超级电容作为风力发电机后备电源的可行性分析

renwei4477 2018-05-23

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　　风力发电技术正日益成熟。在实际生产中，风能的间歇性与不确定性影响风力发电机的紧急变桨回路供电模块的可靠性，铅酸蓄电池有价格低廉、技术成熟等优点。是目前风力发电机应用最广的二次电池，但能量和循环寿命的问题是其薄弱环节。而超级电容作为新兴储能元件。具有循环寿命长，充放时间快等特点。

铅酸电池介绍

　　铅酸蓄电池充放性能好，技术成熟、材料低廉与氢镍锂电池相比。在市场中竞争中占有一定的优势。但铅酸蓄电池的老化速度过快。其存在待解决的问题，正极板板栅的长大和腐蚀，热失控，电解质溶液损耗，对温度及充电方面的敏感度。负极板的硫酸盐化。负极极耳的腐蚀早期容量衰减现象。其中正极板板栅的长大和腐蚀现象造成电池老化最为直观突出。
内阻是衡量铅酸蓄电池健康状态的一个重要参数实验。表明老电池的内阻要明显大于新电池的内阻。因此内阻的检测可区分电池新旧及老化程度，由于铅酸蓄电池内部化学反应及外部干扰等情况。内阻的检测易受噪声影响。同时电池老化程度通过仪表不容易定值测量出来。可通过使用。JZ-BPD-Ⅲ电池巡检仪对铅酸蓄电池组进行电池活化实验。

蓄电池组核对性放电记录

　　电池型号：4 OSP.XC 160 176AH。C10环境温度26电池标称电压2.2V，放电电流18A放电时长10h。
　　蓄电池容量=单体到达终止电压时的时间ｘ放电电流
　　通过终点时刻对铅酸蓄电池充放电数据整理，发现铅酸蓄电池在使用过程中均有不同程度的老化。电压距电池标称电压。2.2V。有着一定差距，部分铅酸蓄电池在充放电过程中电压掉电现象严重。从表1看出终点时刻的第92电池放电时刻的电压仅有1.32V终点时刻的第79电池放电时刻的电压仅有。0.75V。这种老化程度高，容量大幅度减小的铅酸蓄电池在正常使用的均充浮充过程中是难以觉察到的，只有通过活化实验进行数据统计才可得知。

某直驱风力发电机紧急变桨铅酸电池

　　风力发电机轮毂内铅酸蓄单节电池内部由6个额定电压。2.2V。的的小单元铅酸蓄电池组成12V/9Ah共14节/柜，单节电池充满电后，内阻20m充放电1次为1周期循。环寿命为300周期，500周期电池柜内有400W加热器通过温控开关自动通/断，可在较低温的情况下，维持温度为20C左右，但在东南沿海地区，夏季空间狭小的密闭空间轮毂的温度维持在40－60如此高温下，铅酸蓄电池化学反应加剧，导致充放电加快会加速铅酸蓄电池老化。
　　在使用期间内。铅酸蓄电池有着不同程度的电压充不上现象，部分电池显示红色报警，每个叶片的变桨铅酸蓄电池由14节电池串联。当单节铅酸蓄电池老化，电压偏低呈红色报警状态，说明内阻已经开始增大，在串联回路中会逐渐地连带使14节整个串联铅酸蓄电池的内阻增大，最终导致整组铅酸蓄电池加速老化。

　　从生产管理系统中调取某风场历年风力发电机组年可利用率如表2铅酸蓄电池的寿命一般为2年表2数据能一定程度反映出铅酸蓄电池及其电池管理模块SBP的故障。比例：2011和2012年度，铅酸蓄电池的故障并没有频繁发生。但在2年之后，由于铅酸蓄电池老化和充电管理模块SBP，引起的故障呈直线式上升。

超级电容

　　作为新兴储能元件，超级电容具有循环寿命长，充放时间快等特点，在风力发电机狭小的密闭有限空间轮毂控制柜内，超级电容更具有适应温度范围广，体积小容量大，可焊接，维护简单等优点，在风电设备系统中，超级电容不会过充，过放影响寿命，充放电过程仅仅是物理层面上的变化，不会对常年密闭空间作业的轮毂内部造成二次污染，超级电容以保持稳定的直流电压，保证变桨伺服电机的正常运作。
　　超级电容的基本工作原理是碳碳双电层原理，存储过程可逆，分析时采用RC模型，包括理想电容C等效串联内阻RESP，等效并联内阻REPR，RESP影响超级电容充放电效率，REPR影响电容自放电，即长期静止存储，见图1与电池的化学储。存电荷不一样的是，双电层电容器是在电极-电解质表面以静电形式的电荷进行储能。这种储能模式具有快速充电/放电能力、高可靠性和长循环寿命的特点，相对于铅酸蓄电池，对于紧急变桨供电对多变的风况的情况下更具有优势。

选用超级电容

　　容量大小取决去电极可贡献的表面位置，考虑到存在于多孔碳里面的界面，离子到达该表面的时间将延长，且比到达外表面更加困难。在短电子脉冲或者高频的电流条件下，离子很难进入到更深的内部区域。也就是说内部表面对容量的贡献与RC时间常数有关。因此，容量会随着信号频率的增加而减少。双电层电容器的串联电阻会随着频率的增加而减少，在高频 1kHz 情况下，由于电解液中穿梭的离子没有足够的时间到达内部的碳表面，将导致这部分离子既没有对电流传输器作业，也没有造成欧姆损失。
　　超级电容的寿命和容量除了取决于工作原理以外，结构也起至关重要的作用。因为单个超级电容耐压比较低，常常需要把数个超级电容串联起来提高工作电压。超级电容模块的总容量能基于串联或并联的电容数量进行计算。
　　将30个容量为300F的超级电容串联起来成为1个超级电容模组。根据电容串联公式计算出：C模组=10F。利用最大存储能量公式 EMAX=1/2CV2R，当超级电容的容量C=300F额定电压VR=2.6V，算出EMAX=1014J。

双电层超级电容在发电机组上的应用

正常变桨由变桨电机顶部的速度编码器和位置编码器，分别反馈给变桨驱动和变桨 PLC 再由变桨 PLC 根据反馈回来的数据将桨叶需要转动角度的参数通过变桨驱动去驱动变桨电机改变叶片角度，当切换到紧急收桨系统时候。技术改造之前紧急变桨回路的变桨电机由铅酸蓄电池供电控制紧急逻辑控制器直接控制变桨电机控制变桨桨叶以每秒6收桨。风力发电机轮毂控制柜内直流变桨系统的变桨原理框图如图2

　　技术改进后将原本驱动模块和铅酸蓄电池模块替换成超级电容模块和SEC驱动器，如图3。

　　根据机组运行载荷得知，紧急收桨的平均扭矩为13N m，减速比 2312制动力矩32NM 紧急收桨速度由于超级电容的电压局限性。由每秒6更改为每秒4对应电机转速4 231260/360=1541rpm计算完成1次紧急变桨E=13 1541 955090/4+3 =53.49J
　　其中考虑到SEC 驱动器损耗制动器功率损耗，可以估算完成1次紧急收桨所需要的能量约为60J 2次紧急收桨2 E=120J超级电容模组所存储的能量为1/2 10/4 360 360-150 150 =133.875J由此可见后备超级电容能量足以满足2次紧急变桨。

结论

　　更换了一部分超级电容以后表2针对于风能随机性强力，环境恶劣，温度湿度变化大，盐雾污秽侵蚀严重等因素对供电模块影响。可以得出超级电容相比铅酸蓄电池更加稳定，实用性和可行性更强可以预见超级电容的应用在风力发电技术越来越成熟的发展中所占的比例将逐渐上升。所以超级电容做为风力发电机后备电源具有很强的可行性。

来源：能源与环境