基于超级电容的风力发电机组照明系统研究-国际风力发电网

随着我国新能源行业的大力发展，风力发电机组存量逐年增加，越来越多的人员投入到风电机组的运维中。运维人员在风力发电机组内部作业安全是第一位的,但由于风力发电机组内部——尤其是在塔筒和轮毂内——属于封闭空间，外部光线很难到达风力发电机组内部，一旦发生突然断电会使风力发电机组内部照明照度陡降，此时极易造成因运维人员视线不良引起的安全事故，由于与传统的应急照明设备使用蓄电池做为备用电源，尤其是在我国北方地区电冬季，低温下电气性能影响应急照明效果和持续时间[3]，本文对比其他备用电源的电气性能，选用超级电容做为风力发电机照明的备用电源。

1 性能分析

铅酸蓄电池，是一种电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的蓄电池。铅酸电池放电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；充电状态下，正负极的主要成分均为硫酸铅。铅酸蓄电池的充电、放电过程是依靠电解液进行的化学反应，其对温度——尤其是低于冰点——的敏感性是非常强的，一旦出现电解液冻结，铅酸蓄电池的寿命和容量将会急剧降低，如图1、图2所示。

图1：蓄电池使用温度与寿命关系曲线图

图2：蓄电池不同温度下的容量曲线图

基于上述铅酸蓄电池低温电气性能降低的特性，选用对温度敏感程度非常低的超级电容做为备用电源存储电能较之铅酸蓄电池在低温下具有更好的适应性。超级电容主要依靠双电层和氧化还原赝电容电荷储存电能。但在其储能的过程并不发生化学反应，所以不存在如铅酸蓄电池电解液在低温下冻结的现象。

表1列出蓄电池与超级电容的电气性能比较。

表1：蓄电池与超级电容电气性能比较表

从上表、图可以看出，超级电容除能量密度较低、成本较高外其他电器性能均高于电池，尤其是在低温性能上。因此选取超级电容做为风机照明的备用电源。

2. 原理设计

2.1 电气设计

1）在风机塔底或最下端塔筒[4]内的适当位置新装一台备用电源柜（箱），用于在塔底进行常用电源与备用电源的切换。其电源取自主控400V主开关下口，免除在本方案电源柜（箱）内另安装防雷器件。在机舱新装一台控制箱，用于在机舱进行常用电源与备用电源的切换[5]。

2）在市电做为常用电源正常供电时，常用电源接触器KM1吸合，风机照明（以下称负载）由市电供电，同时市电通过充电器为超级电容充电。KM1的常闭辅助触点打开，使逆变器输出的220VAC不向负载提供电能，同时防止市电流入逆变器的输出端使逆变器损坏。当市电正常供电时，位于塔底的HR1和位于机舱的HR3点亮，方便运维人员直观判断市电的供电情况。

3）当市电掉电后，常用电源接触器KM1因失电而脱开，KM1的常闭辅助触点闭合，备用电源接触器满足KM2吸合的条件之一。同时，KM1常闭辅助触点闭合，使位于塔底和机舱的蜂鸣器HR2和HR4由逆变器供电闪烁并鸣响，以提示运维人员市电失电。

a.当市电已经失电时，进入风机内应将SA1置于自动位置，KM2吸合，超级电容通过逆变器向负载供电。离开风机前置于手动位置（1或2不使KM2吸合的位置），以防止无人工作而市电失电浪费超级电容电量。

b.当运维人员在风机内工作时市电突然失电，可将塔底的SA1置于手动1、手动2位置或将机舱的SA2置于1、2位置，以开启配用电源照明。

4）备用电源柜（箱）上安装直流电压表可以观察超级电容电压。

5）由于超级电容低温性能非常好，所以在备用电源柜（箱）外部做适当的保温即可，不需要进行额外的柜内加热器件。

2.2 选型计算

1）在风力发电机组内通常使用LED光源做为照明设备，LED光源的照度率为80~100lm/W[6]，风力发电机组在塔筒内安装8只20WLED灯具、在机舱[8]内安装7只20WLED灯具、在轮毂[9]内安装3只20WLED灯具，总计单台风力发电机组照明功率为360W，根据应急照明需要时间为0.5小时，则共计消耗能量为648kJ。逆变器[7]的效率约为93%，则超级电容所需释放的能量约为700kJ。

2）选用48V165F超级电容做为备用电源[10]，则单只电容器从48V放电至12V时所释放出的能量可以根据下式计算