安装尺寸和铅酸蓄电池都存在不同，所以该柜体无法安装超级电容模组，因此需要重新设计柜体。
2）超级电容柜设计简述
本技术中提出双层结构并附加以观察维护孔的形式来设计超级电容柜，具体如图8所示。柜体采用760mm×600mm×350mm的柜体，通过中间安置水平安装板将柜体分为底部和上部两部分。底部安装有6个超级电容模组，采用3串2并的方式，模组间留有10mm间隔以便于空气流通。柜体左侧安装有用于空气流通的风扇，柜体右侧作为超级电容柜出线口。
图8 超级电容柜柜体结构示意图
超级电容柜上部为器件安装区，安装有主电接线端子、信号接线端子、电容保护熔断器、内循环风扇保护断路器等。同时考虑到超级电容的可维护性，特别设置了观察维护孔，如图9所示。维护人员可通过该观察维护孔，完成对超级电容模组的电压、信号测量以及二次接线工作。
图9 超级电容柜上层板结构示意图
3 风场验证
该SL1500机组超级电容备用电源系统替换铅酸蓄电池备用电源系统技术已经在甘肃某风场SL1500-82机组上得到测试以及应用，测试分为充电测试、收桨能力测试两部。在应用上进行近两个月的故障统计以说明该技术的可靠性。
3.1 充电测试
充电测试主要测试其系统充电能力以及充电时间，因此测试是从超级电容模组电压为0开始，以超级电容模组电压达到设计电压为止进行的，具体数据如图10所示。
图10 超级电容模组充电曲线图
根据图10数据可以得到以下结论：超级电容模组充电起始电压为0，充电终止电压为405.18V DC，进行数据统计，整个充电过程所用时间为721.5s，约为12.025min。
3.2 收桨能力测试
在能量设计的时候，超级电容模组所含能量就是能够保证SL1500机组连续两次收桨，因此测试时也按照连续两次收桨进行测试，具体数据分别如图11、图12所示。
图11 超级电容模组连续两次收桨电压曲线图
图12 连续两次收桨能力测试桨叶位置曲线
针对图11、图12的数据分析如下。
1）第一次收桨开始时，超级电容电压为405.5V DC，当三个桨叶收桨至90°时，超级电容电压为375.77V DC。根据计算，电压下降幅度为29.95VDC所消耗能量为50.2kJ。
2）第二次收桨开始时，超级电容电压为367.43V DC，当3个桨叶收桨至90°时，超级电容电压为337.19V DC。根据计算，电压下降幅度为30.24V，所消耗能量为46.876kJ。
3）经过连续两次收桨后，剩余能量为112.6kJ。
通过以上数据可以验证该替换技术能够满足SL1500机组连续两次收桨。
3.3 故障统计
目前该替换技术已经在甘肃某风场中的两台风机上得到应用。在经过近一个季度的运行中，发生超级电容备用电源系统技术故障为零，从而说明替换后的超级电容备用电源系统能够稳定可靠的运行，从而确保SL1500机组安全可靠运行。
4 结论
本文针对SL1500机组的运行中所暴露出铅酸蓄电池备用电源系统相关故障，提出了利用超级电容备用电源系统替换铅酸蓄电池备用电源系统的技术。同时对替换技术中设计到的电容能量计算和选型、充电系统、超级电容柜进行了详细的设计描述。
最后通过风场测试以证明：针对SL1500机组，该超级电容备用电源系统替换铅酸蓄备用电源系统的技术切实可行，能够在满足风机对备用电源的需求同时降低原铅酸蓄电池备用电源系统相关故障，加快了备用电源充电速度，从而保证了SL1500机组安全可靠运行，因此该技术方案具有推广价值。