基于純鉛電池的風機發(fā)電機組備用電源系統(tǒng)

李 鋒

（新疆金風科技股份有限公司，烏魯木齊 830011）

目前風力發(fā)電機組變槳系統(tǒng)的備用電源基本采用兩種方式：①采用鉛酸蓄電池作為備用電源；②采用超級電容作為備用電源。采用鉛酸蓄電池雖然價格便宜，但是存在以下缺點：①充電時間長；②壽命短；③低溫性能差等缺點使得鉛酸蓄電池在風力發(fā)電機組的應用過程暴露出越來越多的問題。而采用超級電容作為備用電源，往往因為價格昂貴導致風力發(fā)電機組成本偏高。

同時相比于超級電容來說，純鉛蓄電池的價格相對低廉，可以使得風力發(fā)電機組備用電源系統(tǒng)獲得更好的性價比。因此本文提出了基于純鉛蓄電池的風機發(fā)電機組備用電源系統(tǒng)設計。

1 目前鉛酸蓄電池方案的問題分析

鉛酸蓄電池作為儲能設備普遍運行于風力發(fā)電機組的備用電源系統(tǒng)，但是鉛酸蓄電池故障也越來越多，更換頻次越來越頻繁，其造成該問題的主要原因有以下幾點。

1）環(huán)境溫度高，造成鉛酸蓄電池壽命下降。如圖 1所示，當環(huán)境溫度在 0℃～10℃時，鉛酸蓄電池浮充壽命可以達到 10年，而環(huán)境溫度在 40℃～50℃時，鉛酸蓄電池浮充壽命只有不足1年的時間。而目前我國大部分的風力發(fā)電機組都“三北”地區(qū)，夏季高溫炎熱，機艙平均運行在40℃左右，有時甚至可以達到55℃，這極大地降低了鉛酸蓄電池的浮充壽命。

2）低溫下加熱方式不當，造成鉛酸蓄電池局部過熱，從而造成鉛酸蓄電池壽命下降。目前好多廠家的備用電池系統(tǒng)抵抗低溫對系統(tǒng)的影響的方式均采用加熱的方式。那么加熱器件的安裝位置對鉛酸蓄電池也有影響，如圖2所示，有些廠家將加熱板貼在固定鉛酸蓄電池安裝板的背面，利用熱傳動的原理，在低溫環(huán)境，對鉛酸蓄電池進行加熱。然后方式極易對鉛酸蓄電池產(chǎn)生局部過熱的問題，從而導致鉛酸蓄電池的浮充壽命降低。

圖1 環(huán)境溫度對鉛酸蓄電池浮充壽命的影響

圖2 加熱方式示意圖

3）充電方式不合理，造成鉛酸蓄電池容量不足，從而使其浮充壽命下降，如圖3所示。對于單體12V 5.2Ah的鉛酸蓄電池來說，其浮充電壓為13.7V DC，在充電過程中，當鉛酸蓄電池電壓從12.7V DC升至13.7V DC時，其容量僅為額定容量的80%，未到其額定容量。倘若在該容量下放電，很容易造成鉛酸蓄電池的深度發(fā)電，從而影響鉛酸蓄電池的壽命。

圖3 鉛酸電池充電特性曲線圖

2 純鉛電的優(yōu)點

純鉛電池的正負極板均采用 99.99%的純鉛作為電極材料，同時其極板較普通的鉛酸電池要薄，因此其相對于鉛酸電池有以下幾個方面的優(yōu)點。

1）良好的低溫工作能力

純鉛電池采用較薄的極板，相對與鉛酸電池而言，在同樣電壓和容量下其極板的表面積相對較大。加之純鉛電池擁有較小的阻抗特性使純鉛電池，能夠更好地利用活性材料，從而使其在較寬的溫度范圍內(nèi)有著良好的電壓調(diào)節(jié)能力。

2）快速充放電能力

純鉛電池的薄極板設計方式使其能夠更好利用活性材料同時也使得其電池內(nèi)阻較鉛酸電池有所下降，這就使得電池能夠進行短時快速發(fā)電。同時由于其電池內(nèi)阻較小，也使純鉛電池相比于鉛酸電池而言能夠更快速地充滿能量。

3）較長的浮充壽命

純鉛電池在環(huán)境溫度為25℃時，浮充壽命可以達到 10年。在環(huán)境溫度為 20℃時，浮充壽命可以達到15年。

3 純鉛電池備用電源方案設計

根據(jù)上面對鉛酸蓄電池的風力發(fā)電機組備用電源系統(tǒng)分析所得到目前鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)失效的3個原因，該設計方案針對某廠家1.5MW，掃風直徑為82m風機，從結(jié)構(gòu)、環(huán)境溫度控制等方面，重新設計了基于純鉛電池的備用電源系統(tǒng)。

3.1 純鉛電池備用電源系統(tǒng)能量計算

純鉛電池備用電源系統(tǒng)作為風力發(fā)電機組備用電源，首要作用是當風機發(fā)送主電源斷電故障時，能夠為變槳系統(tǒng)提供相應的能量使其將風機葉片順槳至安全位置。該系統(tǒng)設計理論計算和動態(tài)仿真兩個方面對系統(tǒng)所需能量進行精算。

1）理論計算

假定斷電情況下，變槳收槳速度為7.5°/s，槳葉從0°位置回槳至安全位置即90°，則利用下面公式：

式中，E為槳葉從0°回到安全位置所需能量，kJ；T為變槳電機額定扭矩，N·m；W為變槳電機收槳時電機轉(zhuǎn)速，r/min；t為槳葉從0°位置回槳至安全位置所需時間，s；η1為變頻器效率；η2為電機效率。

通過上式計算，可以得到8215機型槳葉回槳一次所需能量為86kJ，根據(jù)《風力發(fā)電機組電動變槳技術(shù)規(guī)范》規(guī)定中對電池容量的規(guī)定，即滿足三次緊急回槳的要求，可以得到基于純鉛電池的備用電源系統(tǒng)需要總的能量為258kJ。

2）仿真計算

仿真計算是按照 GL相關(guān)載荷設計標準，以極端風速作為參考標準并利用下面公式：

式中，E為槳葉從0°回到安全位置所需能量，kJ；Ti為i時刻時變槳電機的扭矩值，N·m；Wi為i時刻時變槳電機的轉(zhuǎn)速，r/min。

根據(jù)GL相關(guān)載荷標準參數(shù)，仿真并計算得到其8215風力發(fā)電機組單次最大回槳能量需求為72.6kJ。

通過對理論計算和仿真計算，選取最大能量值為純鉛電池變槳系統(tǒng)備用電源系統(tǒng)所需最小能量。

3.2 純鉛電池組設計

純鉛電池組設計是指兩個方面，即電池數(shù)量和電池連接方式。而影響這兩個方面的因素主要有以下3個方面的因素：①變槳驅(qū)動器直流母線電壓的適應性；②純鉛電池組所需提供的能量；③結(jié)構(gòu)布局。

本設計方案是針對的變槳驅(qū)動器直流母線電壓為240V所設計的方案，所需能量按照3.1中得到純鉛電池備用電源系統(tǒng)所需能量為準，同時考慮到純鉛電池組將放置 760mm×600mm×350mm 的柜體中，因此選用單體為12V 5.2Ah的純鉛電池，數(shù)量為30節(jié)，采用串聯(lián)形式組成額定電壓為360V 5.2Ah的純鉛電池組。

3.3 柜體設計

綜合本文第一節(jié)所述的目前鉛酸蓄電池方案的不足，本設計采用以下設計優(yōu)化。

1）柜體采用上下兩層設計，對單個純鉛電池采用獨立臥槽設計，從而保證鉛酸蓄電池間留有足夠的空間用于空氣流通（如圖4所示）。

圖4 柜體示意圖

2）柜體采用內(nèi)循環(huán)風扇加熱輻射的形式進行柜體加熱，從而保證在滿足柜體加熱的同時做到柜體內(nèi)溫度均衡，不會出現(xiàn)局部過溫現(xiàn)象（如圖5所示）。

圖5 加熱器示意圖

4 風場驗證

該風力發(fā)電機組備用電源系統(tǒng)已經(jīng)在甘肅某風場1.5MW雙饋風力發(fā)電機組安裝運行。通過對現(xiàn)場變槳進行斷電緊急回槳實驗來驗證該備用電源系統(tǒng)性能，實驗分成四部分：第一部分為充電測試；第二部分為從60°順槳至安全位置；第三部分為從0°順槳至安全位置；第四部分為運行統(tǒng)計。

4.1 充電測試

通過對純鉛電池備用電源系統(tǒng)進行充電，相應的充電時間如圖6所示。

圖6 純鉛電池備用電源系統(tǒng)充電時間統(tǒng)計

根據(jù)圖 6，經(jīng)計算純鉛電池從放電完成到浮充狀態(tài)（具備起機條件）時間為14.2min。

相比之下，鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)的充電數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)充電時間統(tǒng)計

根據(jù)圖7經(jīng)計算純鉛電池從放電完成到浮充狀態(tài)（具備起機條件）時間為4∶16∶1。

通過圖6和圖7的比較可以看出，純鉛電池備用電源系統(tǒng)在充電時間比鉛酸電池備用電源系統(tǒng)更快速充電的特性。

4.2 從60°回槳至安全位置結(jié)果

圖8 風機槳葉從60°收槳至安全位置

圖9 槳葉從60°回槳至安全位置時，電池電壓變化情況

圖10 槳葉從60°回槳至安全位置時，電池電流變化情況

通過以上數(shù)據(jù)分析可以得到以下結(jié)論：

當3個槳葉斷電緊急回槳至60°時，電池電壓從開始的388.8V DC降至384.19V DC，降低幅度為4.61V DC。

整個回槳過程中，消耗能量為0.0063Ah，占總能量比例約為0.12%，峰值功率為3.115kW。

4.3 從0°回槳至安全位置結(jié)果

圖11 風機槳葉從0°回槳至安全位置

圖12 槳葉從0°回槳至安全位置時，電池電壓變化情況

圖13 槳葉從0°回槳至安全位置時，電池電流變化情況

通過以上數(shù)據(jù)分析可以得到以下結(jié)論：

當3個槳葉斷電緊急回槳至90°時，電池電壓從開始的388.68V DC降至381.84V DC，降低幅度為6.84DC。

整個回槳過程中，消耗能量為0.0146Ah，占總能量比例約為0.28%，峰值功率為2.565kW。

從以上兩個測試方案所得結(jié)論可以看出，基于該純鉛電池的風力發(fā)電機組備用電源系統(tǒng)能夠完全滿足風力發(fā)電機組變槳需求。

4.4 運行統(tǒng)計

該系統(tǒng)于2017年7月初在風機上運行，通過在風場3個月的運行，其故障列表見表1。

表1 純鉛電池備用電源系統(tǒng)運行故障記錄

與之相比鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)的運行時的故障列表見表2。

表2 鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)運行故障記錄

通過表1和表2的對比可以看出，在運行的3個月的時間內(nèi)純鉛電池備用電源系統(tǒng)僅出現(xiàn)2次故障且故障時間較短，而鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)不僅出現(xiàn)4次故障，而且故障時間較長。因此，表明該系統(tǒng)能夠降低風力發(fā)電機組電源相關(guān)故障。

5 結(jié)論

本文首先對目前風力發(fā)電機組變槳鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)的問題進行了詳細的分析，并找到了問題的原因。然后基于問題的原因利用純鉛電池的優(yōu)點設計出基于純鉛電池的風力發(fā)電機組備用電源系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)進行機組測試，測試證明：該純鉛電池備用電源系統(tǒng)完全滿足風力發(fā)電機組的變槳需求。同時該系統(tǒng)已在風機運行3個月的時間，期間未報出過任何問題。

根據(jù)以上描述可以說明，基于純鉛電池備用電源系統(tǒng)是解決目前鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)所出現(xiàn)的故障的手段之一，有利于降低風力發(fā)電機組故障率。

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