华锐5MW蓄电池改造超级电容技术方案要求

**风电场华锐SL1500/82机组变桨备用

电池改超级电容技术方案要求1项目概况*****风电场总装机容量201MW,共安装100台华锐SL1500/82型风电机组，34台金风机组。其中，华锐机组单机容量为1500kW。配置变频器型号为超导PM3000W；主控系统为巴赫曼；变桨控制系统为KEB。SL1500/82型机组后备电源主要实现机组在电网掉电后使叶片顺利回桨，防止出现机组飞车等安全事故的功能。后备电源作为电网掉电后机组最重要的保护单元，其可靠性是保证机组安全运行的重要环节。SL1500/82型机组后备电源在BAT300柜内安装铅酸电池组实现其功能。铅酸电池存在寿命较短，完全放电后充电时间长，充电、检测电气回路复杂，器件外部温度较高或较低时使用可靠性大幅降低，电压一定时存储能量不易确认，维护成本高等缺点。超级电容有功率密度高，充电时间短，循环寿命长，工作温度范围宽(-40℃~+65℃)，不需能量检测，充电电气回路简单等优点，可完美替换SL1500机组后备电源使用的铅酸电池组。变桨电池失效问题严重，现场电池维护更换工作量大、成本支出大，在气温下降时尤为明显。同时，变桨备用电池的失效使变桨系统存在安全隐患，威胁机组的可靠运行。2超级电容优势超级电容器的容量比通常的电容器大得多。由于其容量很大，对外表现和电池相同，因此也称作“电容电池”或“黄金电池”。超级电容器电池也属于双电层电容器，它是目前世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种，其基本原理和其它的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。功能/性能铅酸蓄电池超级电容能量转换化学能一f电能电能内部反应氧化还原化学反应极化电解质的物理反应过程可逆性充放电过程可逆，能量转换有损耗充放电过程可逆内部阻抗充电时内阻下降，放电时内阻上升低阻抗，根据耐压要求可调受稳定影响较大，明显的活性极化稳定关系工作范围：-25℃~+45℃不大，很小的活性极化工作范围：-40℃~+65℃充放电速度一般充放电为1~5倍率，最大放电可达10倍率。充电电流越大速度越快，10秒内即能达到额定容量的95%充放电时间一次充满点5-6小时单体数秒功率密度（W/kg）低50-200W/kg高，低阻抗带来高的功率输出1000-2000W/kg能量密度（Wh/kg）高20~100Wh/kg低3~15Wh/kg充放电效率％>95%>95%循环寿命（次）平均约为5000~10000次大倍率充放电对寿命影响较大>100000次荷电保持能力存在低自放电几乎不存在自放电使用维护电池密封免维护彻底免维护超级电容器的存储容量可以达到数千法以上，理论上超级电容器应具备很高的功率密度和循环寿命。与蓄电池相比，超级电容的主要技术特点体现在：功率密度高，远高于目前蓄电池的功率密度水平;循环寿命长，在几秒的高速深度循环10万次后，超级电容器的特性变化很小，容量和内阻仅降低10%〜20%；响应速度较快，对过充电和过放电有一定的承受能力。由以上分析可得出超级电容在储能方面有无以伦比的优越性，具体的有以下几点：（1）良好的充/放电特性，近似为线性关系。通过电容的充放电曲线可看出在任何情况下依然可以进行储能，而传统蓄电池只要在电压达到一定门限时才能吸收能量，这样无异于对能量的巨大浪费。（2）极化电解质的物理反应，性能较稳定。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，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是物理过程，没有化学反应。而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，生存硫酸铅，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硫酸铅是一种结果疏松、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。因此性能较稳定的超级电容器，与利用化学反应的蓄电池不同。（3）超长的循环寿命风力发电由于自身的特点，可能引起蓄电池反复频繁充电，导致电池寿命缩短。而超级电容器因具有10万次以上的充放电循环寿命和完全免维护、高可靠性等特点，很快成为储能缓冲装置的首选，此外，在有瞬间强负载的系统中，利用超级电容器可以发挥稳定系统电压，减少系统电源容量配置的作用。（4）快速响应特性（ms）・■JI l^FrL 7超级电容放电响应时间在ms之内，远远短于传统蓄电池，可以有效、及时保护负载的安全。（5）绿色能源，不污染环境超级电容与铅酸电池实际风电应用时性能对比见下表。对比项目系统分类铅酸电池系统超级电容系统高温工作特性W50（50℃时容量减小到额定的15%）W65℃（65℃时容量仍将近100%）低温工作特性三-20（-40℃时容量减小到额定的10%,长时间低温将无法工作）三-40（-40℃时容量减小到额定的90%长时间低温无影响）放电特性过放电会导致电池损坏可以放电到0电压变桨系统安全性低高故障率高极低故障停机时间长极短10年期综合成本电池大于超级电容基于超级电容与铅蓄电池、铅酸电池的对比，干五风电场华锐机组决定采用超级电容替换铅酸电池作为变桨系统后备电源。3整体技术解决方案整体技术方案要求原后备电源由铅酸蓄电池升级为超级电容；原充电管理回路升级，删除原充电线路，保留电压检测线路，减少改造工作量；充放电线路设计重新设计后备电源充电管理回路，对原电路系统升级，取消原充电线路，采用电容充电器进行充电，图二的电池充电与测试回路改造为电源充电管理回路，图mBAT300柜中的蓄电池改造为超级电容。超级电容输出接入原电池输出端子，并保留原电压检测回路（图四）及功能继续使用，当超级电容故障无法充电或者充电不足时，原检测线路可以报警，另外为了检修工作的安全保障，增加超级电容的放电回路。图五为改造后的原理图，包括超级电容、充电器（红色部分）。图一图二电池充电与测试■"剑国J】y-1Wde MbJMtH^rGiig FT1MMMJT/2期 tmp«-r£ELuaInsldf-七血mi图三72mijitcriacccoiivra.teri>Htteryv口IlurliEiMisurtBtJit:图四电池电压测量图五超级电容充电器要求对超级电容模组的温度，极性反转，过压，容量检测和限制进行分别检测；通过持续电流对超级电容模组进行最优充电；具有读取数据，远程监控等功能；出色的抗干扰能力和冗余工作温度范围。超级电容要求超级电容模组具有主、被动均压，过压报警、极性报警和超温报警；超级电容模组充电器具有过压、极性和温度监控，在线ESR和容量测量功能；箱体增加通风降温设计，延长超级电容和充电器寿命；超级电容需满足GB/T34870.1-2017标准的要求；厂家业绩符合以下要求：华锐SL1500/82型风电机组蓄电池改造超级电容至少100台并安全稳定运行1年以上。风电机组变桨系统使用超级电容至少1000台并安全稳定运行3年以上。。超级电容的工作温度为30℃-70℃。超级电容制造厂家必须是批量生产并达到在风电机组实用化的厂家，华锐SL1500/82型风电机组运用至少100台，其他机组运用至少1000台。3.5改造参数要求针对该风机变桨后备电源系统的改造，由于将电池改为超级电容，因此需要重新核算超级电容容量，选型合适的电容模组。同时，还需要考虑选型合适的充电器以及充电方案。KEB变桨电机类型交流伺服电机额定转速2000rpm额定扭矩23NM额定电流7.5A堵转扭矩28NM堵转电流11.1AKEB伺服电机的最大力矩Mmax一般为额定力矩Mn的3倍，因此该变桨电机的最大力矩能达到23Nm*3=69NM。变桨使用的KEB驱动器14F5M1E-Y00D参数如下：额定输入功率11KW额定输出功率7.5KW额定输出电流16.5A短时最大输出电流49.5A根据电机和驱动器参数对比，得到下面结果：（1）电机额定扭矩为23NM，需要电流为7.5A，驱动器额定输出为A，可以满足需求。（2）电机最大扭矩大概为69NM，需要电流大概为7.5A*3=22.5A，驱动器短时最大输出电流为49.5A，可以满足22.5A需求。桨所需能量理论计算：级电容能量要求根据每一个变桨驱动机构所消耗的电量最大值EA=26030J,要求电容能量需满足至少3个桨叶同时收桨2次以上的需求，同时需要考虑电容容量在长期运行后衰减到80%以下即无法使用，变桨驱动系统效率，一般为90%。超级电容能量至少是E=e*3*2/80%/90%=216917J。A障点变更电池充电控制逻辑（图六、图七为控制电池的充放电和测试）升级为电容充电控制逻辑，增加对电容故障点的读取和判断。电池改造为超级电容后，超级电容具备的报警信息。序号电池故障名称故障原因使用的模块超级电容故障名称1电池快充时间过长当电池快充时间超过6小时，故障代码产生1、A241.1.20输入数字量模块；2、A242.1.21输出数字量模块；3、A243.1(214.5)模拟量输入模块电容电压波动过大2电池电压高于450V的持续时间过长当电池电压高于450V的持续时间超过500ms时，故障代码产生A243.1(214.5)模拟量输入模块信号范围检查最大电压高安全极限3电池电压低于100V的持续时间超过1秒或低于330V的持续时间超过20秒当电池电压低于100V的持续时间超过1秒或低于330V的持续时间超过20秒时，故障代码产生A243.1(214.5)模拟量输入模块信号范围检查最小电压高滞环水平且未在充电

4电池连续三次测试失败当电池连续进行三次大电流放电和小电流放电测试，电压差均小于5V时，故障代码产生1、A241.1.18输入数字量模块；2、A241.1.59输出数字量模块；3、A243.1(214.5)模拟量输入模块信号范围检查最高电压低滞环水平且未还充电5电池地线接地不良当3个变桨变频器直流母排电压的最大值超过650V时，电池地线接地不良，故障代码产生A243.1(214.5)模拟量输入模块充电器正常工作(ok)6电池检测电网掉电当电池检测到电网掉电时，故障代码产生A243.1(214.5)模拟量输入模块电池测试电压偏差错误当电池大电流放电后再小电流放电，两次放电终止电压相差小于5V，故障代码产生1、A241.1.18输入数字量模块；2、A241.1.59输出数字量模块；3、A243.1(214.5)模拟量输入模块

7电池柜温度传感器故障当环境温度小于0℃，电池柜温度传感器短路或断路时，故障代码产生。A243.1（204.7）模拟量输入模块电池柜温度传感器故障8电池温度太低当电池柜内温度低于-5℃时，故障代码产生A243.1（204.7）模拟量输入模块超级电容温度太低9电池处于就绪或慢充状态，但电池电压比温度补偿计算所得电压值小5V当电池在就绪或慢充状态，但电池实际电压比经过温度补偿计算所得的电压下限值小5V，故障代码产生1、A241.1.18输入数字量模块；2、A241.1.59输出数字量模块；3、A243.1.29模拟量输入模块；4、A243.1（204.7）模拟量输入模块10电池放电接触器故障当PLC不在停止和故障状态，电池不在测试状态，电池放电保护接触器断开时，A241.1的17端口为False，故障代码产生庆241.1.17输入数字量模块；

电池测试接触器故障当PLC不在停止和故障状态，A242.1的59端口电池测试控制信号与A241.1的18端口的反馈信号不一致时，故障代码产生1、A241.1.18输入数字量模块；2、A241.1.19输出数字量模块；电池慢充工作状态与PLC反馈的工作状态不一致当PLC不在停止和故障状态，A242.1的60端口电池慢充控制信号与A241.1的19端口反馈信号不一致时，故障代码产生A242.1.20输出数字量模块；庆241.1.19输入数字量模块电池快充工作状态与PLC反馈的工作状态不一致当PLC不在停止和故障状态，A242.1的61端口电池快克控制信号与A241.1的20端口反馈信号不一致时，故障代码产生庆241.1.20输入数字量模块；2、A242.1.21输出数字量模块；T垠