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(yīng)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(yīng)的能量使其將風機葉片順槳至安全位置。該系統(tǒng)設(shè)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(shè)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(shè)計

純鉛電池組設(shè)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(yīng)性；②純鉛電池組所需提供的能量；③結(jié)構(gòu)布局。

本設(shè)計方案是針對的變槳驅(qū)動器直流母線電壓為240V所設(shè)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(shè)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(shè)計采用以下設(shè)計優(yōu)化。

1）柜體采用上下兩層設(shè)計，對單個純鉛電池采用獨立臥槽設(shè)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(yīng)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(shè)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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