SSB LC-SBL127R2CN06變槳蓄電池 變槳控制系統簡介

總體概述

如今，風力渦輪機中的變槳控制系統已成為標準組件。槳距控制系統根據風力渦輪機的運行策略連續調整葉片槳距。這確保了風力渦輪機的恒定功率輸出。

由于開發具有更大轉子直徑的大型風力渦輪機以實現更高功率輸出的持續趨勢，整個系統受到不均勻風場的額外影響，其中高點的風速可能與低點。這導致各個葉片、軸、齒輪箱和整個風力渦輪機結構上的受力不均勻。變槳控制系統可用于補償這種機械應力，以延長風力渦輪機的使用壽命。

作為電網故障時的應急功能，儲能系統提供足夠的能量使葉片返回中立位置，以確保安全停機。此功能可防止風力渦輪機的嚴重損壞或完全損失。

變槳控制系統可構建為電氣或液壓系統。兩種版本都適合不同的環境條件。

液壓變槳控制系統

現場大約 35% 至 40% 的風力渦輪機配備了液壓變槳控制系統。這些系統包括用于轉動刀片的液壓執行器、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艙內，執行機構和蓄能罐安裝在旋轉輪轂內。

液壓系統的一個顯著優點是其復雜性相對較低，因為不需要齒輪來調節葉片。此外，初始系統成本較低。

液壓系統的一個典型弱點是泵連續運行導致的高能耗。此外，高壓還會導致液壓部件出現細小裂紋。液壓油的使用需要定期維護，并且隨著時間的推移存在漏油的風險。

盡管如此，液壓變槳控制系統已經在現場證明了其可靠性。

SSB LC-SBL127R2CN06變槳蓄電池電動變槳控制系統

電動變槳控制系統包括用于轉動葉片的機電致動器、電氣控制器、電源裝置和能量存儲系統。電源裝置安裝在機艙內，執行器和儲能器安裝在旋轉輪轂內?；h確保動力從機艙傳輸到輪轂。

這些系統的主要優點是效率高。根據儲能解決方案，可以實現較長的維護間隔。由于維護要求較低，持續運營成本也較低。已使用兩種類型的能量存儲系統：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的典型缺點是電池本身的重復維護工作以及電池監控中的組件數量較多，這增加了整個系統的復雜性。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的相關維護成本。

圖1 獨立機電變槳距執行器

SSB LC-SBL127R2CN06變槳蓄電池電池變槳控制系統

現場大約 35% 至 45% 的風力渦輪機配備了電池電動變槳控制系統。

如今，基于電池的變槳控制系統和基于超級電容器的系統的初始成本是相等的。基于電池的系統可能具有復雜的充電和監控系統，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

現場大約 20% 至 30% 的風力渦輪機配備了超級電容器電氣變槳控制系統。

基于超級電容器的變槳控制系統比基于電池的系統具有更低的總擁有成本。由于充電和監控系統更簡單，不包括儲能本身的電力系統成本往往較低。與電池相比，超級電容器充電速度更快，在惡劣環境條件下性能更好，預計在正常工作條件下可運行長達 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。

超級電容器技術概述

截至2013年底，全球有近3萬臺渦輪機配備了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% 的風力渦輪機制造商。Maxwell 行業的產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。這導致非常高的電容。此外，在充電或放電循環期間不會發生化學反應。

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工作，表現出優異的低溫性能。超級電容器以 97% 或更高的效率運行并不罕見。

根據電池類型，循環壽命在正常工作條件下為 500k 至 1M 充電/放電循環 [4]、[5]。這使得平均使用壽命長達 12 年。Maxwell 與成熟的風力渦輪機制造商合作開發了多種針對電動變槳控制應用進行優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電壓，模塊可以串聯。

超級電容器與電池

儲能技術概述

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

圖3 各種儲能技術的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，持續的高速率循環會對電池性能和壽命產生有害影響。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，即使該需求僅發生幾秒鐘。這導致系統的重量和成本顯著增加。需要復雜的監控系統定期確定 SOC（充電狀態）和 SOH（健康狀態），并確保避免過度充電和過熱情況。低溫環境將需要更大的電池儲能系統，以彌補常見電化學技術較差的低溫性能。電池的使用壽命多只有幾年，并且隨著連續循環和惡劣的環境條件而進一步縮短。這需要定期維護和更換電池。如果這些系統安裝在海上風力渦輪機中，這種維護可能會更加成問題且成本更高。在冬季或暴風雨天氣條件下，海上渦輪機的維護周期可能長達幾個月。

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的良好選擇。電動變槳控制系統的能源需求較低，可以通過超級電容器輕松滿足。葉片槳距順序的典型持續時間約為 30 秒。基于超級電容器的系統更小、更輕，并且不需要過大的尺寸來適應高功率循環。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為是一種綠色技術。

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

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

變槳控制系統的成本占風力渦輪機整個系統成本的比例在3%至5%之間。

目前，基于電池的變槳控制系統和基于超級電容器的變槳控制系統可以以相同的初始成本進行設計?？紤]到總擁有成本，由于超級電容器的使用壽命長且維護量極少，因此平衡轉向了基于超級電容器的系統。在風力渦輪機的位置使得維護變得困難的情況下，這種情況甚至更加嚴重。

初始設計成本

與基于電池的系統相比，基于超級電容器的系統需要更簡單的監控和管理系統。此外，超級電容器的機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。這些情況導致超級電容器變槳控制系統的初始設計成本和硬件工作量降低。

維護成本

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

失去機會成本

由于正常工作條件下更長的產品壽命和更好的老化可預測性，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時間，同時減少維護要求。

比較現金流量

目前，基于電池的變槳控制系統和基于超級電容器的變槳控制系統可以以相同的初始成本進行設計，因此初始系統成本可以設置為 0，以獲得可比較的現金流概覽。

運行成本

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 儲能替代運行成本

總擁有成本

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

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

在風力渦輪機系統中，機電變槳控制系統比液壓變槳控制系統具有顯著的優勢。作為備用儲能系統，可以使用超級電容器或電池。

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

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