在當前全球能源安全問題突出、環境污染問題嚴峻的大背景下，加快發展風電已成為國際社會推動能源轉型發展、應對全球氣候變化、實現經濟可持續發展的普遍共識。中國可再生能源近年來發展迅猛，2030年前中國可再生能源的發電量占比將達30%以上。

變槳系統作為風電機組的重要控制與保護裝置，承擔著控制槳葉捕獲風能的重要作用。當風電機組出現故障時，需要通過變槳系統控制槳葉收槳至安全位置，實現空氣制動剎車；而當電網供電異常情況下，變槳系統則需要利用系統自身后備電源提供能量，實現收槳功能。

隨著變槳技術的不斷發展，變槳系統主流后備電源已由傳統的鉛酸電池轉變為超級電容，而后備電源容量計算與選型將直接影響到系統的安全與成本。

1 后備電源類型的更迭

1859年，由法國人普蘭特發明了鉛酸電池，使用含氧化鉛的材料制成鉛板作為正極，海綿狀纖維活性物制成的鉛板作為負極，內填充稀硫酸作為電解液傳導電子。早期的變槳系統多為7柜結構，其中包含3個后備電源柜，用以安裝鉛酸電池組。在風電機組的現場運行中，變槳系統使用的鉛酸電池出現了故障多、壽命短等情況。

據統計，在風電機組的壽命周期內，鉛酸電池通常被更換三、四次，鉛酸電池的費用可達變槳系統總投資的50%以上，無論從經濟效益還是系統運行可靠性角度，使用鉛酸電池作后備電源均已成為變槳系統中十分薄弱的環節。

超級電容器是1879年由德國物理學家亥姆霍茲提出的具有法拉級的超大電容器。該電容器是20世紀60年代發展起來的一種基于雙電層理論基礎，介于蓄電池和傳統電容器之間的全新儲能器件。超級電容正負極為碳活性物和粘合劑經過一定配比混合而成的極片材料，內填充含有機材料的電解液。

在超級電容充放電時，其正負極利用極化反應吸附電解液中的正負離子，形成雙電層結構進行儲能，其儲能過程為物理反應，并不會發生化學反應，所以超級電容在壽命上相較于其他儲能設備具有極大優勢。

目前隨著儲能技術的發展，使用超級電容作為后備電源已受到越來越多廠商的關注。超級電容因其功率密度高、充電速度快、循環壽命長、工作溫度范圍寬等優點，非常適用于工作環境嚴酷的風力發電機組變槳系統的后備電源。

根據當前變槳系統相關國標的設計要求，鉛酸電池作為后備電源時，系統在整個變槳范圍內，其順槳能力不少于3次；而超級電容作為后備電源時，其順槳能力不少于1次。因此相對于鉛酸電池，超級電容的選型和分析對后備電源的計算精度和準確性要求更高。

2 后備電源順槳能力的測試與要求

變槳系統后備電源順槳能力通過加載試驗進行測試與驗證。當變槳系統加載試驗時，應在與實際工作等效的工況條件下進行，在試驗過程中，由加載系統來模擬槳葉等效載荷，完成被測系統的一系列加載試驗。電動變槳距加載試驗平臺示意圖如圖1所示。

圖1 電動變槳距加載試驗平臺

風力發電在中國發展已有十余年，但葉片載荷作為整機廠家的核心數據，在行業發展之初并未向部件廠家公開，整機廠家習慣以變槳系統額定轉矩作為變槳系統的設計和型式試驗的參考力矩。而當校驗后備電源順槳能力時，也習慣以額定轉矩這一恒定值來檢驗順槳的次數。

通過風場試驗數據可知，變槳系統在0°～90°范圍內運行時，其輸出轉矩是一個變化值。因此，若以變槳系統額定轉矩作為計算和檢驗后備電源能量，將產生一定的偏差，并可能提高整個變槳系統的生產成本。

本文編自2021年第1期《電氣技術》，論文標題為“基于葉片載荷的變槳后備電源能量計算方法”，作者為王振威、劉佳偉、呂峰。