超級(jí)電容備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)替換充電機(jī)充電鉛酸蓄電池的SL1500機(jī)組備用電源系統(tǒng)技術(shù)研究方案
2018-7-6 9:59:57??????點(diǎn)擊：
由于目前以充電機(jī)充電鉛酸蓄電池作為備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行2～3年后頻繁報(bào)出備用直流穩(wěn)壓電源相關(guān)故障。
因此本文以SL1500風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，提出針對(duì)SL1500風(fēng)機(jī)的充電機(jī)充電鉛酸蓄電池備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)更換為超級(jí)電容備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的技術(shù)方案，并從能量計(jì)算及超級(jí)電容模組選擇、充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、超級(jí)電容柜柜體設(shè)計(jì)3個(gè)方面對(duì)該技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)描述。最后通過在SL1500機(jī)組上測(cè)試以及對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)分析，從而證明該替換解決方案具有可行性、具有推廣的價(jià)值。
目前并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)主要有兩種形式：①采用超級(jí)電容作為備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)；②采用充電機(jī)充電鉛酸蓄電池作為備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)。前者在早期的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中普遍采用，其具有壽命長(zhǎng)、無記憶效應(yīng)、運(yùn)行溫度寬、充電速度快、功率密度大等優(yōu)點(diǎn)，但是價(jià)格較充電機(jī)充電鉛酸蓄電池要高。因此部分整機(jī)廠家采用了充電機(jī)充電鉛酸蓄電池作為備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)。
充電機(jī)充電鉛酸蓄電池本身易受溫度影響，且充電時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)的缺點(diǎn)，使得風(fēng)機(jī)在運(yùn)行2～3年后頻繁報(bào)出相關(guān)故障，導(dǎo)致風(fēng)電廠想將充電機(jī)充電鉛酸蓄電池備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)更換成超級(jí)電容備電系統(tǒng)。本文就是在此背景下，針對(duì)SL1500機(jī)組進(jìn)行研究后提出SL1500機(jī)組超級(jí)電容備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)替換充電機(jī)充電鉛酸蓄電池備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的技術(shù)方案。
1 替換方案的綜合研究概述
SL1500機(jī)組是華銳風(fēng)電制造的1.5MW并網(wǎng)型雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，該機(jī)組的備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)主要由采用30節(jié)12V 5.2Ah的充電機(jī)充電鉛酸蓄電池串聯(lián)構(gòu)成機(jī)組的備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)，其主要作用在于當(dāng)機(jī)組發(fā)生電網(wǎng)掉電、電網(wǎng)質(zhì)量相關(guān)故障時(shí)，為變槳系統(tǒng)提供后備能量使變槳系統(tǒng)將槳葉順槳至安全位置，確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組處于安全狀態(tài)。
從系統(tǒng)構(gòu)成上細(xì)分，該系統(tǒng)主要由充電管理子系統(tǒng)、放電管理子系統(tǒng)、蓄電池檢測(cè)子系統(tǒng)、能量存儲(chǔ)子系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。這4個(gè)子系統(tǒng)安裝位置也有不同，其中充電管理子系統(tǒng)、放電管理子系統(tǒng)、蓄電池檢測(cè)子系統(tǒng)位于機(jī)艙310柜，能量存儲(chǔ)子系統(tǒng)位于機(jī)艙后部與發(fā)電機(jī)下側(cè)的結(jié)合部。
圖1 SL1500充電機(jī)充電鉛酸蓄電池備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)構(gòu)成示意圖
由于目前充電機(jī)充電鉛酸蓄電池和超級(jí)電容在各產(chǎn)品的尺寸和存儲(chǔ)能量的方式以及充電的要求方面各有不同，因此本替換技術(shù)在以下幾個(gè)方面做了研究。
1）能量計(jì)算和超級(jí)電容模組選型。
2）重新設(shè)計(jì)了基于超級(jí)電容的充電系統(tǒng)，并根據(jù)SL1500機(jī)組布局特點(diǎn)設(shè)計(jì)了相應(yīng)充電器的固定支架。
3）對(duì)超級(jí)電容柜柜體進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，以滿足對(duì)超級(jí)電容模組安裝固定的要求。
4）對(duì)原有SL1500充電機(jī)充電鉛酸蓄電池備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)電路進(jìn)行優(yōu)化。
2 替換方案詳細(xì)闡述
2.1 能量計(jì)算和超級(jí)電容模組選擇
1）能量計(jì)算
能量計(jì)算包括兩個(gè)部分，即理論計(jì)算和動(dòng)態(tài)仿真。本替換方案的研究對(duì)象為SL1500系列機(jī)組中的8215機(jī)型，其能量計(jì)算主要設(shè)計(jì)到的參數(shù)有變槳減速器的減速比、變槳回轉(zhuǎn)支撐的齒數(shù)、變槳減速器的齒數(shù)。詳細(xì)闡述如下。
（1）理論計(jì)算
假定當(dāng)變槳系統(tǒng)主電發(fā)生掉電故障，槳葉以緊急收槳的速度從0°位置回槳至安全位置即90°，則利用下面公式：
（1）
式中，E為槳葉從0°回到安全位置所需能量，kJ；T為變槳電機(jī)額定扭矩，N·m；W為變槳電機(jī)收槳時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速（通過緊急收槳速度、變槳減速器的減速比、齒數(shù)以及變槳回轉(zhuǎn)支撐的齒數(shù)的關(guān)系換算而來），r/min；?1為驅(qū)動(dòng)器效率；?2為變槳電機(jī)效率；t為緊急順槳時(shí)間（通過式（2）計(jì)算而來），s。
（2）
通過上式計(jì)算可以得到8215機(jī)型槳葉回槳一次所需能量為86kJ。
（2）動(dòng)態(tài)仿真
根據(jù)GB 18451.1—2001中7.4規(guī)定的載荷相關(guān)規(guī)定，以極端風(fēng)速作為參考標(biāo)準(zhǔn)并利用下面公式：
（3）
式中，E為槳葉從0°回到安全位置所需能量，kJ；Ti為i時(shí)刻時(shí)變槳電機(jī)的扭矩值，N·m；Wi為i時(shí)刻時(shí)變槳電機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min；t為N個(gè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)間隔時(shí)間，s。
通過對(duì)相關(guān)載荷的仿真計(jì)算，選擇出所需要能量最大的工況的能量值作為動(dòng)態(tài)仿真需要的能量值。本替換方案中動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果為72.6kJ。
通過對(duì)理論計(jì)算和仿真計(jì)算，選取最大能量值為8215機(jī)型超級(jí)電容變備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)所需最小能量。
在工程設(shè)計(jì)中，還有兩方面的問題需要考慮：①能量裕量，由于電容在使用過程中，內(nèi)阻會(huì)增加，容量會(huì)減少。當(dāng)電容容量下降20%時(shí)，電容將不能正常使用，因此通常在設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮能量裕量的問題；②收槳次數(shù)，根據(jù)《NBT 31018—2011風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電動(dòng)變槳控制技術(shù)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定：電容組的容量應(yīng)滿足槳葉在規(guī)定載荷情況下完成1次以上順槳?jiǎng)幼鞯囊?。但通常在工程設(shè)計(jì)取2～3次的收槳能力，本替換方案則按照2次收槳進(jìn)行設(shè)計(jì)。
綜上所述，本替換方案中8215機(jī)型超級(jí)電容備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)所需要提供的最小能量為206kJ。
2）超級(jí)電容模組選擇
超級(jí)電容模組所含能釋放的能量按照式（4）進(jìn)行計(jì)算，即
（4）
式中，E為超級(jí)電容模組所含能量，J；C為超級(jí)電容模組容值，F(xiàn)；在工程計(jì)算中，通常將其看成定值即：環(huán)境溫度為25℃時(shí)，恒流放電時(shí)的容值；U1為超級(jí)電容放電起始端電壓，V；U2為超級(jí)電容放電終止端電壓，V。
由于備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)是給變槳系統(tǒng)提供順槳所需的能量，因此在超級(jí)電容放電終止端電壓的選擇上應(yīng)能確保變槳驅(qū)動(dòng)器正常工作。SL1500機(jī)組變槳系統(tǒng)使用的是KEB的驅(qū)動(dòng)器，其直流母線正常工作的最小電壓為240V DC。超級(jí)電容放電起始端點(diǎn)壓等于備用直流穩(wěn)壓電源的充電裝置的輸出電壓。因此本替換技術(shù)取超級(jí)電容放電終止端點(diǎn)壓為250V DC，超級(jí)電容放電起始電壓為400VDC。
根據(jù)上面的電壓以及能量要求，本替換技術(shù)選取的電容模組單體參數(shù)見表1。
表1 電容模組單體參數(shù)表
電容模組采用3串2并的連接方式，其額定電壓為405V DC，根據(jù)式（4）計(jì)算可得到電容模組所含能量為223kJ＞206kJ，因此該連接方式可以滿足超級(jí)電容放電起始電壓和模組容量的要求。
2.2 充電管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1）設(shè)計(jì)充電管理系統(tǒng)的原因
根據(jù)式（4）可以看出，超級(jí)電容模組的電壓可以表征其所含能量的大小。同時(shí)考慮到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組備用直流穩(wěn)壓電源的工作方式為在線式、充電方式為浮充式，因此對(duì)于超級(jí)電容模組的充電器的輸出電壓控制精度要求高，穩(wěn)壓精度＜0.6%。而SL1500機(jī)組備用直流穩(wěn)壓電源充電回路采用三相整流橋輔助以限流電阻的形式（如圖2所示）對(duì)充電機(jī)充電鉛酸蓄電池模組進(jìn)行充電。
圖2 原SL1500充電機(jī)充電鉛酸蓄電池備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)
根據(jù)圖2所示，原SL1500機(jī)組備用直流穩(wěn)壓電源的充電方式易受到電源電壓波動(dòng)的影響，根據(jù)《NBT 31018—2011風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電動(dòng)變槳控制技術(shù)規(guī)范》第4.1.5.1條交流電源相關(guān)規(guī)定：電源電壓允許波動(dòng)范圍：電壓額定值的?15%～+10%。同時(shí)限流電阻阻值受溫度等因素影響而該充電方式缺乏對(duì)電阻阻值的溫度補(bǔ)償，因此如果沿用原SL1500機(jī)組的備用直流穩(wěn)壓電源充電方式為超級(jí)電容模組進(jìn)行充電，則無法滿足超級(jí)電容備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)對(duì)模組端點(diǎn)壓的要求，需要重新設(shè)計(jì)超級(jí)電容備用直流穩(wěn)壓電源的充電系統(tǒng)。
2）充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)
（1）充電系統(tǒng)工作原理
在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組起動(dòng)前，充電系統(tǒng)將為超級(jí)電容模組充電，當(dāng)超級(jí)電容電壓達(dá)到額定值時(shí)，認(rèn)為超級(jí)電容模組能量已充滿，滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)組起動(dòng)條件。隨后充電系統(tǒng)將進(jìn)入浮充狀態(tài)，以便超級(jí)電容模組時(shí)刻保持能量充滿的狀態(tài)，如圖3所示。
圖3 充電系統(tǒng)與超級(jí)電容模組充電方式
（2）充電電路設(shè)計(jì)以及充電器選型
超級(jí)電容模組充電電路主要由超級(jí)電容充電器以及電源電路、信號(hào)電路構(gòu)成，如圖4所示。
圖4 充電系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)示意圖
超級(jí)電容充電器的作用在于，當(dāng)交流電源發(fā)生波動(dòng)的時(shí)候依然能夠?qū)⒔涣麟娫崔D(zhuǎn)換成超級(jí)電容模組設(shè)計(jì)電壓，為超級(jí)電容充電。
電源電路包括輸入電路和輸出電路，輸入采用單相230V AC 50Hz交流電源，線路中加入斷路器作為保護(hù)器件，輸出電路采用直流輸出，直接連接超級(jí)電容模組。
信號(hào)電路包括狀態(tài)反饋和控制信號(hào)，狀態(tài)反饋包括超級(jí)電容充電器輸出正常、超級(jí)電容是否充滿的信號(hào)?？刂菩盘?hào)是指充電器禁止輸出信號(hào)。具體控制邏輯示意圖如圖5所示。
圖5 超級(jí)電容充電器控制邏輯示意圖
根據(jù)電容參數(shù)以及電源電路和信號(hào)電路要求，充電器選型參數(shù)見表2。
表2 充電器選型參數(shù)
（3）充電器固定
由于目前行業(yè)中采用的充電器尺寸都比較大，而其本身SL1500風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊密且放置備用直流穩(wěn)壓電源模組的位置控制有限，使其無法安裝和維護(hù)，因此本技術(shù)采用將充電系統(tǒng)放置于SL1500系統(tǒng)300控制柜中并設(shè)計(jì)一套充電器固定套件，用于固定充電器。充電器固定套件包括支撐橫梁以及固定組件，分別如圖6、圖7所示。
圖6 支撐橫梁
圖7 充電器固定組件
支撐橫梁是根據(jù)SL1500機(jī)艙控制柜的尺寸具體充電器大小所設(shè)計(jì)。同時(shí)考慮拆卸和維護(hù)的方便性，將橫梁支撐面向外延伸20mm，以方便于拆卸和維護(hù)。
充電器固定組件有兩個(gè)Z字型卡件構(gòu)成，結(jié)構(gòu)對(duì)稱。兩邊各有一個(gè)15mm寬通孔，方便固定組件左右調(diào)節(jié)，同時(shí)中間部位采用直徑為10mm通孔，已適應(yīng)充電器寬度尺寸不一致的情況。在安裝方面，該固定組件的設(shè)計(jì)可以使充電器從X、Y兩個(gè)方向任意固定。從X方向固定時(shí)，只需將右半邊組件拆除，待充電器安裝完畢后再將其安裝上即可。
2.3 超級(jí)電容柜設(shè)計(jì)
1）設(shè)計(jì)超級(jí)電容柜的原因
SL1500機(jī)組原充電機(jī)充電鉛酸蓄電池備用直流穩(wěn)壓電源柜位于機(jī)艙尾部、發(fā)電機(jī)下側(cè)，采用760mm×600mm×200mm的柜體。由于超級(jí)電容模組的安定方式與安裝尺寸和充電機(jī)充電鉛酸蓄電池都存在不同，所以該柜體無法安裝超級(jí)電容模組，因此需要重新設(shè)計(jì)柜體。
2）超級(jí)電容柜設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述
本技術(shù)中提出雙層結(jié)構(gòu)并附加以觀察維護(hù)孔的形式來設(shè)計(jì)超級(jí)電容柜，具體如圖8所示。柜體采用760mm×600mm×350mm的柜體，通過中間安置水平安裝板將柜體分為底部和上部?jī)刹糠?。底部安裝有6個(gè)超級(jí)電容模組，采用3串2并的方式，模組間留有10mm間隔以便于空氣流通。柜體左側(cè)安裝有用于空氣流通的風(fēng)扇，柜體右側(cè)作為超級(jí)電容柜出線口。
圖8 超級(jí)電容柜柜體結(jié)構(gòu)示意圖
超級(jí)電容柜上部為器件安裝區(qū)，安裝有主電接線端子、信號(hào)接線端子、電容保護(hù)熔斷器、內(nèi)循環(huán)風(fēng)扇保護(hù)斷路器等。同時(shí)考慮到超級(jí)電容的可維護(hù)性，特別設(shè)置了觀察維護(hù)孔，如圖9所示。維護(hù)人員可通過該觀察維護(hù)孔，完成對(duì)超級(jí)電容模組的電壓、信號(hào)測(cè)量以及二次接線工作。
圖9 超級(jí)電容柜上層板結(jié)構(gòu)示意圖
3 風(fēng)場(chǎng)驗(yàn)證
該SL1500機(jī)組超級(jí)電容備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)替換充電機(jī)充電鉛酸蓄電池備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)在甘肅某風(fēng)場(chǎng)SL1500-82機(jī)組上得到測(cè)試以及應(yīng)用，測(cè)試分為充電測(cè)試、收槳能力測(cè)試兩部。在應(yīng)用上進(jìn)行近兩個(gè)月的故障統(tǒng)計(jì)以說明該技術(shù)的可靠性。
3.1 充電測(cè)試
充電測(cè)試主要測(cè)試其系統(tǒng)充電能力以及充電時(shí)間，因此測(cè)試是從超級(jí)電容模組電壓為0開始，以超級(jí)電容模組電壓達(dá)到設(shè)計(jì)電壓為止進(jìn)行的，具體數(shù)據(jù)如圖10所示。
圖10 超級(jí)電容模組充電曲線圖
根據(jù)圖10數(shù)據(jù)可以得到以下結(jié)論：超級(jí)電容模組充電起始電壓為0，充電終止電壓為405.18V DC，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，整個(gè)充電過程所用時(shí)間為721.5s，約為12.025min。
3.2 收槳能力測(cè)試
在能量設(shè)計(jì)的時(shí)候，超級(jí)電容模組所含能量就是能夠保證SL1500機(jī)組連續(xù)兩次收槳，因此測(cè)試時(shí)也按照連續(xù)兩次收槳進(jìn)行測(cè)試，具體數(shù)據(jù)分別如圖11、圖12所示。
圖11 超級(jí)電容模組連續(xù)兩次收槳電壓曲線圖
圖12 連續(xù)兩次收槳能力測(cè)試槳葉位置曲線
針對(duì)圖11、圖12的數(shù)據(jù)分析如下。
1）第一次收槳開始時(shí)，超級(jí)電容電壓為405.5V DC，當(dāng)三個(gè)槳葉收槳至90°時(shí)，超級(jí)電容電壓為375.77V DC。根據(jù)計(jì)算，電壓下降幅度為29.95VDC所消耗能量為50.2kJ。
2）第二次收槳開始時(shí)，超級(jí)電容電壓為367.43V DC，當(dāng)3個(gè)槳葉收槳至90°時(shí)，超級(jí)電容電壓為337.19V DC。根據(jù)計(jì)算，電壓下降幅度為30.24V，所消耗能量為46.876kJ。
3）經(jīng)過連續(xù)兩次收槳后，剩余能量為112.6kJ。
通過以上數(shù)據(jù)可以驗(yàn)證該替換技術(shù)能夠滿足SL1500機(jī)組連續(xù)兩次收槳。
3.3 故障統(tǒng)計(jì)
目前該替換技術(shù)已經(jīng)在甘肅某風(fēng)場(chǎng)中的兩臺(tái)風(fēng)機(jī)上得到應(yīng)用。在經(jīng)過近一個(gè)季度的運(yùn)行中，發(fā)生超級(jí)電容備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)技術(shù)故障為零，從而說明替換后的超級(jí)電容備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，從而確保SL1500機(jī)組安全可靠運(yùn)行。
4 結(jié)論
本文針對(duì)SL1500機(jī)組的運(yùn)行中所暴露出充電機(jī)充電鉛酸蓄電池備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)相關(guān)故障，提出了利用超級(jí)電容備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)替換充電機(jī)充電鉛酸蓄電池備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的技術(shù)。同時(shí)對(duì)替換技術(shù)中設(shè)計(jì)到的電容能量計(jì)算和選型、充電系統(tǒng)、超級(jí)電容柜進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)描述。
最后通過風(fēng)場(chǎng)測(cè)試以證明：針對(duì)SL1500機(jī)組，該超級(jí)電容備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)替換鉛酸蓄備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的技術(shù)切實(shí)可行，能夠在滿足風(fēng)機(jī)對(duì)備用直流穩(wěn)壓電源的需求同時(shí)降低原充電機(jī)充電鉛酸蓄電池備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)相關(guān)故障，加快了備用直流穩(wěn)壓電源充電速度，從而保證了SL1500機(jī)組安全可靠運(yùn)行，因此該技術(shù)方案具有推廣價(jià)值。
因此本文以SL1500風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，提出針對(duì)SL1500風(fēng)機(jī)的充電機(jī)充電鉛酸蓄電池備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)更換為超級(jí)電容備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的技術(shù)方案，并從能量計(jì)算及超級(jí)電容模組選擇、充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、超級(jí)電容柜柜體設(shè)計(jì)3個(gè)方面對(duì)該技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)描述。最后通過在SL1500機(jī)組上測(cè)試以及對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)分析，從而證明該替換解決方案具有可行性、具有推廣的價(jià)值。
目前并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)主要有兩種形式：①采用超級(jí)電容作為備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)；②采用充電機(jī)充電鉛酸蓄電池作為備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)。前者在早期的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中普遍采用，其具有壽命長(zhǎng)、無記憶效應(yīng)、運(yùn)行溫度寬、充電速度快、功率密度大等優(yōu)點(diǎn)，但是價(jià)格較充電機(jī)充電鉛酸蓄電池要高。因此部分整機(jī)廠家采用了充電機(jī)充電鉛酸蓄電池作為備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)。
充電機(jī)充電鉛酸蓄電池本身易受溫度影響，且充電時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)的缺點(diǎn)，使得風(fēng)機(jī)在運(yùn)行2～3年后頻繁報(bào)出相關(guān)故障，導(dǎo)致風(fēng)電廠想將充電機(jī)充電鉛酸蓄電池備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)更換成超級(jí)電容備電系統(tǒng)。本文就是在此背景下，針對(duì)SL1500機(jī)組進(jìn)行研究后提出SL1500機(jī)組超級(jí)電容備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)替換充電機(jī)充電鉛酸蓄電池備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的技術(shù)方案。
1 替換方案的綜合研究概述
SL1500機(jī)組是華銳風(fēng)電制造的1.5MW并網(wǎng)型雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，該機(jī)組的備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)主要由采用30節(jié)12V 5.2Ah的充電機(jī)充電鉛酸蓄電池串聯(lián)構(gòu)成機(jī)組的備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)，其主要作用在于當(dāng)機(jī)組發(fā)生電網(wǎng)掉電、電網(wǎng)質(zhì)量相關(guān)故障時(shí)，為變槳系統(tǒng)提供后備能量使變槳系統(tǒng)將槳葉順槳至安全位置，確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組處于安全狀態(tài)。
從系統(tǒng)構(gòu)成上細(xì)分，該系統(tǒng)主要由充電管理子系統(tǒng)、放電管理子系統(tǒng)、蓄電池檢測(cè)子系統(tǒng)、能量存儲(chǔ)子系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。這4個(gè)子系統(tǒng)安裝位置也有不同，其中充電管理子系統(tǒng)、放電管理子系統(tǒng)、蓄電池檢測(cè)子系統(tǒng)位于機(jī)艙310柜，能量存儲(chǔ)子系統(tǒng)位于機(jī)艙后部與發(fā)電機(jī)下側(cè)的結(jié)合部。
圖1 SL1500充電機(jī)充電鉛酸蓄電池備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)構(gòu)成示意圖
由于目前充電機(jī)充電鉛酸蓄電池和超級(jí)電容在各產(chǎn)品的尺寸和存儲(chǔ)能量的方式以及充電的要求方面各有不同，因此本替換技術(shù)在以下幾個(gè)方面做了研究。
1）能量計(jì)算和超級(jí)電容模組選型。
2）重新設(shè)計(jì)了基于超級(jí)電容的充電系統(tǒng)，并根據(jù)SL1500機(jī)組布局特點(diǎn)設(shè)計(jì)了相應(yīng)充電器的固定支架。
3）對(duì)超級(jí)電容柜柜體進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，以滿足對(duì)超級(jí)電容模組安裝固定的要求。
4）對(duì)原有SL1500充電機(jī)充電鉛酸蓄電池備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)電路進(jìn)行優(yōu)化。
2 替換方案詳細(xì)闡述
2.1 能量計(jì)算和超級(jí)電容模組選擇
1）能量計(jì)算
能量計(jì)算包括兩個(gè)部分，即理論計(jì)算和動(dòng)態(tài)仿真。本替換方案的研究對(duì)象為SL1500系列機(jī)組中的8215機(jī)型，其能量計(jì)算主要設(shè)計(jì)到的參數(shù)有變槳減速器的減速比、變槳回轉(zhuǎn)支撐的齒數(shù)、變槳減速器的齒數(shù)。詳細(xì)闡述如下。
（1）理論計(jì)算
假定當(dāng)變槳系統(tǒng)主電發(fā)生掉電故障，槳葉以緊急收槳的速度從0°位置回槳至安全位置即90°，則利用下面公式：
（1）
式中，E為槳葉從0°回到安全位置所需能量，kJ；T為變槳電機(jī)額定扭矩，N·m；W為變槳電機(jī)收槳時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速（通過緊急收槳速度、變槳減速器的減速比、齒數(shù)以及變槳回轉(zhuǎn)支撐的齒數(shù)的關(guān)系換算而來），r/min；?1為驅(qū)動(dòng)器效率；?2為變槳電機(jī)效率；t為緊急順槳時(shí)間（通過式（2）計(jì)算而來），s。
（2）
通過上式計(jì)算可以得到8215機(jī)型槳葉回槳一次所需能量為86kJ。
（2）動(dòng)態(tài)仿真
根據(jù)GB 18451.1—2001中7.4規(guī)定的載荷相關(guān)規(guī)定，以極端風(fēng)速作為參考標(biāo)準(zhǔn)并利用下面公式：
（3）
式中，E為槳葉從0°回到安全位置所需能量，kJ；Ti為i時(shí)刻時(shí)變槳電機(jī)的扭矩值，N·m；Wi為i時(shí)刻時(shí)變槳電機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min；t為N個(gè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)間隔時(shí)間，s。
通過對(duì)相關(guān)載荷的仿真計(jì)算，選擇出所需要能量最大的工況的能量值作為動(dòng)態(tài)仿真需要的能量值。本替換方案中動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果為72.6kJ。
通過對(duì)理論計(jì)算和仿真計(jì)算，選取最大能量值為8215機(jī)型超級(jí)電容變備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)所需最小能量。
在工程設(shè)計(jì)中，還有兩方面的問題需要考慮：①能量裕量，由于電容在使用過程中，內(nèi)阻會(huì)增加，容量會(huì)減少。當(dāng)電容容量下降20%時(shí)，電容將不能正常使用，因此通常在設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮能量裕量的問題；②收槳次數(shù)，根據(jù)《NBT 31018—2011風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電動(dòng)變槳控制技術(shù)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定：電容組的容量應(yīng)滿足槳葉在規(guī)定載荷情況下完成1次以上順槳?jiǎng)幼鞯囊?。但通常在工程設(shè)計(jì)取2～3次的收槳能力，本替換方案則按照2次收槳進(jìn)行設(shè)計(jì)。
綜上所述，本替換方案中8215機(jī)型超級(jí)電容備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)所需要提供的最小能量為206kJ。
2）超級(jí)電容模組選擇
超級(jí)電容模組所含能釋放的能量按照式（4）進(jìn)行計(jì)算，即
（4）
式中，E為超級(jí)電容模組所含能量，J；C為超級(jí)電容模組容值，F(xiàn)；在工程計(jì)算中，通常將其看成定值即：環(huán)境溫度為25℃時(shí)，恒流放電時(shí)的容值；U1為超級(jí)電容放電起始端電壓，V；U2為超級(jí)電容放電終止端電壓，V。
由于備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)是給變槳系統(tǒng)提供順槳所需的能量，因此在超級(jí)電容放電終止端電壓的選擇上應(yīng)能確保變槳驅(qū)動(dòng)器正常工作。SL1500機(jī)組變槳系統(tǒng)使用的是KEB的驅(qū)動(dòng)器，其直流母線正常工作的最小電壓為240V DC。超級(jí)電容放電起始端點(diǎn)壓等于備用直流穩(wěn)壓電源的充電裝置的輸出電壓。因此本替換技術(shù)取超級(jí)電容放電終止端點(diǎn)壓為250V DC，超級(jí)電容放電起始電壓為400VDC。
根據(jù)上面的電壓以及能量要求，本替換技術(shù)選取的電容模組單體參數(shù)見表1。
表1 電容模組單體參數(shù)表
電容模組采用3串2并的連接方式，其額定電壓為405V DC，根據(jù)式（4）計(jì)算可得到電容模組所含能量為223kJ＞206kJ，因此該連接方式可以滿足超級(jí)電容放電起始電壓和模組容量的要求。
2.2 充電管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1）設(shè)計(jì)充電管理系統(tǒng)的原因
根據(jù)式（4）可以看出，超級(jí)電容模組的電壓可以表征其所含能量的大小。同時(shí)考慮到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組備用直流穩(wěn)壓電源的工作方式為在線式、充電方式為浮充式，因此對(duì)于超級(jí)電容模組的充電器的輸出電壓控制精度要求高，穩(wěn)壓精度＜0.6%。而SL1500機(jī)組備用直流穩(wěn)壓電源充電回路采用三相整流橋輔助以限流電阻的形式（如圖2所示）對(duì)充電機(jī)充電鉛酸蓄電池模組進(jìn)行充電。
圖2 原SL1500充電機(jī)充電鉛酸蓄電池備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)
根據(jù)圖2所示，原SL1500機(jī)組備用直流穩(wěn)壓電源的充電方式易受到電源電壓波動(dòng)的影響，根據(jù)《NBT 31018—2011風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電動(dòng)變槳控制技術(shù)規(guī)范》第4.1.5.1條交流電源相關(guān)規(guī)定：電源電壓允許波動(dòng)范圍：電壓額定值的?15%～+10%。同時(shí)限流電阻阻值受溫度等因素影響而該充電方式缺乏對(duì)電阻阻值的溫度補(bǔ)償，因此如果沿用原SL1500機(jī)組的備用直流穩(wěn)壓電源充電方式為超級(jí)電容模組進(jìn)行充電，則無法滿足超級(jí)電容備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)對(duì)模組端點(diǎn)壓的要求，需要重新設(shè)計(jì)超級(jí)電容備用直流穩(wěn)壓電源的充電系統(tǒng)。
2）充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)
（1）充電系統(tǒng)工作原理
在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組起動(dòng)前，充電系統(tǒng)將為超級(jí)電容模組充電，當(dāng)超級(jí)電容電壓達(dá)到額定值時(shí)，認(rèn)為超級(jí)電容模組能量已充滿，滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)組起動(dòng)條件。隨后充電系統(tǒng)將進(jìn)入浮充狀態(tài)，以便超級(jí)電容模組時(shí)刻保持能量充滿的狀態(tài)，如圖3所示。
圖3 充電系統(tǒng)與超級(jí)電容模組充電方式
（2）充電電路設(shè)計(jì)以及充電器選型
超級(jí)電容模組充電電路主要由超級(jí)電容充電器以及電源電路、信號(hào)電路構(gòu)成，如圖4所示。
圖4 充電系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)示意圖
超級(jí)電容充電器的作用在于，當(dāng)交流電源發(fā)生波動(dòng)的時(shí)候依然能夠?qū)⒔涣麟娫崔D(zhuǎn)換成超級(jí)電容模組設(shè)計(jì)電壓，為超級(jí)電容充電。
電源電路包括輸入電路和輸出電路，輸入采用單相230V AC 50Hz交流電源，線路中加入斷路器作為保護(hù)器件，輸出電路采用直流輸出，直接連接超級(jí)電容模組。
信號(hào)電路包括狀態(tài)反饋和控制信號(hào)，狀態(tài)反饋包括超級(jí)電容充電器輸出正常、超級(jí)電容是否充滿的信號(hào)?？刂菩盘?hào)是指充電器禁止輸出信號(hào)。具體控制邏輯示意圖如圖5所示。
圖5 超級(jí)電容充電器控制邏輯示意圖
根據(jù)電容參數(shù)以及電源電路和信號(hào)電路要求，充電器選型參數(shù)見表2。
表2 充電器選型參數(shù)
（3）充電器固定
由于目前行業(yè)中采用的充電器尺寸都比較大，而其本身SL1500風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊密且放置備用直流穩(wěn)壓電源模組的位置控制有限，使其無法安裝和維護(hù)，因此本技術(shù)采用將充電系統(tǒng)放置于SL1500系統(tǒng)300控制柜中并設(shè)計(jì)一套充電器固定套件，用于固定充電器。充電器固定套件包括支撐橫梁以及固定組件，分別如圖6、圖7所示。
圖6 支撐橫梁
圖7 充電器固定組件
支撐橫梁是根據(jù)SL1500機(jī)艙控制柜的尺寸具體充電器大小所設(shè)計(jì)。同時(shí)考慮拆卸和維護(hù)的方便性，將橫梁支撐面向外延伸20mm，以方便于拆卸和維護(hù)。
充電器固定組件有兩個(gè)Z字型卡件構(gòu)成，結(jié)構(gòu)對(duì)稱。兩邊各有一個(gè)15mm寬通孔，方便固定組件左右調(diào)節(jié)，同時(shí)中間部位采用直徑為10mm通孔，已適應(yīng)充電器寬度尺寸不一致的情況。在安裝方面，該固定組件的設(shè)計(jì)可以使充電器從X、Y兩個(gè)方向任意固定。從X方向固定時(shí)，只需將右半邊組件拆除，待充電器安裝完畢后再將其安裝上即可。
2.3 超級(jí)電容柜設(shè)計(jì)
1）設(shè)計(jì)超級(jí)電容柜的原因
SL1500機(jī)組原充電機(jī)充電鉛酸蓄電池備用直流穩(wěn)壓電源柜位于機(jī)艙尾部、發(fā)電機(jī)下側(cè)，采用760mm×600mm×200mm的柜體。由于超級(jí)電容模組的安定方式與安裝尺寸和充電機(jī)充電鉛酸蓄電池都存在不同，所以該柜體無法安裝超級(jí)電容模組，因此需要重新設(shè)計(jì)柜體。
2）超級(jí)電容柜設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述
本技術(shù)中提出雙層結(jié)構(gòu)并附加以觀察維護(hù)孔的形式來設(shè)計(jì)超級(jí)電容柜，具體如圖8所示。柜體采用760mm×600mm×350mm的柜體，通過中間安置水平安裝板將柜體分為底部和上部?jī)刹糠?。底部安裝有6個(gè)超級(jí)電容模組，采用3串2并的方式，模組間留有10mm間隔以便于空氣流通。柜體左側(cè)安裝有用于空氣流通的風(fēng)扇，柜體右側(cè)作為超級(jí)電容柜出線口。
圖8 超級(jí)電容柜柜體結(jié)構(gòu)示意圖
超級(jí)電容柜上部為器件安裝區(qū)，安裝有主電接線端子、信號(hào)接線端子、電容保護(hù)熔斷器、內(nèi)循環(huán)風(fēng)扇保護(hù)斷路器等。同時(shí)考慮到超級(jí)電容的可維護(hù)性，特別設(shè)置了觀察維護(hù)孔，如圖9所示。維護(hù)人員可通過該觀察維護(hù)孔，完成對(duì)超級(jí)電容模組的電壓、信號(hào)測(cè)量以及二次接線工作。
圖9 超級(jí)電容柜上層板結(jié)構(gòu)示意圖
3 風(fēng)場(chǎng)驗(yàn)證
該SL1500機(jī)組超級(jí)電容備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)替換充電機(jī)充電鉛酸蓄電池備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)在甘肅某風(fēng)場(chǎng)SL1500-82機(jī)組上得到測(cè)試以及應(yīng)用，測(cè)試分為充電測(cè)試、收槳能力測(cè)試兩部。在應(yīng)用上進(jìn)行近兩個(gè)月的故障統(tǒng)計(jì)以說明該技術(shù)的可靠性。
3.1 充電測(cè)試
充電測(cè)試主要測(cè)試其系統(tǒng)充電能力以及充電時(shí)間，因此測(cè)試是從超級(jí)電容模組電壓為0開始，以超級(jí)電容模組電壓達(dá)到設(shè)計(jì)電壓為止進(jìn)行的，具體數(shù)據(jù)如圖10所示。
圖10 超級(jí)電容模組充電曲線圖
根據(jù)圖10數(shù)據(jù)可以得到以下結(jié)論：超級(jí)電容模組充電起始電壓為0，充電終止電壓為405.18V DC，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，整個(gè)充電過程所用時(shí)間為721.5s，約為12.025min。
3.2 收槳能力測(cè)試
在能量設(shè)計(jì)的時(shí)候，超級(jí)電容模組所含能量就是能夠保證SL1500機(jī)組連續(xù)兩次收槳，因此測(cè)試時(shí)也按照連續(xù)兩次收槳進(jìn)行測(cè)試，具體數(shù)據(jù)分別如圖11、圖12所示。
圖11 超級(jí)電容模組連續(xù)兩次收槳電壓曲線圖
圖12 連續(xù)兩次收槳能力測(cè)試槳葉位置曲線
針對(duì)圖11、圖12的數(shù)據(jù)分析如下。
1）第一次收槳開始時(shí)，超級(jí)電容電壓為405.5V DC，當(dāng)三個(gè)槳葉收槳至90°時(shí)，超級(jí)電容電壓為375.77V DC。根據(jù)計(jì)算，電壓下降幅度為29.95VDC所消耗能量為50.2kJ。
2）第二次收槳開始時(shí)，超級(jí)電容電壓為367.43V DC，當(dāng)3個(gè)槳葉收槳至90°時(shí)，超級(jí)電容電壓為337.19V DC。根據(jù)計(jì)算，電壓下降幅度為30.24V，所消耗能量為46.876kJ。
3）經(jīng)過連續(xù)兩次收槳后，剩余能量為112.6kJ。
通過以上數(shù)據(jù)可以驗(yàn)證該替換技術(shù)能夠滿足SL1500機(jī)組連續(xù)兩次收槳。
3.3 故障統(tǒng)計(jì)
目前該替換技術(shù)已經(jīng)在甘肅某風(fēng)場(chǎng)中的兩臺(tái)風(fēng)機(jī)上得到應(yīng)用。在經(jīng)過近一個(gè)季度的運(yùn)行中，發(fā)生超級(jí)電容備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)技術(shù)故障為零，從而說明替換后的超級(jí)電容備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，從而確保SL1500機(jī)組安全可靠運(yùn)行。
4 結(jié)論
本文針對(duì)SL1500機(jī)組的運(yùn)行中所暴露出充電機(jī)充電鉛酸蓄電池備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)相關(guān)故障，提出了利用超級(jí)電容備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)替換充電機(jī)充電鉛酸蓄電池備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的技術(shù)。同時(shí)對(duì)替換技術(shù)中設(shè)計(jì)到的電容能量計(jì)算和選型、充電系統(tǒng)、超級(jí)電容柜進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)描述。
最后通過風(fēng)場(chǎng)測(cè)試以證明：針對(duì)SL1500機(jī)組，該超級(jí)電容備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)替換鉛酸蓄備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的技術(shù)切實(shí)可行，能夠在滿足風(fēng)機(jī)對(duì)備用直流穩(wěn)壓電源的需求同時(shí)降低原充電機(jī)充電鉛酸蓄電池備用直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)相關(guān)故障，加快了備用直流穩(wěn)壓電源充電速度，從而保證了SL1500機(jī)組安全可靠運(yùn)行，因此該技術(shù)方案具有推廣價(jià)值。
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