UPS蓄電池選型對風電機組運行穩定的影響探討

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定的電源，避免突發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變。為使風電機組中UPS蓄電池的作用能夠得到充分發揮，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定性。

1 UPS蓄電池分類

綜合國內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成，選擇硫酸的水溶液作為電解液。該電池具備穩定的電壓，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，在完全干燥的狀態下，能在兩年內保存所得到的電量，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構優勢，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定的影響

2.1 風電機組運行狀況

國內某風電場項目風力發電機組實際應用中，一旦斷開高壓開關，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電機組投入運行時，由于UPS蓄電池組的電量已經耗盡，已經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生后前往現場開展了全面深入地系統性檢查作業，并沒有找出故障原因，后續決定開展現場試驗，最終成功獲取斷路保護器吸合失敗的情況，具體過程如下。一是結合后臺調試軟件的應用，對一個斷路保護器（共兩個）下達吸合命令，成功吸合[2]。二是結合后臺調試軟件的應用，對另一個斷路保護器下達吸合命令，成功吸合。三是結合后臺調試軟件的應用，對兩個斷路保護器下達同時吸合的命令，發現有一個斷路保護器做到一半吸合動作時突然中斷。

維護人員根據該現象得出了初步判斷結果，即斷路保護器具備較為復雜的機械結構或存在卡滯問題。根據該判斷結果，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，因此決定再次系統性分析問題，剖析引發問題的緣由。

2.2 機組運行受影響后產生的問題

2.2.1 問題原因機理

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

圖1 T3-250投切開關二次接線圖

以投切開關合閘原理為根據，在參照二次接線圖的基礎上能夠順利得出投切開關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側斷路器1Q1的合閘反饋觸點13、14；三是無法實現投切開關A2持續輸出+15 V的方波；四是投切開關內部出現元件損壞的情況（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，只有在高壓開關與電網脫離后，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，不再輸出[5]。風力發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，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。涉及節點包括高壓開關輔助節點、高壓開關電網側驗電器動作節點以及保護動作節點。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點斷開，使能端不輸出。當高壓開關斷開時，如果高壓側不帶電，則使能端輸出，UPS休眠。當高壓開關斷開時，高壓側仍帶電，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]。而當高壓側不帶電時，UPS直接進入休眠。一旦高壓側重新帶電，UPS則開始工作，直到高壓開關合閘完成。除了驗電器可以判斷是否需要遠程分合開關外，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是處于休眠狀態還是處于工作狀態。

由于安裝通信模塊需要對遠端控制系統進行更新，最為簡單的方法是安裝驗電器系統，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，分合高壓開關動作均能遠程實現，UPS正常待機時間超過300 h，蓄電池組壽命提高50%以上，取得了良好的經濟效益。

3 系統性排查方案與驗證

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

為驗證上述結論，決定在現場試驗中更換有問題的整體柜方案機組投切開關供電電源，用電網直接供電取代原本的水冷UPS蓄電池供電，結合長時間運行的機組驗證上述方案的可靠性。待持續運行兩周后，更改后的機組并未發生投切開關合閘受阻的情況[8]。由此可以得出結論，現場試驗中投切開關合閘動作無法正常執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正常合閘需求的容量。在系統上優化改進該問題時，通過增加UPS蓄電池容量即可。

4 UPS電池組更換注意事項

整個機組系統運行中，更換UPS蓄電池會對其平穩性構成巨大影響，為了保障機不斷電情況下組內柜設備依然能將蓄電池更換工作完成，避免整體運行穩定性受影響，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、不間斷電源主機及電池組等為重點觀察內容，以實際情況為根據，結合數據前期觀察，合理安排工程師及協助人員工作，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維持正常，后續再展開對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，并調控周邊環境溫度[10]。

5 結 論

本文采取現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定性。為保障機組能夠穩定運行，需要著重關注UPS蓄電池選型，在對其與風電機組能否實現穩定運行之間的關系展開分析的基礎上合理選擇。