[发明专利]基于超级电容器的风电变桨UPS系统及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种风电变桨用的不间断电源(UPS)及其控制方法，尤其是一种风电变桨中使用的由超级电容器组成的不间断电源及其控制方法，具体地说是一种基于超级电容器的风电变桨UPS系统及其控制方法。

背景技术

众所周知，现代风力发电机技术不仅要求最大限度的利用风能，提高效率，而且要求加强整个风机的安全性能。变桨距系统，因其在额定风速下能提高捕获风能效率，获得最佳能量输出，因而逐渐占据了风力发电机的主导地位，特别是在大型风机中获得了越来越多的应用。变桨距系统还必须在风速过快的情况下通过控制叶片来保护风机不被损坏，因此变桨距系统是保证整个风机安全性的关键，对于它本身的安全稳定运行具有很高的要求，必须要配置一套UPS系统以保证在电网电压停电或发生中断或跌落时，变桨距系统还能够正常运行，以防止此时出现风速过快的情况而损坏整个风机。

在发电变桨距系统中，UPS系统的主要功能是一旦电网电压不正常，立即启动给变桨距系统供电，控制叶片转到安全的位置，因此风电变桨UPS系统对于储能单元有着很高的要求。首先，风力发电厂本身的工作环境差异很大，要求风电变桨UPS系统的储能单元具有很强的环境适应能力，不论在什么工作条件下都能够正常工作。其次，UPS系统主要是起着紧急供电的作用，供电时间不是很长，但是对功率的需求很大，这就要求储能单元具有短时大功率吞吐能力。第三，由于现代风机越来越大型化和复杂化，对风机的维修和零件的更换也是越来越困难，因此需要UPS系统具有很长的使用寿命，而且在长时间使用后能够保持性能基本不变，而这其中最主要的就是UPS的储能单元。

在目前的UPS系统中，可充电蓄电池是一种应用非常普遍的储能器件。如铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、镍氢蓄电池等。蓄电池储能具有能量密度高、成本低廉、原材料丰富、制造技术成熟等特点，能够实现大规模生产。但是，采用可充电蓄电池作为UPS的储能单元存在一定的不足之处，无法很好地满足风电变桨UPS系统对储能单元的要求。首先，蓄电池在工作过程中会发生化学反应，引起电极结构的膨胀和收缩，导致蓄电池性能衰减。由于风电变桨UPS系统中的储能单元要不断地吸收和释放能量，特别是在电网供电不可靠的地区为保证风电变桨距系统的供电不间断还要经常进行深度充放电，导致蓄电池使用寿命的缩短，需要经常更换，增加了系统的成本。其次，蓄电池的功率密度较小，在风电变桨距系统的这种大功率应用场合，要配置容量很大的蓄电池组，增加了系统的成本，降低了经济性。另外，蓄电池的能量管理过程非常复杂，其充放电效率较低，需要经常维护或更换，而且使用后的金属材料不易处理，会造成环境污染。在风电变桨距UPS系统中应用蓄电池作为储能单元，从技术性能和经济性能上分析都不是很合适。

超级电容器是近年来出现的一种新型电力储能器件，其存储容量比普通电容器大几个数量级。它是通过使用一种多孔电解质(其介电常数和电压承受能力仍然比较低)加大两极板的面积，从而使储能能力得到提高。超级电容器包括双电层电容器(Electric Double Layer Capacitor)和电化学电容器(Electrochemical Capacitor)。双电层电容器又称为对称型电容器，它的两个电极都采用高比表面积的活性碳，并基于碳电极与电解液界面上的电荷分离产生双电层电容而工作的。电化学电容器又称不对称型电容器，它的一极也是采用活性碳作为电极，另一极采用RuO₂等贵金属氧化物或导电性高分子聚合物作电极，在氧化物或聚合物电极表面及体内发生氧化还原反应而产生吸附电容，又称为法拉第准电容。由于法拉第准电容的产生机理与电池相似，在相同电极面积的情况下，它的电容量是双电层电容的几倍；但双电层电容器瞬间大电流放电的功率特性比法拉第电容器好。

超级电容器具有常规电容器功率密度大的优点，可快速、高效的充放电，且使用寿命长，不易老化。另外，在使用过程中它既不需要冷却装置也不需要加热装置。超级电容器能够安全放电，安装简易，结构紧凑，可适应各种不同的环境，还具有高低温性能良好、能量判断简单准确、无需维护和环境友好等诸多优点。超级电容器的这些优点使得它非常适合取代蓄电池成为风电变桨距UPS系统的储能单元。