在当前全球能源安全问题突出、环境污染问题严峻的大背景下，加快发展风电已成为国际社会推动能源转型发展、应对全球气候变化、实现经济可持续发展的普遍共识。中国可再生能源近年来发展迅猛，2030年前中国可再生能源的发电量占比将达30%以上。

变桨系统作为风电机组的重要控制与保护装置，承担着控制桨叶捕获风能的重要作用。当风电机组出现故障时，需要通过变桨系统控制桨叶收桨至安全位置，实现空气制动刹车；而当电网供电异常情况下，变桨系统则需要利用系统自身后备电源提供能量，实现收桨功能。

随着变桨技术的不断发展，变桨系统主流后备电源已由传统的铅酸电池转变为超级电容，而后备电源容量计算与选型将直接影响到系统的安全与成本。

1 后备电源类型的更迭

1859年，由法国人普兰特发明了铅酸电池，使用含氧化铅的材料制成铅板作为正极，海绵状纤维活性物制成的铅板作为负极，内填充稀硫酸作为电解液传导电子。早期的变桨系统多为7柜结构，其中包含3个后备电源柜，用以安装铅酸电池组。在风电机组的现场运行中，变桨系统使用的铅酸电池出现了故障多、寿命短等情况。

据统计，在风电机组的寿命周期内，铅酸电池通常被更换三、四次，铅酸电池的费用可达变桨系统总投资的50%以上，无论从经济效益还是系统运行可靠性角度，使用铅酸电池作后备电源均已成为变桨系统中十分薄弱的环节。

超级电容器是1879年由德国物理学家亥姆霍兹提出的具有法拉级的超大电容器。该电容器是20世纪60年代发展起来的一种基于双电层理论基础，介于蓄电池和传统电容器之间的全新储能器件。超级电容正负极为碳活性物和粘合剂经过一定配比混合而成的极片材料，内填充含有机材料的电解液。

在超级电容充放电时，其正负极利用极化反应吸附电解液中的正负离子，形成双电层结构进行储能，其储能过程为物理反应，并不会发生化学反应，所以超级电容在寿命上相较于其他储能设备具有极大优势。

目前随着储能技术的发展，使用超级电容作为后备电源已受到越来越多厂商的关注。超级电容因其功率密度高、充电速度快、循环寿命长、工作温度范围宽等优点，非常适用于工作环境严酷的风力发电机组变桨系统的后备电源。

根据当前变桨系统相关国标的设计要求，铅酸电池作为后备电源时，系统在整个变桨范围内，其顺桨能力不少于3次；而超级电容作为后备电源时，其顺桨能力不少于1次。因此相对于铅酸电池，超级电容的选型和分析对后备电源的计算精度和准确性要求更高。

2 后备电源顺桨能力的测试与要求

变桨系统后备电源顺桨能力通过加载试验进行测试与验证。当变桨系统加载试验时，应在与实际工作等效的工况条件下进行，在试验过程中，由加载系统来模拟桨叶等效载荷，完成被测系统的一系列加载试验。电动变桨距加载试验平台示意图如图1所示。

图1 电动变桨距加载试验平台

风力发电在中国发展已有十余年，但叶片载荷作为整机厂家的核心数据，在行业发展之初并未向部件厂家公开，整机厂家习惯以变桨系统额定转矩作为变桨系统的设计和型式试验的参考力矩。而当校验后备电源顺桨能力时，也习惯以额定转矩这一恒定值来检验顺桨的次数。

通过风场试验数据可知，变桨系统在0°～90°范围内运行时，其输出转矩是一个变化值。因此，若以变桨系统额定转矩作为计算和检验后备电源能量，将产生一定的偏差，并可能提高整个变桨系统的生产成本。

本文编自2021年第1期《电气技术》，论文标题为“基于叶片载荷的变桨后备电源能量计算方法”，作者为王振威、刘佳伟、吕峰。