SSB LC-SBL127R2CN06變槳蓄電池 變槳控制系統(tǒng)簡介

總體概述

如今，風(fēng)力渦輪機(jī)中的變槳控制系統(tǒng)已成為標(biāo)準(zhǔn)組件。槳距控制系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)力渦輪機(jī)的運(yùn)行策略連續(xù)調(diào)整葉片槳距。這確保了風(fēng)力渦輪機(jī)的恒定功率輸出。

由于開發(fā)具有更大轉(zhuǎn)子直徑的大型風(fēng)力渦輪機(jī)以實現(xiàn)更高功率輸出的持續(xù)趨勢，整個系統(tǒng)受到不均勻風(fēng)場的額外影響，其中高點的風(fēng)速可能與低點。這導(dǎo)致各個葉片、軸、齒輪箱和整個風(fēng)力渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)上的受力不均勻。變槳控制系統(tǒng)可用于補(bǔ)償這種機(jī)械應(yīng)力，以延長風(fēng)力渦輪機(jī)的使用壽命。

作為電網(wǎng)故障時的應(yīng)急功能，儲能系統(tǒng)提供足夠的能量使葉片返回中立位置，以確保安全停機(jī)。此功能可防止風(fēng)力渦輪機(jī)的嚴(yán)重?fù)p壞或完全損失。

變槳控制系統(tǒng)可構(gòu)建為電氣或液壓系統(tǒng)。兩種版本都適合不同的環(huán)境條件。

液壓變槳控制系統(tǒng)

現(xiàn)場大約 35% 至 40% 的風(fēng)力渦輪機(jī)配備了液壓變槳控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)包括用于轉(zhuǎn)動刀片的液壓執(zhí)行器、閥門、蓄能罐以及帶有一個或多個泵的液壓動力裝置。液壓動力裝置安裝在機(jī)艙內(nèi)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)和蓄能罐安裝在旋轉(zhuǎn)輪轂內(nèi)。

液壓系統(tǒng)的一個顯著優(yōu)點是其復(fù)雜性相對較低，因為不需要齒輪來調(diào)節(jié)葉片。此外，初始系統(tǒng)成本較低。

液壓系統(tǒng)的一個典型弱點是泵連續(xù)運(yùn)行導(dǎo)致的高能耗。此外，高壓還會導(dǎo)致液壓部件出現(xiàn)細(xì)小裂紋。液壓油的使用需要定期維護(hù)，并且隨著時間的推移存在漏油的風(fēng)險。

盡管如此，液壓變槳控制系統(tǒng)已經(jīng)在現(xiàn)場證明了其可靠性。

SSB LC-SBL127R2CN06變槳蓄電池電動變槳控制系統(tǒng)

電動變槳控制系統(tǒng)包括用于轉(zhuǎn)動葉片的機(jī)電致動器、電氣控制器、電源裝置和能量存儲系統(tǒng)。電源裝置安裝在機(jī)艙內(nèi)，執(zhí)行器和儲能器安裝在旋轉(zhuǎn)輪轂內(nèi)。滑環(huán)確保動力從機(jī)艙傳輸?shù)捷嗇灐?/p>

這些系統(tǒng)的主要優(yōu)點是效率高。根據(jù)儲能解決方案，可以實現(xiàn)較長的維護(hù)間隔。由于維護(hù)要求較低，持續(xù)運(yùn)營成本也較低。已使用兩種類型的能量存儲系統(tǒng)：基于電池的和基于超級電容器的。

基于電池的電動變槳控制系統(tǒng)的典型缺點是電池本身的重復(fù)維護(hù)工作以及電池監(jiān)控中的組件數(shù)量較多，這增加了整個系統(tǒng)的復(fù)雜性。通過使用超級電容器可以很大程度上降低基于電池的電氣系統(tǒng)的相關(guān)維護(hù)成本。

圖1 獨立機(jī)電變槳距執(zhí)行器

SSB LC-SBL127R2CN06變槳蓄電池電池變槳控制系統(tǒng)

現(xiàn)場大約 35% 至 45% 的風(fēng)力渦輪機(jī)配備了電池電動變槳控制系統(tǒng)。

如今，基于電池的變槳控制系統(tǒng)和基于超級電容器的系統(tǒng)的初始成本是相等的。基于電池的系統(tǒng)可能具有復(fù)雜的充電和監(jiān)控系統(tǒng)，以大限度地延長使用壽命并提供電池安全性。電池的工作溫度范圍也很窄，并且會受到惡劣環(huán)境條件的顯著壓力。由于這些原因，電池通常每 2 到 4 年更換一次 [3]。

超級電容器變槳控制系統(tǒng)

現(xiàn)場大約 20% 至 30% 的風(fēng)力渦輪機(jī)配備了超級電容器電氣變槳控制系統(tǒng)。

基于超級電容器的變槳控制系統(tǒng)比基于電池的系統(tǒng)具有更低的總擁有成本。由于充電和監(jiān)控系統(tǒng)更簡單，不包括儲能本身的電力系統(tǒng)成本往往較低。與電池相比，超級電容器充電速度更快，在惡劣環(huán)境條件下性能更好，預(yù)計在正常工作條件下可運(yùn)行長達(dá) 12 年 [4]、[5]。適中的溫度和一致的工作電壓可確保超級電容器較長的平均使用壽命。

超級電容器技術(shù)概述

截至2013年底，全球有近3萬臺渦輪機(jī)配備了700萬顆麥克斯韋超級電容器，電容范圍為350F至3000F。Maxwell 的客戶群包括 40% 的風(fēng)力渦輪機(jī)制造商。Maxwell 行業(yè)的產(chǎn)品線擁有從單個超級電容器單元到市場特定模塊的各種解決方案。

超級電容器、雙電層電容器 (EDLC) 和超級電容器是同義詞。超級電容器是一種電荷蓄積器，具有極端的電容器板比面積和原子級電荷分離距離。這導(dǎo)致非常高的電容。此外，在充電或放電循環(huán)期間不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

超級電容器以非常高的效率存儲能量。這種高度可靠的能量存儲可以緩沖電力需求和電力可用性之間的短期不匹配。超級電容器可在較寬的工作溫度范圍內(nèi)工作，表現(xiàn)出優(yōu)異的低溫性能。超級電容器以 97% 或更高的效率運(yùn)行并不罕見。

根據(jù)電池類型，循環(huán)壽命在正常工作條件下為 500k 至 1M 充電/放電循環(huán) [4]、[5]。這使得平均使用壽命長達(dá) 12 年。Maxwell 與成熟的風(fēng)力渦輪機(jī)制造商合作開發(fā)了多種針對電動變槳控制應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化的超級電容器模塊。該模塊包括一個無源平衡電路，以確保所有電池充電到相同的電壓水平。為了獲得更高的系統(tǒng)電壓，模塊可以串聯(lián)。

超級電容器與電池

儲能技術(shù)概述

如今，電池和超級電容器都被用作電動變槳控制系統(tǒng)中的能量存儲。這兩種技術(shù)都有各自的優(yōu)點和缺點。下面的拉貢圖比較了各種能量存儲/推進(jìn)技術(shù)作為能量密度和功率密度的函數(shù)。對角線定義時間常數(shù)/“充電時間”。

圖3 各種儲能技術(shù)的Ragone圖[2]

電池特性

電池以高能量密度而聞名，但通常功率密度（充電/放電速率）有限。此外，持續(xù)的高速率循環(huán)會對電池性能和壽命產(chǎn)生有害影響。為了保持較低的速率（從而延長壽命），基于電池的能量存儲必須超大容量才能滿足峰值功率需求，即使該需求僅發(fā)生幾秒鐘。這導(dǎo)致系統(tǒng)的重量和成本顯著增加。需要復(fù)雜的監(jiān)控系統(tǒng)定期確定 SOC（充電狀態(tài)）和 SOH（健康狀態(tài)），并確保避免過度充電和過熱情況。低溫環(huán)境將需要更大的電池儲能系統(tǒng)，以彌補(bǔ)常見電化學(xué)技術(shù)較差的低溫性能。電池的使用壽命多只有幾年，并且隨著連續(xù)循環(huán)和惡劣的環(huán)境條件而進(jìn)一步縮短。這需要定期維護(hù)和更換電池。如果這些系統(tǒng)安裝在海上風(fēng)力渦輪機(jī)中，這種維護(hù)可能會更加成問題且成本更高。在冬季或暴風(fēng)雨天氣條件下，海上渦輪機(jī)的維護(hù)周期可能長達(dá)幾個月。

超級電容器特性

由于其操作特性，特別是高功率密度，超級電容器是電動變槳控制系統(tǒng)的良好選擇。電動變槳控制系統(tǒng)的能源需求較低，可以通過超級電容器輕松滿足。葉片槳距順序的典型持續(xù)時間約為 30 秒。基于超級電容器的系統(tǒng)更小、更輕，并且不需要過大的尺寸來適應(yīng)高功率循環(huán)。此外，超級電容器因其高效率和制造過程中使用的材料而被認(rèn)為是一種綠色技術(shù)。

寬工作溫度范圍（-40°C 至 +65°C）、長使用壽命和出色的循環(huán)穩(wěn)定性可確保長達(dá) 12 年的免維護(hù)運(yùn)行 [4,5]。與電池相比，基于超級電容器的系統(tǒng)還需要較少的監(jiān)控和不太復(fù)雜的管理系統(tǒng)。他們的衰老是高度可預(yù)測的。

電池和超級電容器性能比較

圖4 電池與超級電容器對比

成本考慮

初始投資成本

變槳控制系統(tǒng)的成本占風(fēng)力渦輪機(jī)整個系統(tǒng)成本的比例在3%至5%之間。

目前，基于電池的變槳控制系統(tǒng)和基于超級電容器的變槳控制系統(tǒng)可以以相同的初始成本進(jìn)行設(shè)計。考慮到總擁有成本，由于超級電容器的使用壽命長且維護(hù)量極少，因此平衡轉(zhuǎn)向了基于超級電容器的系統(tǒng)。在風(fēng)力渦輪機(jī)的位置使得維護(hù)變得困難的情況下，這種情況甚至更加嚴(yán)重。

初始設(shè)計成本

與基于電池的系統(tǒng)相比，基于超級電容器的系統(tǒng)需要更簡單的監(jiān)控和管理系統(tǒng)。此外，超級電容器的機(jī)械安裝和減振比電池的安裝更簡單。由于工作溫度范圍寬，超級電容器無需加熱或冷卻。這些情況導(dǎo)致超級電容器變槳控制系統(tǒng)的初始設(shè)計成本和硬件工作量降低。

維護(hù)成本

由于使用壽命更長且維護(hù)要求低，超級電容器的維護(hù)和更換成本更低。風(fēng)電場所有者和運(yùn)營商可以在 20 年內(nèi)提高渦輪機(jī)可靠性并減少電池相關(guān)成本（包括收入損失）平均 30,000 至 60,000 美元，具體取決于 PPA（購電協(xié)議）和渦輪機(jī)尺寸（例如 1.5MW 或 2.5MW） 。

失去機(jī)會成本

由于正常工作條件下更長的產(chǎn)品壽命和更好的老化可預(yù)測性，超級電容器具有更低的計劃外損耗[4]。這甚至可以減少停機(jī)時間，同時減少維護(hù)要求。

比較現(xiàn)金流量

目前，基于電池的變槳控制系統(tǒng)和基于超級電容器的變槳控制系統(tǒng)可以以相同的初始成本進(jìn)行設(shè)計，因此初始系統(tǒng)成本可以設(shè)置為 0，以獲得可比較的現(xiàn)金流概覽。

運(yùn)行成本

電池通常在 4 年后更換，超級電容器則在 10 年后更換 [4,5]。電池和超級電容器的儲能成本幾乎相同。下圖顯示了更換周期和儲能成本的影響。這個計算確實包括儲能成本，不包括勞動力成本。

圖5 儲能替代運(yùn)行成本

總擁有成本

考慮到風(fēng)力渦輪機(jī)的典型使用壽命為 20 年，定期更換電池所產(chǎn)生的總儲能成本是同等超級電容器儲能系統(tǒng)總成本的兩倍半。

這個計算確實包括儲能成本，不包括勞動力成本。

圖6 儲能替代的總擁有成本

概括

在風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)中，機(jī)電變槳控制系統(tǒng)比液壓變槳控制系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)勢。作為備用儲能系統(tǒng)，可以使用超級電容器或電池。

與電池系統(tǒng)相比，超級電容器系統(tǒng)在初始成本相似的情況下具有顯著較低的總擁有成本。如果初設(shè)計，基于超級電容器的系統(tǒng)的成本可與基于電池的系統(tǒng)相當(dāng)。

后，與電池相比，超級電容器還具有其他顯著優(yōu)勢，如功率密度高、效率高、使用壽命長、老化可預(yù)測、工作溫度范圍寬和重量輕。