变桨控制系统紧急电源用铅酸蓄电池与用超级电容对比

变桨控制系统紧急电源用铅酸蓄电池

与用超级电容对比

王洪阳

摘要：变桨控制及后备紧急电源系统是大型变速变桨距风电机组电气控制的主要组成部分，对机组安全运行具有十分重要的作用。本文针对风机变桨控制系统采用超级电容作为紧急电源与采用铅酸蓄电池作为紧急电源进行了比较分析。

一、引言

AA风电场一期工程采用X电风能EX93-2000型风机，二期阿月风电场采用X 电风能EX96-2000型风机，三期李家坝风电场采用DF2500-110型风机；其中X 电风能风机采用铅酸蓄电池作为变桨控制后备紧急电源，三期D电风机采用超级电容作为变桨控制后备紧急电源；紧急电源的作用是在风机故障或其他紧急情况时直接提供收桨电源，确保风机的安全。根据蓄电池和超级电容相关知识，结合本风场实际运行情况，对采用蓄电池与采用超级电容作为变桨控制紧急电源进行对比与分析。

二、蓄电池与超级电容对比

1、功能简介

蓄电池是较为传统的储能电池，按正极材料可分以下几类：铅酸蓄电池、镍氢电池、镍锌电池、锂电池等。目前，蓄电池在电力行业和轨道交通上，主要作为后备和紧急电源使用；作为主要供能装置常用于短距离的电动车、公交、有轨电车等领域。

超级电容又叫双电层电容器，是20世纪七八十年代发展起来的一种新型储能装置，结构上同普通电解电容非常相似。由于采用活性炭多孔电极和电解质组成了双电层结构，加上极小的电极间隙，可以获得超大的容量。目前正处于快速发展阶段，主要用作备用电源和提供峰值功率。

2、原理对比

蓄电池原理图超级电容原理图

铅酸蓄电池在放电时，正极的活性物质二氧化铅和负极的活性物质金属铅都与硫酸电解液反应，生成硫酸铅，在电化学上把这种反应叫做“双硫酸盐化反应”。在蓄电池刚放电结束时，正、负极活性物质转化成的硫酸铅是一种结构疏松、晶体细密的结晶物，活性程度非常高。蓄电池充电过程中，正、负极疏松细密的硫酸铅，在外界充电电流的作用下会重新还原成二氧化铅和金属铅，蓄电池又处于充足电的状态。正是这种可逆转的电化学反应，使蓄电池实现了储存电能和释放电能的功能。

超级电容充电时，当外电压加到超级电容器的两个极板上时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器两个人极板上的电荷产生的电场作用下，电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，正电荷与负电荷吸附在两个极板上。放电时，正、负极板上的电荷被外电路泄放，当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上的电荷响应减少，但不会脱离电解液。由此可以看出：超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。因此性能较稳定，与利用化学反应的蓄电池不同。

3、优点缺点对比

蓄电池优点：

1）单体电压高、能量密度高，适当的重量和体积能带来较大的能量输出。

2）在额定充放电倍率，使用次数和循环寿命较长。

3）采用了无害和环保材料，环境公害很低。

4）目前市场价格较低。

蓄电池缺点：

1）大电流充放电特性不理想。

2）对过充过放耐受性差，需要精细的管理保护系统。

3）受温度影响大，高温下性能恶化并直接影响蓄电池的容量。

4）存在爆炸的风险，如高温、大电流等情况。需要多重保护机制。

超级电容优点：

1）储存电容量大，功率密度大，短时大功率充放电能力强。

2）物理能量转换，充放电时间短，效率高。

3）充放电循环次数可达50万次，长使用寿命。

4）具有很宽的工作温度范围。

超级电容缺点：

1）单体电压低，能量密度低。相比蓄电池，在同样容量输出下，需要大量并串联，必然带来体积和重量的急剧增加。

2）串联使用需要采取必要的均压控制电路，均压控制电路的设计直接影响超级电容中后期的使用寿命。

3）目前价格较高。

4、参数对比（以AA风电场一、二期风机蓄电池和三期风机超级电容为例）

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统计AA风电场2014年6、7、8月风机故障发现：一、二期工程安装X电风能风机共计31台，变桨系统故障151台次，其中直接由电池充电管理单元及电池引发故障合计31台次，更换电池充电管理单元8个，更换蓄电池51块；

三期工程安装D电风机19台，变桨系统故障共计34次，未发生充电单元和电容故障；

三、分析

根据AA风场实际运行情况，蓄电池组的体积和重量均大于超级电容组；X 电风能风机蓄电池采用单体循环充电，整组电池充满大概需要4-6个小时，而D 电风机超级电容采取串联充电，充电时间在1分钟以内，远远低于蓄电池充电时间。

一期风机变桨蓄电池运行两年以后，蓄电池和充电管理单元的故障就逐渐增多，运行临近三年已出现大部分电池电压、容量下降的情况，证明蓄电池在我风场风机上的使用寿命就只有三年。如果更换新电池组，一台风机需更换电池72块，电池净重量就有210Kg，在机舱有限的作业环境中大大增加维护人员的工作难度和强度；

从我风场6、7、8月运行情况分析，X电风机蓄电池及充电管理单元的故障率远高于D电风机超级电容及充电管理单元故障率；X电风机更换蓄电池及充电器的数量也维持在较高水平，而D电风机超级电容和充电器故障次数基本为零，真正实现免维护。单从备用电源方面来说，采用超级电容作为备用电源就大大提高了风机的可利用率。

从经济角度来分析，超级电容的使用寿命是蓄电池使用寿命的两倍以上，而成本却不到蓄电池寿命的1.7倍，而且蓄电池较高的故障率必然造成较多的停机损失，每三年更换一次蓄电池更是需要长时间的停机。所以超级电容一次投入的成本虽然高于蓄电池，但是从长远的运行来看，超级电容带来的经济利益是远远

高于蓄电池的。

四、总结

通过以上对比分析我们可以看出，采用超级电容作为紧急变桨控制后备电源是完全能满足风机变桨控制需要的，不但节约了机舱有限的空间，还降低了轮毂的重量，在运行过程中降低了风机变桨系统的故障率，减少维护成本和维护工作量。在超级电容应用技术日益成熟的现在，推广超级电容作为变桨控制系统后备紧急电源是一种提高风机变桨系统可利用率、增加发电量、降低维护成本的有效措施。

希望通过本文的介绍，能为公司在以后风电机组备用电源选型或改造时提供参考。同时推广到其他设备的选型也是同样的道理，在风电行业迅猛发展的时期，激烈的市场竞争促使部分风电机组厂商通过价格优势来占领市场，但是所谓的价格优势往往是通过使用一些较为便宜的代替产品以次充好，虽然整机的价格是下降了，但是作为我们业主单位来说，在长期的运行过程中，较高的故障率，较高的度电维护成本都是无形的经济负担，不但不能真正的节约成本，相反会增加运行维护成本，降低企业的盈利能力。所以在设备选型时，不能只以价格来衡量，而是要综合考虑机组设备的整体质量及长期运行的可靠性。