任芳伟

摘 要： 文章介绍了风机变桨系统的结构和原理；分析了变桨超级电容存在的常见故障及原因；提出了解决电容模块失效、老化、寿命短等方法和方案。提出了加强采用电容模块均衡控制技术，监测电容模块及单个电容充电电压和电流、放电状态、工作电压、存电量及电压和电流、更换状态等，提高电容模块的使用寿命；并且需要加强运维管理，才能最大限度的保证整个机组的稳定运行，降低运营成本，提高企业经济和安全效益。

关键词： 风力发电；变桨系统；超级电容模块；故障分析；解决措施

1 电动风机变桨控制系统结构及原理

风机变桨整体结构目前很多厂家已经进行了优化设计，主要采用集成控制与DSP控制进行模块化组合，其结构主要包括DSP主控制系统、三相交流变频控制器、伺服电动机、变桨距伺服控制系统、动力系统（叶片、轮毂、调节器、联轴器、变速箱等）、电源（电容模块）及后备电源（UPS）、光电编码器、浆距控制器、限位开关、传感器、通讯总线、等部件构成。风机变桨控制系统通过发电机组轮毂的可调节叶片进行桨距角度的调节，调节可选用液压驱动及电动伺服系统，使叶片气动特性发生改变，根据自然风力大小，调整机组及桨叶的受力状况。本文主要针对电动变桨系统进行分析。风大时，减小桨叶迎面角度，风小时，增大桨叶受风角度，实时控制风电机组的运行转速及功率，从而最大化利用风能资源，减少风力对正整机组的压力冲击，提高系统的发电效率。在并网发电时，风机变桨系统能够实现无冲击并网。另外，在风机故障或者自然风力超出风机运行要求时，可自行调节桨叶角度，确保风机处于安全位置状态[1]。电动变桨系统原理图如图1所示。

图1 电动变桨系统原理图

如图1所示，发电机组正常运行时，系统由外部三相交流电源对系统进行供电。系统发生故障或者电网出现故障时，采用UPS备用电源供电，确保机组平稳切换和安全停机。电源系统采用三相交-直-交变频器控制系统的电压和电流，确保电源平稳。桨叶轮毂周边均匀装置三组独立伺服控制系统和电容模块。系统通过光编码器进行风叶转速的控制，系统主控制器采用DSP控制，利用PMSM进行机构控制，浆距控制器对桨叶角度进行调节以及桨叶的启动、停止、安全位置控制等功能。系统的通讯模式采用总线控制，利用模块化设计，确保通信屏蔽效果良好，通信速度高。

2.风机变桨系统电容模块故障分析及处理方法

2 .1常见电容模块故障

由于受制于温度、台风、夏冬季节环境、桨叶轮毂设计、设备维护管理等天气环境、工艺设计技术、运维管理等因素的影响，风浆系统电容模块容易出现频繁停机、故障停机及系统自检状态，严重影响发电机组的正常发电运行。比如我国北部河北省某风电场采用SSB公司生产的一种风机，在冬季寒冷期间，风机组频繁报警“133”和“134”故障代码而导致停机。引起这两类代码故障主要原因在于电容模块过存或欠存、电容模块老化、电容模块过充或过放电、电容模块充电电压过高等原因引起的。如图2所示，电容模块均监测均衡控制状态图。

2.2变桨风机常见故障原因及分析

（1）超级电容过压充电老化失效

风浆电容模块大多采用4个超级电容组串联而成的。430F，16V的超级电容能量存储模块是一个独立的能量存储设备，最多能够存储55kJ（15.3Whr）的能量。能量存储模块由6个独立的超级电容单元、激光焊接的母线连接器和一个主动的、完整的单元平衡电路组成。单元可以串联连接以获得更高的工作电压（215F，32V；143F，48V；107.5F，64V等）。也可以并联连接提供更大的能量输出（860F，16V；1290F，16V等）或者是串联和并联的组合来获得更高的电压和更大的能量输出。当串联连接的时候，单元到单元之间的电压平衡问题可以通过使用我们提供的双线平衡电缆来加以解决。

超级电容模块的包装是一个耐损耗的冲压铝外壳。这样一个外壳是永久封装的，不需要维护。3个集电极开路逻辑输出端是选购件，其中2个用于显示过压程度，另外一个用于显示过温。另外变桨测试是严重的放电过程，极易引起电容的老化。

（3）电容热失控

超级电容3个集电极开路的逻辑输出是可选组件并且位于面板上标注J3的区域。它们分别是两个过压程度信号和一个过温信号。温度的输出逻辑：如果T>65oC，那么TEMP=TRUE=ON。逻辑输出与电容电压以及底座地是隔离的。下面的表格给出了输出管脚、信号和最大电流情况。最大开路电压是5.5VDC。

热失效主要原因是选用浮充电压不合理，变桨超级电容散热不畅造成的。超级电容的浮充电压一般规定为2.23V/单体（25℃），使最佳理想状态，一旦超过2.25V，电容模块最多连续四个月就会失效，而电压为2.30V-2.28V，电容模块最多持续6-18个月失效。因为电容模块密封，空间间隙小，充电时由于化学反应热气溢出不畅，导致极板极化。变桨电容模块安装于风叶轮毂内，夏季环境温度和运行温度较高，导致电容模块散热环境差，形成电容模块外壳鼓涨、容量下降。这是很多风电场频繁更换电容模块的主要原因[3] 。

2.3故障处理及解决的方法

基于以上分析，变桨电容模块故障处理主要有如下：

（1）尽量选择合适的充电电压范围，严禁电压过压充电。

（2）加强电容模块散热系统的技术改造，避免电容模块的热失效。

（3）加装电容模块在线监测均衡系统 可以全程监控电容模块使用状态、充电电压和电流、存电电压电流、开路电压、放电状态、环境温度、工作温度等数据和状态，利用系统数据分析，对电容模块状态进行调整、判断和更换提醒，从而延长电容模块的整体使用寿命，减少电容模块更换频率，较低生产运营成本。

（4）变桨电容模块首次投入运营前，需要对电容模块进行不少于三次的核对性充放电合电容模块均衡控制，防止电容模块极化、电压等差异造成充电能力不均衡、电容模块工作电压不稳定、电容模块有效荷载时间短等问题，从而解决蓄电容模块欠充、过充、热失控，确保电容模块处于良好的工作状态[4]。

（5）单元的低内阻使得模块使用期间的发热量很低。在大多数应用场合，自然空气对流就足够了。

在要求最大使用寿命的应用场合，需要用强迫风冷。

热阻Rth对于确定单元的工作极限条件是非常有用的。

其中，Dc是占空比，I是交流或者直流電流，R是交流电阻或者直流电阻。加上环境温度应当小于规定的最大温度。如果采用了强迫冷却方式，单元有可能以更大的电流或占空比工作。

为了避免拉弧或者打火花，能量存储模块在安装过程中应该处于放电状态并断开系统电源。在运输过程中模块也要放电。我们推荐首先检查单元的电压确保其电压最小。而为了提供尽可能低的ESR（等效串联电阻），能量存储模块没有装保险。模块能够提供55kJ的能量，峰值电流超过5000A。因此在使用时要小心以防过大电流出现。模块应该在规定的电压和温度定额范围内工作。根据辅助设备的电流定额确定是否需要在输入/输出端进行限流。观察模块标注的极性。

另外，模块的底座要通过安装绝缘子支座或者足够粗的标准线连接到系统地。这样最坏情况下的故障电流就可以流入地线。

3 结论

由于升到夏、冬季季节环境影响，电容模块使用寿命受大很多因素的限制。只有利用技改，使用电容模块监测均衡技术，不断优化设计系统结构和电容模块材料，强化电容模块状态控制以及运维维护管理，避免电容模块的过充、过放、过压充电、和热失效等现象的发生，才能延长电容模块使用寿命，降低故障停机率，减少不必要的电容模块更换和不及时更换状况，节约检修劳动强度和时间，提高设备运行效率，增加安全和经济效益。

参考文献

[1] 凌锋. 超级电容模组充电电源的研究与设计[J]. 电子科学技术， 2017， 4（3）：27-29.

[2] 侯绍虎. 大型风力发电机组变桨后备电源管理系统设计[D]. 湖南大学， 2013.