UPS蓄電池選型對風電機組運行穩(wěn)定的影響探討

吳江波，周 強，朱明皓

（國家電投集團江西電力有限公司 新能源發(fā)電分公司，江西 南昌 330096）

0 引 言

風電機組中UPS蓄電池的應用能供應穩(wěn)定的電源，避免突發(fā)失電情況下機組中斷運行。UPS蓄電池在連接主機后，直流電在變電器等部分的作用下會向市電進行轉(zhuǎn)變。為使風電機組中UPS蓄電池的作用能夠得到充分發(fā)揮，有必要探索電池選型對機組的影響，在全面深入了解UPS蓄電池選型的基礎上確保其應用的有效性和實效性，保障風電機組運行的穩(wěn)定性。

1 UPS蓄電池分類

綜合國內(nèi)市場目前推出的蓄電池種類來看，主要包含下述3類。

1.1 普通蓄電池

此類型蓄電池的極板是由鉛及鉛的氧化物構(gòu)成，選擇硫酸的水溶液作為電解液。該電池具備穩(wěn)定的電壓，價格不高，但是比能（1 kg蓄電池存儲的電能）相對偏低、日常維護頻繁且使用壽命不長。

1.2 干荷蓄電池

此類型蓄電池也被稱為干式荷電鉛酸蓄電池，其負極板中的儲電能力相對較高，在完全干燥的狀態(tài)下，能在兩年內(nèi)保存所得到的電量，具體使用時僅需將電解液加入并間隔20～30 min即可[1]。

1.3 免維護蓄電池

此類型蓄電池憑借自身結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，不會消耗太多的電解液，使用壽命期間不用進行蒸餾水的補充。同時，其體積小、耐高溫且耐震，并具備自放電小等諸多特點，使用壽命一般是普通蓄電池的兩倍。綜合現(xiàn)有市場中的免維護蓄電池來看，通常也包含以下兩種。一種是電池本身出廠時便完成電解液的加裝并封死，無需用戶自行添加；另一種是購買時一次性將電解液加足量，后續(xù)使用時無需再進行補充。

2 UPS蓄電池選型對風電機組運行穩(wěn)定的影響

2.1 風電機組運行狀況

國內(nèi)某風電場項目風力發(fā)電機組實際應用中，一旦斷開高壓開關(guān)，由于天氣原因等因素的影響，其投入運行的時間往往需要向后延遲幾小時甚至幾天。當需要將某臺風力發(fā)電機組投入運行時，由于UPS蓄電池組的電量已經(jīng)耗盡，已經(jīng)提供不了合閘的電源動力，因此只能由工作人員前去風電機組控制室手動完成合閘的操作。維修人員在該問題發(fā)生后前往現(xiàn)場開展了全面深入地系統(tǒng)性檢查作業(yè)，并沒有找出故障原因，后續(xù)決定開展現(xiàn)場試驗，最終成功獲取斷路保護器吸合失敗的情況，具體過程如下。一是結(jié)合后臺調(diào)試軟件的應用，對一個斷路保護器（共兩個）下達吸合命令，成功吸合[2]。二是結(jié)合后臺調(diào)試軟件的應用，對另一個斷路保護器下達吸合命令，成功吸合。三是結(jié)合后臺調(diào)試軟件的應用，對兩個斷路保護器下達同時吸合的命令，發(fā)現(xiàn)有一個斷路保護器做到一半吸合動作時突然中斷。

維護人員根據(jù)該現(xiàn)象得出了初步判斷結(jié)果，即斷路保護器具備較為復雜的機械結(jié)構(gòu)或存在卡滯問題。根據(jù)該判斷結(jié)果，擬采取更換部分機組斷路保護器的措施，但是由于更換后依然沒有解決問題，因此決定再次系統(tǒng)性分析問題，剖析引發(fā)問題的緣由。

2.2 機組運行受影響后產(chǎn)生的問題

2.2.1 問題原因機理

圖1呈現(xiàn)了問題機組斷路保護器型號（T3-250投切開關(guān)）二次接線圖，其合閘與分閘原理如下。投切開關(guān)U1、U2的230 V電源保持正常供電時，投切開關(guān)A2端子內(nèi)部開關(guān)電源會持續(xù)輸出方波（+15 V）。網(wǎng)側(cè)主斷路器閉合后，A1接通A2，此時A1端子通電，當其持續(xù)收到+15 V方波數(shù)量為3后，投切開關(guān)合閘。因15K1作用的緣故，A1的電會失去，這也表示當A1持續(xù)收到+15 V方波的數(shù)量為3時，無需A1持續(xù)得電的情況下，投切開關(guān)就會合閘[3]。主斷路器斷開后，A11接通A2，此時A11點通電，持續(xù)收到+15 V方波數(shù)量為3后，投切開關(guān)分閘，A11的電會失去，這也表示當A11持續(xù)收到+15 V方波的數(shù)量為3時，無需A11持續(xù)得電的情況下，投切開關(guān)就會分閘。

圖1 T3-250投切開關(guān)二次接線圖

以投切開關(guān)合閘原理為根據(jù)，在參照二次接線圖的基礎上能夠順利得出投切開關(guān)合閘失敗的原因包括以下4點。一是無法正常閉合15K1繼電器常開觸點11、12；二是無法正常閉合網(wǎng)側(cè)斷路器1Q1的合閘反饋觸點13、14；三是無法實現(xiàn)投切開關(guān)A2持續(xù)輸出+15 V的方波；四是投切開關(guān)內(nèi)部出現(xiàn)元件損壞的情況（如線圈等），阻礙了合閘操作的正常實施[4]。

2.2.2 解決問題的思路

從以上的實際情況可知，只有在高壓開關(guān)與電網(wǎng)脫離后，其余的用電設備不再工作時，蓄電池組的電力就不會快速耗盡。怎樣才能使其他用電設備不再工作，最簡單的方法就是此種工況下，UPS電源不再輸出。目前使用的大多UPS電源都設置一個使能端，當這個點接通后，UPS電源進入休眠狀態(tài)，不再輸出[5]。風力發(fā)電機組的分斷實際上有多種情況，如正常停機或者保護動作停機等。正常停機后，會根據(jù)情況正常開機，而保護停機有多種情況，很多時候當導致保護動作的故障消除后，馬上又要合高壓開關(guān)，風電機組投入運行。因此，作用于使能端的信號必須要考慮這些因素，既能起作用，又不能誤動。

2.2.3 問題解決方法

在改造的UPS電源中，增加一塊微控制器。微控制器的輸入、輸出示意如圖2所示。

圖2 微控制器輸入、輸出示意

輸入量包括交流220 V電源，直流電源直接接入到蓄電池組。涉及節(jié)點包括高壓開關(guān)輔助節(jié)點、高壓開關(guān)電網(wǎng)側(cè)驗電器動作節(jié)點以及保護動作節(jié)點。兩個通信接口分別是無線通信接口和光纖通信接口。輸出量為EN，接入到UPS使能端。

其工作原理為有交流電源時繼電器節(jié)點斷開，使能端不輸出。當高壓開關(guān)斷開時，如果高壓側(cè)不帶電，則使能端輸出，UPS休眠。當高壓開關(guān)斷開時，高壓側(cè)仍帶電，計時器工作，在計時滿半個小時（可設定時間）后若仍沒有合閘指令，則UPS休眠[6]。而當高壓側(cè)不帶電時，UPS直接進入休眠。一旦高壓側(cè)重新帶電，UPS則開始工作，直到高壓開關(guān)合閘完成。除了驗電器可以判斷是否需要遠程分合開關(guān)外，微控制器上也加裝了無線通信模塊和光纖通信模塊。通過通信模塊可以接收遠程命令，以控制UPS是處于休眠狀態(tài)還是處于工作狀態(tài)。

由于安裝通信模塊需要對遠端控制系統(tǒng)進行更新，最為簡單的方法是安裝驗電器系統(tǒng)，此方法簡單且實用。對某風電場近100臺風電機組UPS進行改造，分合高壓開關(guān)動作均能遠程實現(xiàn)，UPS正常待機時間超過300 h，蓄電池組壽命提高50%以上，取得了良好的經(jīng)濟效益。

3 系統(tǒng)性排查方案與驗證

針對現(xiàn)場試驗中投切開關(guān)合閘受阻的問題，以上述原因分析為根據(jù)，擬定了下述排查方案。一是通過更換EMC測試的新電操產(chǎn)品，查驗故障能否復現(xiàn)；二是斷電電操，將面蓋拆開后連接示波器測量[7]；三是監(jiān)測電操上電過程內(nèi)外部電源電壓。四是監(jiān)測投切開關(guān)吸合無法正常實現(xiàn)的瞬間，電操內(nèi)部電路板電壓和外部電壓。結(jié)合該方案排查展開測試，發(fā)現(xiàn)投切開關(guān)合閘無法正常實現(xiàn)的原因在于投切開關(guān)動作瞬間，230 V水冷UPS蓄電池供電電源有電壓跌落現(xiàn)象出現(xiàn)（230 V降低至53 V），投切開關(guān)合閘控制的脈沖波丟失，阻礙了投切開關(guān)的正常合閘。

為驗證上述結(jié)論，決定在現(xiàn)場試驗中更換有問題的整體柜方案機組投切開關(guān)供電電源，用電網(wǎng)直接供電取代原本的水冷UPS蓄電池供電，結(jié)合長時間運行的機組驗證上述方案的可靠性。待持續(xù)運行兩周后，更改后的機組并未發(fā)生投切開關(guān)合閘受阻的情況[8]。由此可以得出結(jié)論，現(xiàn)場試驗中投切開關(guān)合閘動作無法正常執(zhí)行的主要原因在于整體柜UPS蓄電池供電容量不匹配投切開關(guān)正常合閘需求的容量。在系統(tǒng)上優(yōu)化改進該問題時，通過增加UPS蓄電池容量即可。

4 UPS電池組更換注意事項

整個機組系統(tǒng)運行中，更換UPS蓄電池會對其平穩(wěn)性構(gòu)成巨大影響，為了保障機不斷電情況下組內(nèi)柜設備依然能將蓄電池更換工作完成，避免整體運行穩(wěn)定性受影響，需在蓄電池更換前仔細觀察機組的實際情況。其中，UPS主機配電系統(tǒng)、不間斷電源主機及電池組等為重點觀察內(nèi)容，以實際情況為根據(jù)，結(jié)合數(shù)據(jù)前期觀察，合理安排工程師及協(xié)助人員工作，并提前準備好蓄電池更換期間使用的萬能表等工具[9]。

在完成了蓄電池更換工作后，應結(jié)合萬能表的應用檢查其總電壓，保障UPS主機和電池組工作狀態(tài)維持正常，后續(xù)再展開對UPS電流、充電電壓及工作電壓等的檢查，并做好相應記錄。該過程中，需要重視人員安全、電池損壞、操作準確性以及與負責人溝通等問題。此外，更換電池后需定期放電蓄電池，并調(diào)控周邊環(huán)境溫度[10]。

5 結(jié) 論

本文采取現(xiàn)場試驗的方式討論了機組故障情況，證實了UPS蓄電池選型會影響風電機組運行的穩(wěn)定性。為保障機組能夠穩(wěn)定運行，需要著重關(guān)注UPS蓄電池選型，在對其與風電機組能否實現(xiàn)穩(wěn)定運行之間的關(guān)系展開分析的基礎上合理選擇。