2024年4月2日发(作者：利晓曼)
用于风力发电变桨距控制系统的超级电容模组的设计与制作
摘要：由于超级电容具有可以快速充放电、循环寿命长等优异性能，因此非常适合用
于风力发电变桨系统的储能装置。本文分析了超级电容模组的设计原理、设计方法和制作
方法，并通过实例阐述了其在风力发电变桨控制系统中的应用。
关键词：风力发电;超级电容模组;设计;制作
1引言
风力发电变桨距控制系统在市电正常时，依靠市电供电，为了保证当市电停止后，风
力发电变桨距控制系统仍然可以工作一段时间，需要为系统提供一定工作能量的储能装置。
储能装置储存能量的大小，根据用电设备的功率和备用时间确定。有一些储能装置采用蓄
电池等作为储能装置，其主要缺点是重量较重、体积较大、循环寿命短、维护成本较高，
同时充放电效率低，对工作温度要求也较严格。
超级电容也叫做电化学电容器，是近期发展起来的一种新型储能元件，它既像静电电
容一样具有很高的放电功率，又像电池一样具有很大的电荷储存能力，使得这两种元件之
间找到了一个最佳的结合点。它性能稳定，比容量为传统电容器的20~200倍，比功率一
般大于1000W/Kg，循环寿命大于105次，可存储的能量比传统电容要高得多，并且充电
快速。由于它们的使用寿命非常长，可被应用于终端产品的整个生命周期。
超级电容模组是由单只超级电容串联并配以均压电路组合而成的，具有超级电容的优
点并且具有一定的耐压的电容器体。超级电容模组的出现，就可以很好的弥补铅酸电池等
储能器件的缺陷，工作温度范围宽（-40℃到+70℃），解决了铅酸电池在室外寒冷条件下
使用效率大大降低的问题。充放电循环50万次，大大提升了储能器件的使用寿命。充放
电速度快，无记忆效应，大电流放电几乎对超级电容寿命无影响。基于这些诸多优点，超
级电容模组被用于风力发电变桨距控制系统的的储能装置，在电力出现故障的情况下，由
超级电容器模组来给这样的系统存储和提供能源。
2超级电容模组设计
2.1设计原理
单只超级电容器电压一般比较低，有2.5V和2.7V两种。而实际应用电路的工作电压
要远高于单只超级电容器的工作电压，因此需要十几个甚至几十个串联配成超级电容模组，
才能满足实际应用系统对电压和能量等级的需要。需要串联的超级电容的数量n串联=超
级电容模组最大工作电压/单只超级电容器额定电压，串联后的电容值C=C单只/n串联。
2.2设计方法
同一型号规格的超级电容器在电压、内阻、容量等参数上存在着差异，这将导致串联
超级电容器单体上电压不一致，电容量小的电容器将会出现过压，过压工作将会引起超级
电容器内部的电解质分解，致使电容器损坏。因此需要通过合适的均压电路使得串联超级
电容器单体电压保持一致。
为选择合适阻值的均压电阻，需要计算整个充电过程中各串联超级电容器单体的电压。
一个超级电容器单体的等效模型为一个理想电容C与一个等效并联内阻EPR并联，再串联
一个等效串联内阻ESR，多个单体超级电容器串联充电的等效电路如图1所示。其中，Ra
为充电电阻，Rb为均压电阻。
图1恒压充电等效电路图
为了使充电结束时超级电容模组上电压接近恒压源电压，均压电阻Rb必须比充电电
阻Ra大一个数量级以上，否则会导致超级电容器电压稳定和低于额定电压值。等效并联
内阻EPR代表超级电容器自放电，并联均压电阻Rb会导致超级电容器更快的自放电。为
了满足电压均衡和不过分增大超级电容器泄漏电流的要求，取Rb≈0.01～0.1EPR。
3超级电容模组制作
3.1 单体电容检查
通常选择品牌较好的超级电容器可以确保其品质稳定，但在使用前仍必须对其外观仔
细进行检查，特别是封口焊处确保没有缺陷，电容壳体无损伤和漏液等。
3.2均压电阻选用
为使得串联超级电容器单体电压保持一致，通常选用精度较高的金属膜电阻作为均压
电阻，并按0.1%精度进行测试分类。
3.3焊接
在环境温度为20℃左右，有良好通风设备无粉尘污染的环境中，使用恒温焊台，在
320℃左右的焊接温度下，用焊锡丝焊接电源正负极引出线及连接线，并根据均压电阻的
阻值，将阻值相同或相近的一类电阻尽量焊接在同一块线路板上，调整电阻管脚，使其离
锡面距离为2mm左右，同时焊接电容管脚，注意电容管脚挂锡焊接的时间不能超过5S，
最后把线路板上的锡焊接熔化均匀。焊接完成后要检查电容和电阻有无虚焊现象，用洗板
水清洗整个线路板使其光亮整洁，线路板应有防腐涂层。
3.4测试
对超级电容模组使用恒压源进行充放电测试，不少于两个循环，使用数字万用表测量
电压并记录测试数据，对比分析电容充放电是否正常，有无虚焊及异常现象；如发现异常
及时停止充放电测试，检查原因并调整改善，改善完成后继续进行充放电测试，直至合格。
4超级电容模组设计制作实例
表1列出了风力发电驱动桨距调节电机的电力要求
表1 电力规格要求
为了满足表1中规定的电力要求，超级电容储能系统设计成在电力出现故障的情况下，
将由三个210V的超级电容模组驱动桨距调节电机。此配置将提供给桨距调节系统约90%
的20秒放电时间要求。
通过紧凑的结构设计，制作成如图2所示的额定电压为210V超级电容模组，其峰值
电压为226V，最大放电电流>100A( 1秒放电速率达到额定电压的1/2), 最大储存能量
107.1 kJ (29.7Wh)，有效能量63.5 kJ (17.6Wh), 能量密度可达1.89 Wh/L
图2超级电容模组爆炸示意图
图3所示为630V2.0F配置模拟恒功率放电电压和电流曲线。此配置由三个210V的
超级电容模组串联组成，工作电压范围从630V到350V。模拟估计，630V的配置可以提
供恒定的放电功率为10kW，持续时间17.6秒，如图1所示。
模拟值可能与真实系统的测量值不同。
图3 630V2.0F配置模拟恒功率放电
5结论
超级电容模组是一种新型储能装置，其将能量储存在电极与电解液界面，具有介于电
容和化学电源之间的储能性质。与蓄电池相比，其寿命长、能够短时释放大电流、能量状
态易于检测、效率高、温度工作范围宽及易于维护。所以，在变桨UPS的应用场合，超级
电容模组具有蓄电池所无法比拟的优点。从目前风能发电的发展趋势来看，兆瓦级风机都
将使用电动变桨系统，而使用超级电容模组的风电变桨UPS，目前公认为电动变桨系统紧
急备用电源的最佳解决方案。通过对超级电容模组设计的不断完善，其尺寸更紧凑，能量
密度和功率密度进一步提升，在风力发电上的应用将会越来越广泛。
6 参考文献
1.刘革菊，董立新.超级电容器应用介绍.山西电子技术，2012，2
2024年4月2日发(作者：利晓曼)
用于风力发电变桨距控制系统的超级电容模组的设计与制作
摘要：由于超级电容具有可以快速充放电、循环寿命长等优异性能，因此非常适合用
于风力发电变桨系统的储能装置。本文分析了超级电容模组的设计原理、设计方法和制作
方法，并通过实例阐述了其在风力发电变桨控制系统中的应用。
关键词：风力发电;超级电容模组;设计;制作
1引言
风力发电变桨距控制系统在市电正常时，依靠市电供电，为了保证当市电停止后，风
力发电变桨距控制系统仍然可以工作一段时间，需要为系统提供一定工作能量的储能装置。
储能装置储存能量的大小，根据用电设备的功率和备用时间确定。有一些储能装置采用蓄
电池等作为储能装置，其主要缺点是重量较重、体积较大、循环寿命短、维护成本较高，
同时充放电效率低，对工作温度要求也较严格。
超级电容也叫做电化学电容器，是近期发展起来的一种新型储能元件，它既像静电电
容一样具有很高的放电功率，又像电池一样具有很大的电荷储存能力，使得这两种元件之
间找到了一个最佳的结合点。它性能稳定，比容量为传统电容器的20~200倍，比功率一
般大于1000W/Kg，循环寿命大于105次，可存储的能量比传统电容要高得多，并且充电
快速。由于它们的使用寿命非常长，可被应用于终端产品的整个生命周期。
超级电容模组是由单只超级电容串联并配以均压电路组合而成的，具有超级电容的优
点并且具有一定的耐压的电容器体。超级电容模组的出现，就可以很好的弥补铅酸电池等
储能器件的缺陷，工作温度范围宽（-40℃到+70℃），解决了铅酸电池在室外寒冷条件下
使用效率大大降低的问题。充放电循环50万次，大大提升了储能器件的使用寿命。充放
电速度快，无记忆效应，大电流放电几乎对超级电容寿命无影响。基于这些诸多优点，超
级电容模组被用于风力发电变桨距控制系统的的储能装置，在电力出现故障的情况下，由
超级电容器模组来给这样的系统存储和提供能源。
2超级电容模组设计
2.1设计原理
单只超级电容器电压一般比较低，有2.5V和2.7V两种。而实际应用电路的工作电压
要远高于单只超级电容器的工作电压，因此需要十几个甚至几十个串联配成超级电容模组，
才能满足实际应用系统对电压和能量等级的需要。需要串联的超级电容的数量n串联=超
级电容模组最大工作电压/单只超级电容器额定电压，串联后的电容值C=C单只/n串联。
2.2设计方法
同一型号规格的超级电容器在电压、内阻、容量等参数上存在着差异，这将导致串联
超级电容器单体上电压不一致，电容量小的电容器将会出现过压，过压工作将会引起超级
电容器内部的电解质分解，致使电容器损坏。因此需要通过合适的均压电路使得串联超级
电容器单体电压保持一致。
为选择合适阻值的均压电阻，需要计算整个充电过程中各串联超级电容器单体的电压。
一个超级电容器单体的等效模型为一个理想电容C与一个等效并联内阻EPR并联，再串联
一个等效串联内阻ESR，多个单体超级电容器串联充电的等效电路如图1所示。其中，Ra
为充电电阻，Rb为均压电阻。
图1恒压充电等效电路图
为了使充电结束时超级电容模组上电压接近恒压源电压，均压电阻Rb必须比充电电
阻Ra大一个数量级以上，否则会导致超级电容器电压稳定和低于额定电压值。等效并联
内阻EPR代表超级电容器自放电，并联均压电阻Rb会导致超级电容器更快的自放电。为
了满足电压均衡和不过分增大超级电容器泄漏电流的要求，取Rb≈0.01～0.1EPR。
3超级电容模组制作
3.1 单体电容检查
通常选择品牌较好的超级电容器可以确保其品质稳定，但在使用前仍必须对其外观仔
细进行检查，特别是封口焊处确保没有缺陷，电容壳体无损伤和漏液等。
3.2均压电阻选用
为使得串联超级电容器单体电压保持一致，通常选用精度较高的金属膜电阻作为均压
电阻，并按0.1%精度进行测试分类。
3.3焊接
在环境温度为20℃左右，有良好通风设备无粉尘污染的环境中，使用恒温焊台，在
320℃左右的焊接温度下，用焊锡丝焊接电源正负极引出线及连接线，并根据均压电阻的
阻值，将阻值相同或相近的一类电阻尽量焊接在同一块线路板上，调整电阻管脚，使其离
锡面距离为2mm左右，同时焊接电容管脚，注意电容管脚挂锡焊接的时间不能超过5S，
最后把线路板上的锡焊接熔化均匀。焊接完成后要检查电容和电阻有无虚焊现象，用洗板
水清洗整个线路板使其光亮整洁，线路板应有防腐涂层。
3.4测试
对超级电容模组使用恒压源进行充放电测试，不少于两个循环，使用数字万用表测量
电压并记录测试数据，对比分析电容充放电是否正常，有无虚焊及异常现象；如发现异常
及时停止充放电测试，检查原因并调整改善，改善完成后继续进行充放电测试，直至合格。
4超级电容模组设计制作实例
表1列出了风力发电驱动桨距调节电机的电力要求
表1 电力规格要求
为了满足表1中规定的电力要求，超级电容储能系统设计成在电力出现故障的情况下，
将由三个210V的超级电容模组驱动桨距调节电机。此配置将提供给桨距调节系统约90%
的20秒放电时间要求。
通过紧凑的结构设计，制作成如图2所示的额定电压为210V超级电容模组，其峰值
电压为226V，最大放电电流>100A( 1秒放电速率达到额定电压的1/2), 最大储存能量
107.1 kJ (29.7Wh)，有效能量63.5 kJ (17.6Wh), 能量密度可达1.89 Wh/L
图2超级电容模组爆炸示意图
图3所示为630V2.0F配置模拟恒功率放电电压和电流曲线。此配置由三个210V的
超级电容模组串联组成，工作电压范围从630V到350V。模拟估计，630V的配置可以提
供恒定的放电功率为10kW，持续时间17.6秒，如图1所示。
模拟值可能与真实系统的测量值不同。
图3 630V2.0F配置模拟恒功率放电
5结论
超级电容模组是一种新型储能装置，其将能量储存在电极与电解液界面，具有介于电
容和化学电源之间的储能性质。与蓄电池相比，其寿命长、能够短时释放大电流、能量状
态易于检测、效率高、温度工作范围宽及易于维护。所以，在变桨UPS的应用场合，超级
电容模组具有蓄电池所无法比拟的优点。从目前风能发电的发展趋势来看，兆瓦级风机都
将使用电动变桨系统，而使用超级电容模组的风电变桨UPS，目前公认为电动变桨系统紧
急备用电源的最佳解决方案。通过对超级电容模组设计的不断完善，其尺寸更紧凑，能量
密度和功率密度进一步提升，在风力发电上的应用将会越来越广泛。
6 参考文献
1.刘革菊，董立新.超级电容器应用介绍.山西电子技术，2012，2