隨著能源危機(jī)的加劇，可再生能源發(fā)展迅速，風(fēng)電系統(tǒng)的規(guī)模也不斷加大。據(jù)統(tǒng)計(jì)2015年，國(guó)內(nèi)新增裝機(jī)量3050萬(wàn)千瓦，同比增加31.5%，累積裝機(jī)量1.45億千瓦。隨著風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)與制造技術(shù)也日臻完善，其中使用超級(jí)電容做儲(chǔ)能的變槳系統(tǒng)也非常普遍。變槳系統(tǒng)的后備儲(chǔ)能設(shè)備，對(duì)風(fēng)機(jī)的安全與非常重要，其可靠性也就起來(lái)越重要。為提升超級(jí)電容的可靠性那么風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中電容的實(shí)時(shí)檢測(cè)作用突顯。本文就針對(duì)電容的電壓與容值兩個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的測(cè)試方案進(jìn)行淺析。
電壓：該模組有無(wú)過(guò)壓與欠壓、單個(gè)模組有無(wú)過(guò)壓與欠壓、模組之間電壓是否平衡。
容值：是否滿足電容最低容值（即最少滿足風(fēng)機(jī)1.5次安全收槳）。
常見(jiàn)的電容模組可靠性測(cè)試方案
通過(guò)充電器檢測(cè)
原理：通過(guò)充電器充電檢測(cè)超級(jí)電容模組電壓，并計(jì)算超級(jí)電容模組容值。
方法：
充電器檢測(cè)電容模組電壓是否正常，檢測(cè)所得電容電壓應(yīng)滿足公式：Umin<U<Umax
Umin:超級(jí)電容模組最小允許電壓(一般滿足變槳電機(jī)1.5次收槳電壓)。
Umax:超級(jí)電容模組最大允許電壓（例如：不能超過(guò)額定電壓10V）。
否則該電容模組電壓異常。
根據(jù)公式: c1=I1×(t2-t1)/(U1-U2)得到超級(jí)電容模組在以I1＝3A充電時(shí)的總?cè)萘浚渲蠻1＝80%UR,U2=40%UR,t1、t2充電過(guò)程中的時(shí)間點(diǎn)，UR為超級(jí)電容模組的額定電壓。（見(jiàn)電容容值計(jì)算示意圖）
根據(jù)公式: c2=I2×(t4-t3)/(U1-U2)得到超級(jí)電容模組在以I1＝4A（該值不固定）放電時(shí)的總?cè)萘浚渲蠻1＝80%UR,U2=40%UR,t1、t2放電過(guò)程中的時(shí)間點(diǎn)，UR為超級(jí)電容模組的額定電壓。
（電容容值計(jì)算示意圖）
求兩次以上不同電流的放電與多次充電計(jì)算所得超級(jí)電容模組容值平均值為：△C＝(C1+C2+?)/n。
計(jì)算△C與該超級(jí)電容模組設(shè)計(jì)容值偏差系數(shù)，
應(yīng)滿足：
Pc= (△C)/C<20%
則該電容模組容值正常。
優(yōu)點(diǎn)：充放電過(guò)程中容值測(cè)量較為精準(zhǔn).充電器能獨(dú)立完成測(cè)試，操作過(guò)程簡(jiǎn)單，不需要變槳與主控制參與過(guò)多控制。
缺點(diǎn)：為保證風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行，其過(guò)程中電容電壓一直處于正常電壓狀態(tài)，很難實(shí)現(xiàn)完整的充放電過(guò)程，電壓可能因充電檢測(cè)回路或者通訊回路異常而測(cè)試不精準(zhǔn)，同時(shí)容值也無(wú)法精確計(jì)算。即使完全實(shí)現(xiàn)上述過(guò)程風(fēng)機(jī)也將較長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)無(wú)法操作，影響該風(fēng)機(jī)的發(fā)電量。
通過(guò)電容檢測(cè)模塊檢測(cè)
原理：超級(jí)電容模組供電回路增加霍爾傳感器（即電流檢測(cè)設(shè)備）用以檢測(cè)該模組的充放電電流，通過(guò)電容監(jiān)視模塊檢測(cè)該電容模組的電壓，并計(jì)算超級(jí)電容模組容值。
方法：
電容監(jiān)視模塊檢測(cè)電容模組電壓是否正常，增加分電壓檢測(cè)回路。（即增加一個(gè)檢測(cè)5個(gè)橫組中的兩個(gè)模組電壓，見(jiàn)電壓檢測(cè)回路示意圖）
檢測(cè)所得的電容電壓與分電壓應(yīng)滿足公式：
Umin<U<Umax與
Umin×2/5<U1<Umax×2/5。
否則該電容模組電壓異常。(2/5：分電壓檢測(cè)回路檢測(cè)了2個(gè)模組的電壓，其分壓U1就應(yīng)該滿足總電壓2/5U的各項(xiàng)指標(biāo)。其增加了電容模組的電壓平衡性檢測(cè)。)
（電容電壓檢測(cè)回路示意圖）
采集充放電時(shí)電流I.計(jì)算該超級(jí)電容的容值△C其計(jì)算的方法與使用充電器檢測(cè)時(shí)的計(jì)算方法一致。
通過(guò)計(jì)算所得容值△C上傳至變槳系統(tǒng)控制器，計(jì)算該超級(jí)電容模組設(shè)計(jì)容值偏差系數(shù)，應(yīng)滿足：
PC=(△C)/C<20%
則該電容模組容值正常。
優(yōu)點(diǎn)：超級(jí)電容模組電壓檢測(cè)更為精確，同時(shí)還能檢測(cè)該模組電壓的平衡性，充放電過(guò)程中容值測(cè)量較為精準(zhǔn)，對(duì)充電器要求比較低，也不需要變槳與主控制參與過(guò)多控制。
缺點(diǎn)：增加了檢測(cè)設(shè)備（即增加了成本），同時(shí)與充電器檢測(cè)方法缺點(diǎn)一樣，風(fēng)機(jī)在正常運(yùn)行過(guò)程中其超級(jí)電容模組電壓一直處于正常電壓狀態(tài)，很難實(shí)現(xiàn)完整的充放電過(guò)程，同時(shí)電壓可能因電容監(jiān)視模塊檢測(cè)回路或通訊回路異常而測(cè)試不精準(zhǔn)，增加風(fēng)機(jī)故障率，其容值也就無(wú)法精確計(jì)算。即使完全實(shí)現(xiàn)上述過(guò)程風(fēng)機(jī)也將較長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)無(wú)法操作，影響該風(fēng)機(jī)的發(fā)電量。
較新型的電容模組可靠性測(cè)試方案
原理：使用變槳驅(qū)動(dòng)器給超級(jí)電容模組充電，并檢測(cè)其電壓與分電壓。利用超級(jí)電容模組供電，用驅(qū)動(dòng)器使用變槳電機(jī)進(jìn)行收槳或開槳測(cè)試。通過(guò)變槳電機(jī)能量消耗計(jì)算超級(jí)電容模組容值。
方法（見(jiàn)流程圖）：
(1)通過(guò)變槳驅(qū)動(dòng)器檢測(cè)超級(jí)電容模組的電壓與分電壓，該方法與電容監(jiān)視模塊采集超級(jí)電容模組電壓方法一樣，檢測(cè)所得的電容電壓與分電壓應(yīng)該滿足：
Umin<U<Umax與
Umin×2/5<U1<Umax×2/5。
否則該電容模組電壓異常。
(2)通過(guò)風(fēng)機(jī)主控選定該風(fēng)機(jī)超級(jí)電容測(cè)試時(shí)間，其要求是每168小時(shí)一次（其時(shí)間間隔可以設(shè)定，以滿足電容測(cè)試頻率為佳），時(shí)間選定為9：00與17：00之間為宜（白天利于風(fēng)機(jī)在測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)異常工作人員可以及時(shí)檢修），且30秒平均風(fēng)速應(yīng)小于該風(fēng)機(jī)最大測(cè)試風(fēng)速（一般為8m/s，主要是為風(fēng)機(jī)安全考慮）。滿足測(cè)試條件后主控將變槳停機(jī)至限位，并給出電容測(cè)試開始指令。
(3)收到主控電容測(cè)試指令后，變槳控制“槳葉1”開槳到測(cè)試槳角（一般選擇60°與70°之間，小于60°測(cè)試不通過(guò)可能影響風(fēng)機(jī)安全，大于70°電容能量消耗少測(cè)試可能不精準(zhǔn)），斷開AC400V與驅(qū)動(dòng)器的連接（通過(guò)自動(dòng)控制接觸器或者使用驅(qū)動(dòng)器的半控橋斷開AC400兩種方法均可），使用超級(jí)電容模組供電讓變槳電機(jī)以恒定速度（一般選擇3°/s 與5°/s某一恒定速度）收槳到限位（92.5度）。
(4)記錄“槳葉1”超級(jí)電容收槳前后電壓差，
其計(jì)算公式：△Uact1＝Ur1－Uact1,
Ur為收槳前超級(jí)電容模組電壓，
Uact為收槳后超級(jí)電容模組電壓。
其中△Uact1必須滿足：（見(jiàn)電容電壓差正常范圍圖）
Umax：最大變化電壓。
Tmax：電機(jī)最大力矩。
A：測(cè)試槳角。
G：變槳變比常數(shù)。
η：電機(jī)效率。
C：超級(jí)電容模組設(shè)計(jì)容值。
（電容電壓差正常范圍圖）
（控制流程圖）
通過(guò)變槳控制器計(jì)算槳1超級(jí)電容變槳過(guò)程中電容的容值△C，其計(jì)算公式如下：
ˉT：該收槳或者開過(guò)程中的電機(jī)平均扭矩。
A：測(cè)試槳角。
G：變比常數(shù)。
η：電機(jī)效率。
計(jì)算超級(jí)電容模組設(shè)計(jì)容值偏差系數(shù)，應(yīng)滿足：
則該電容模組容值正常。
重復(fù)（3）、（4）、（5）步驟分別對(duì)槳葉2、槳葉3超級(jí)電容模組進(jìn)行測(cè)試。其電壓與容值均需要滿足上述步驟內(nèi)容。測(cè)試過(guò)程中某一槳葉的△Uact與Pc不滿足運(yùn)行條件，測(cè)試終至，恢復(fù)AC400V供電，并告知控制平臺(tái)該風(fēng)機(jī)超級(jí)電容模組需要維護(hù)或者需更換。
優(yōu)點(diǎn)：減少了充電器和電容監(jiān)視設(shè)備，節(jié)約了成本，其超級(jí)電容模組電壓檢測(cè)更為精確。通過(guò)驅(qū)動(dòng)器就能判斷應(yīng)該超級(jí)電容模組能否滿足風(fēng)機(jī)安全需求。檢測(cè)通過(guò)軟件自動(dòng)觸發(fā)，無(wú)需要人工操作。檢測(cè)時(shí)間選擇多為無(wú)風(fēng)期，同時(shí)檢測(cè)周期短一次檢測(cè)時(shí)間不超過(guò)180s，不影響風(fēng)機(jī)發(fā)電量。該方案模擬了超級(jí)電容模組工作的真實(shí)情況，也能檢測(cè)了超級(jí)電容模組的工作回路，提升了風(fēng)機(jī)的安全與可靠性。
缺點(diǎn)：軟件的可靠性要求要，同時(shí)對(duì)驅(qū)動(dòng)器要求更高，驅(qū)動(dòng)器的維護(hù)成本增加。該方案計(jì)算使用的電機(jī)效率是一個(gè)固定的理論值，那么計(jì)算所得的容值會(huì)有一定的偏差，但相對(duì)超級(jí)電容電壓是額定電壓狀態(tài)時(shí)，利用充電器或電容監(jiān)視器采集的超級(jí)電容容值更為精準(zhǔn)。該方案聯(lián)動(dòng)性要求高，需要主控系統(tǒng)與變槳系統(tǒng)均對(duì)該方案 “出力”。
該方案的延伸用法：
風(fēng)機(jī)的超級(jí)電容模組使用壽命大概在5年左右，那么就需要對(duì)風(fēng)機(jī)的超級(jí)電容使用壽命做預(yù)測(cè)。利用該測(cè)試方案將每次超級(jí)電容模組測(cè)試完成后計(jì)算所得的△Uact與Pc上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)大數(shù)據(jù)分析超級(jí)電容模組的使用狀況（其具體分析方法本文不做闡述），擬合出該模組容值衰老曲線，進(jìn)一步可以預(yù)測(cè)超級(jí)電容的使用壽命，為業(yè)主對(duì)超級(jí)電容模組的使用與維護(hù)計(jì)劃做更有利的安排。
（模擬電容容值衰老曲線）
結(jié)語(yǔ)
做為風(fēng)機(jī)的安全保障重要部分的超級(jí)電容模組，其可靠性要求非常高。那么風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，電容模組的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法也就需要越來(lái)越可靠。無(wú)論是本文所提及的方案還是其它更好的方案我們都是本著風(fēng)機(jī)的安全性與低故障率而考慮。也希望好的方案能在大型風(fēng)電機(jī)組中應(yīng)用，為綠色能源的有效利用做出貢獻(xiàn)。
（作者單位：成都阜特科技股份有限公司）
