SSB LC-SBL127R2CN06變槳蓄電池 變槳控制系統(tǒng)簡(jiǎn)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(kāi)發(fā)具有更大轉(zhuǎn)子直徑的大型風(fēng)力渦輪機(jī)以實(shí)現(xiàn)更高功率輸出的持續(xù)趨勢(shì)，整個(gè)系統(tǒng)受到不均勻風(fēng)場(chǎng)的額外影響，其中高點(diǎn)的風(fēng)速可能與低點(diǎn)。這導(dǎo)致各個(gè)葉片、軸、齒輪箱和整個(gè)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(zhǎng)風(fēng)力渦輪機(jī)的使用壽命。

作為電網(wǎng)故障時(shí)的應(yīng)急功能，儲(chǔ)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(chǎng)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(dòng)刀片的液壓執(zhí)行器、閥門(mén)、蓄能罐以及帶有一個(gè)或多個(gè)泵的液壓動(dòng)力裝置。液壓動(dòng)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(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是其復(fù)雜性相對(duì)較低，因?yàn)椴恍枰X輪來(lái)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(gè)典型弱點(diǎn)是泵連續(xù)運(yùn)行導(dǎo)致的高能耗。此外，高壓還會(huì)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(shí)間的推移存在漏油的風(fēng)險(xiǎn)。

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

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

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

這些系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是效率高。根據(jù)儲(chǔ)能解決方案，可以實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的維護(hù)間隔。由于維護(hù)要求較低，持續(xù)運(yùn)營(yíng)成本也較低。已使用兩種類(lèi)型的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)：基于電池的和基于超級(jí)電容器的。

基于電池的電動(dòng)變槳控制系統(tǒng)的典型缺點(diǎn)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(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性。通過(guò)使用超級(jí)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(dú)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(chǎng)大約 35% 至 45% 的風(fēng)力渦輪機(jī)配備了電池電動(dòng)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(jí)電容器的系統(tǒng)的初始成本是相等的?；陔姵氐南到y(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(zhǎng)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(huì)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(jí)電容器變槳控制系統(tǒng)

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

基于超級(jí)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(jiǎn)單，不包括儲(chǔ)能本身的電力系統(tǒng)成本往往較低。與電池相比，超級(jí)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(jì)在正常工作條件下可運(yùn)行長(zhǎng)達(dá) 12 年 [4]、[5]。適中的溫度和一致的工作電壓可確保超級(jí)電容器較長(zhǎng)的平均使用壽命。

超級(jí)電容器技術(shù)概述

截至2013年底，全球有近3萬(wàn)臺(tái)渦輪機(jī)配備了700萬(wàn)顆麥克斯韋超級(jí)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(gè)超級(jí)電容器單元到市場(chǎng)特定模塊的各種解決方案。

超級(jí)電容器、雙電層電容器 (EDLC) 和超級(jí)電容器是同義詞。超級(jí)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(jí)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(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

超級(jí)電容器以非常高的效率存儲(chǔ)能量。這種高度可靠的能量存儲(chǔ)可以緩沖電力需求和電力可用性之間的短期不匹配。超級(jí)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(jí)電容器以 97% 或更高的效率運(yùn)行并不罕見(jiàn)。

根據(jù)電池類(lèi)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(zhǎng)達(dá) 12 年。Maxwell 與成熟的風(fēng)力渦輪機(jī)制造商合作開(kāi)發(fā)了多種針對(duì)電動(dòng)變槳控制應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化的超級(jí)電容器模塊。該模塊包括一個(gè)無(wú)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(jí)電容器與電池

儲(chǔ)能技術(shù)概述

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

圖3 各種儲(chǔ)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(huì)對(duì)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(zhǎng)壽命），基于電池的能量存儲(chǔ)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(guò)度充電和過(guò)熱情況。低溫環(huán)境將需要更大的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，以彌補(bǔ)常見(jiàn)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(huì)更加成問(wèn)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(zhǎng)達(dá)幾個(gè)月。

超級(jí)電容器特性

由于其操作特性，特別是高功率密度，超級(jí)電容器是電動(dòng)變槳控制系統(tǒng)的良好選擇。電動(dòng)變槳控制系統(tǒng)的能源需求較低，可以通過(guò)超級(jí)電容器輕松滿足。葉片槳距順序的典型持續(xù)時(shí)間約為 30 秒。基于超級(jí)電容器的系統(tǒng)更小、更輕，并且不需要過(guò)大的尺寸來(lái)適應(yīng)高功率循環(huán)。此外，超級(jí)電容器因其高效率和制造過(guò)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(zhǎng)使用壽命和出色的循環(huán)穩(wěn)定性可確保長(zhǎng)達(dá) 12 年的免維護(hù)運(yùn)行 [4,5]。與電池相比，基于超級(jí)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(cè)的。

電池和超級(jí)電容器性能比較

圖4 電池與超級(jí)電容器對(duì)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(gè)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(jí)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(jì)?？紤]到總擁有成本，由于超級(jí)電容器的使用壽命長(zhǎng)且維護(hù)量極少，因此平衡轉(zhuǎn)向了基于超級(jí)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(jì)成本

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

維護(hù)成本

由于使用壽命更長(zhǎng)且維護(hù)要求低，超級(jí)電容器的維護(hù)和更換成本更低。風(fēng)電場(chǎng)所有者和運(yùn)營(yíng)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(gòu)電協(xié)議）和渦輪機(jī)尺寸（例如 1.5MW 或 2.5MW） 。

失去機(jī)會(huì)成本

由于正常工作條件下更長(zhǎng)的產(chǎn)品壽命和更好的老化可預(yù)測(cè)性，超級(jí)電容器具有更低的計(jì)劃外損耗[4]。這甚至可以減少停機(jī)時(shí)間，同時(shí)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(jí)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(jì)，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(jí)電容器則在 10 年后更換 [4,5]。電池和超級(jí)電容器的儲(chǔ)能成本幾乎相同。下圖顯示了更換周期和儲(chǔ)能成本的影響。這個(gè)計(jì)算確實(shí)包括儲(chǔ)能成本，不包括勞動(dòng)力成本。

圖5 儲(chǔ)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(chǔ)能成本是同等超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)總成本的兩倍半。

這個(gè)計(jì)算確實(shí)包括儲(chǔ)能成本，不包括勞動(dòng)力成本。

圖6 儲(chǔ)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(shì)。作為備用儲(chǔ)能系統(tǒng)，可以使用超級(jí)電容器或電池。

與電池系統(tǒng)相比，超級(jí)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(jì)，基于超級(jí)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(jí)電容器還具有其他顯著優(yōu)勢(shì)，如功率密度高、效率高、使用壽命長(zhǎng)、老化可預(yù)測(cè)、工作溫度范圍寬和重量輕。