淺析風機超級電容模組可靠性的幾種測試方案

　　隨著能源危機的加劇，可再生能源發展迅速，風電系統的規模也不斷加大。據統計2015年，國內新增裝機量3050萬千瓦，同比增加31.5%，累積裝機量1.45億千瓦。隨著風電機組設計與制造技術也日臻完善，其中使用超級電容做儲能的變槳系統也非常普遍。變槳系統的后備儲能設備，對風機的安全與非常重要，其可靠性也就起來越重要。為提升超級電容的可靠性那么風機在運行過程中電容的實時檢測作用突顯。本文就針對電容的電壓與容值兩個實時數據的測試方案進行淺析。
　　
　　電壓：該模組有無過壓與欠壓、單個模組有無過壓與欠壓、模組之間電壓是否平衡。
　　
　　容值：是否滿足電容最低容值（即最少滿足風機1.5次安全收槳）。
　　
　　常見的電容模組可靠性測試方案
　　
　　通過充電器檢測
　　
　　原理：通過充電器充電檢測超級電容模組電壓，并計算超級電容模組容值。
　　
　　方法：
　　
　　充電器檢測電容模組電壓是否正常，檢測所得電容電壓應滿足公式：Umin<U<Umax
　　
　　Umin:超級電容模組最小允許電壓(一般滿足變槳電機1.5次收槳電壓)。
　　
　　Umax:超級電容模組最大允許電壓（例如：不能超過額定電壓10V）。
　　
　　否則該電容模組電壓異常。
　　
　　根據公式: c1=I1×(t2-t1)/(U1-U2)得到超級電容模組在以I1＝3A充電時的總容量，其中U1＝80%UR,U2=40%UR,t1、t2充電過程中的時間點，UR為超級電容模組的額定電壓。（見電容容值計算示意圖）
　　
　　根據公式: c2=I2×(t4-t3)/(U1-U2)得到超級電容模組在以I1＝4A（該值不固定）放電時的總容量，其中U1＝80%UR,U2=40%UR,t1、t2放電過程中的時間點，UR為超級電容模組的額定電壓。 　　 　　
　　求兩次以上不同電流的放電與多次充電計算所得超級電容模組容值平均值為：△C＝(C1+C2+?)/n。
　　
　　計算△C與該超級電容模組設計容值偏差系數，
　　
　　應滿足：
　　
　　Pc= (△C)/C<20%
　　
　　則該電容模組容值正常。
　　
　　優點：充放電過程中容值測量較為精準.充電器能獨立完成測試，操作過程簡單，不需要變槳與主控制參與過多控制。
　　
　　缺點：為保證風機正常運行，其過程中電容電壓一直處于正常電壓狀態，很難實現完整的充放電過程，電壓可能因充電檢測回路或者通訊回路異常而測試不精準，同時容值也無法精確計算。即使完全實現上述過程風機也將較長時間停機無法操作，影響該風機的發電量。
　　
　　通過電容檢測模塊檢測
　　
　　原理：超級電容模組供電回路增加霍爾傳感器（即電流檢測設備）用以檢測該模組的充放電電流，通過電容監視模塊檢測該電容模組的電壓，并計算超級電容模組容值。
　　
　　方法：
　　
　　電容監視模塊檢測電容模組電壓是否正常，增加分電壓檢測回路。（即增加一個檢測5個橫組中的兩個模組電壓，見電壓檢測回路示意圖）
　　
　　檢測所得的電容電壓與分電壓應滿足公式：
　　
　　Umin<U<Umax與
　　
　　Umin×2/5<U1<Umax×2/5。
　　
　　否則該電容模組電壓異常。(2/5：分電壓檢測回路檢測了2個模組的電壓，其分壓U1就應該滿足總電壓2/5U的各項指標。其增加了電容模組的電壓平衡性檢測。) 　　 　　
　　采集充放電時電流I.計算該超級電容的容值△C其計算的方法與使用充電器檢測時的計算方法一致。
　　
　　通過計算所得容值△C上傳至變槳系統控制器，計算該超級電容模組設計容值偏差系數，應滿足：
　　
　　PC=(△C)/C<20%
　　
　　則該電容模組容值正常。
　　
　　優點：超級電容模組電壓檢測更為精確，同時還能檢測該模組電壓的平衡性，充放電過程中容值測量較為精準，對充電器要求比較低，也不需要變槳與主控制參與過多控制。
　　
　　缺點：增加了檢測設備（即增加了成本），同時與充電器檢測方法缺點一樣，風機在正常運行過程中其超級電容模組電壓一直處于正常電壓狀態，很難實現完整的充放電過程，同時電壓可能因電容監視模塊檢測回路或通訊回路異常而測試不精準，增加風機故障率，其容值也就無法精確計算。即使完全實現上述過程風機也將較長時間停機無法操作，影響該風機的發電量。
　　
　　較新型的電容模組可靠性測試方案
　　
　　原理：使用變槳驅動器給超級電容模組充電，并檢測其電壓與分電壓。利用超級電容模組供電，用驅動器使用變槳電機進行收槳或開槳測試。通過變槳電機能量消耗計算超級電容模組容值。
　　
　　方法（見流程圖）：
　　
　　(1)通過變槳驅動器檢測超級電容模組的電壓與分電壓，該方法與電容監視模塊采集超級電容模組電壓方法一樣，檢測所得的電容電壓與分電壓應該滿足：
　　
　　Umin<U<Umax與
　　
　　Umin×2/5<U1<Umax×2/5。
　　
　　否則該電容模組電壓異常。
　　
　　(2)通過風機主控選定該風機超級電容測試時間，其要求是每168小時一次（其時間間隔可以設定，以滿足電容測試頻率為佳），時間選定為9：00與17：00之間為宜（白天利于風機在測試過程中發現異常工作人員可以及時檢修），且30秒平均風速應小于該風機最大測試風速（一般為8m/s，主要是為風機安全考慮）。滿足測試條件后主控將變槳停機至限位，并給出電容測試開始指令。
　　
　　(3)收到主控電容測試指令后，變槳控制“槳葉1”開槳到測試槳角（一般選擇60°與70°之間，小于60°測試不通過可能影響風機安全，大于70°電容能量消耗少測試可能不精準），斷開AC400V與驅動器的連接（通過自動控制接觸器或者使用驅動器的半控橋斷開AC400兩種方法均可），使用超級電容模組供電讓變槳電機以恒定速度（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”超級電容收槳前后電壓差，
　　
　　其計算公式：△Uact1＝Ur1－Uact1,
　　
　　Ur為收槳前超級電容模組電壓，
　　
　　Uact為收槳后超級電容模組電壓。
　　
　　其中△Uact1必須滿足：（見電容電壓差正常范圍圖）
　　
　　
　　Umax：最大變化電壓。
　　
　　Tmax：電機最大力矩。
　　
　　A：測試槳角。
　　
　　G：變槳變比常數。
　　
　　η：電機效率。
　　
　　C：超級電容模組設計容值。 　　 　　 　　
　　通過變槳控制器計算槳1超級電容變槳過程中電容的容值△C，其計算公式如下：
　　
　　　　
　　ˉT：該收槳或者開過程中的電機平均扭矩。
　　
　　A：測試槳角。
　　
　　G：變比常數。
　　
　　η：電機效率。
　　
　　計算超級電容模組設計容值偏差系數，應滿足：　　
　　　
　　則該電容模組容值正常。
　　
　　重復（3）、（4）、（5）步驟分別對槳葉2、槳葉3超級電容模組進行測試。其電壓與容值均需要滿足上述步驟內容。測試過程中某一槳葉的△Uact與Pc不滿足運行條件，測試終至，恢復AC400V供電，并告知控制平臺該風機超級電容模組需要維護或者需更換。
　　
　　優點：減少了充電器和電容監視設備，節約了成本，其超級電容模組電壓檢測更為精確。通過驅動器就能判斷應該超級電容模組能否滿足風機安全需求。檢測通過軟件自動觸發，無需要人工操作。檢測時間選擇多為無風期，同時檢測周期短一次檢測時間不超過180s，不影響風機發電量。該方案模擬了超級電容模組工作的真實情況，也能檢測了超級電容模組的工作回路，提升了風機的安全與可靠性。
　　
　　缺點：軟件的可靠性要求要，同時對驅動器要求更高，驅動器的維護成本增加。該方案計算使用的電機效率是一個固定的理論值，那么計算所得的容值會有一定的偏差，但相對超級電容電壓是額定電壓狀態時，利用充電器或電容監視器采集的超級電容容值更為精準。該方案聯動性要求高，需要主控系統與變槳系統均對該方案 “出力”。
　　
　　該方案的延伸用法：
　　
　　風機的超級電容模組使用壽命大概在5年左右，那么就需要對風機的超級電容使用壽命做預測。利用該測試方案將每次超級電容模組測試完成后計算所得的△Uact與Pc上傳至數據庫。通過大數據分析超級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，進一步可以預測超級電容的使用壽命，為業主對超級電容模組的使用與維護計劃做更有利的安排。 　　 　　
　　結語
　　
　　做為風機的安全保障重要部分的超級電容模組，其可靠性要求非常高。那么風機運行過程中，電容模組的實時檢測方法也就需要越來越可靠。無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機的安全性與低故障率而考慮。也希望好的方案能在大型風電機組中應用，為綠色能源的有效利用做出貢獻。
　　
　　（作者單位：成都阜特科技股份有限公司）