風電場替換下的蓄電池作儲能用可行性探討

張金強 熊國專 胡 鵬 張悅超 馮江哲

（龍源（北京）風電工程技術有限公司）

0 引言

目前，國內外風電場使用的變槳后備電源主要為鋰電池、鉛酸蓄電池和超級電容，鉛酸蓄電池因其電壓穩定、價格便宜、可靠性高等優點而廣泛應用［1，2］。國內外權威機構給出的風電變槳用鉛酸蓄電池使用周期為2～3年，文獻［3］通過對影響鉛酸蓄電池主要壽命因素的分析，結合壽命折算的方法計算得出了國內不同區域鉛酸蓄電池差異化的使用期限，有效延長了鉛酸蓄電池的使用壽命。然而，風電場每年因使用年限達到規定期限而替換下的鉛酸蓄電池數量十分龐大，其是否具備二次利用的價值是一個值得探討的問題，特別是應用于儲能領域。

本文首先調研了國內某大型風電集團鉛酸蓄電池的應用現狀，并選取某特定風電場對到期替換下的鉛酸蓄電池進行了性能測試和數據分析，繼而與常規儲能用電池作比較列舉了風電場舊電池作梯次儲能應用存在的問題，最后得出到期替換下的鉛酸蓄電池不滿足作梯次儲能二次利用要求的結論。

1 風場使用的蓄電池基本情況介紹

風電場使用的蓄電池主要有3類，風電機組變槳蓄電池、風電機組UPS蓄電池和升壓站直流系統蓄電池。

1.1 變槳蓄電池

國內某風電集團使用蓄電池作為變槳后備電源的機組共計3315臺，其中使用松下品牌蓄電池的機組2286臺，使用非凡品牌蓄電池的機組669臺，使用艾諾斯品牌蓄電池的機組360臺。早期多數變槳蓄電池按照廠家提供的2年或3年更換周期統一更換，經研究，原更換周期過于保守，存在過度更換現象，造成大量資源浪費，因此，在確保機組安全運行的前提下，2018年制定并下發了新的更換周期，該風電集團所屬各風場按照地理區域將蓄電池使用壽命分別延長了1～3年，風電機組變槳蓄電池數量及更換周期如表1所示。

表1 某風電集團所屬風電場變槳蓄電池數量及更換周期

經統計，2020年該風電集團有14個風電場計劃更換到達壽命周期的變槳蓄電池，涉及風電機組458臺，電池單體共計25596塊。

1.2 UPS蓄電池

風電機組使用的UPS蓄電池種類比較多，常用的規格為12V/7.2AH，每臺機組平均使用7塊，一般在UPS報警或測試發現待機時間短時更換，風電機組使用的UPS常用蓄電池品牌及規格型號，如表2所示。

表2 風電機組使用的UPS常用蓄電池品牌及規格型號

1.3 升壓站直流系統蓄電池

風電場直流系統蓄電池一般為48V和220V電壓等級，常用規格為2V/300Ah和2V/200Ah，在日常維護中根據在線檢測情況和每年定檢情況更換失效蓄電池，龍源集團所屬風電場直流系統電池數量及更換周期，如表3所示。

表3 某風電集團所屬風電場直流系統電池數量及更換周期

根據風電場實際使用情況，風電機組UPS蓄電池、升壓站直流系統蓄電池被再次使用的價值非常低，因此不作研究考慮。而風電機組更換下的部分變槳蓄電池還有剩余容量，有被二次利用的可能性，因此，從2020年計劃更換變槳蓄電池的風電場中篩選了使用環境較好的河北某風電場，對該風電場近期更換下的變槳蓄電池進行測試分析。

2 變槳蓄電池性能測試及分析

2.1 變槳電池基本情況

河北某風電場共安裝遠景風電機組EN82-1.5MW 33臺，于2010年10月投產。變槳系統為MOOGⅡ代，后備電源為松下鉛酸蓄電池，型號為LCWTP127R2T。每支葉片6塊為一組，共3組18塊串聯使用。風電場變槳電池已經使用5年，并于2020年8月進行了全部的更換。抽選了近期更換下來的50組（300塊）變槳蓄電池進行測試和數據分析。

2.2 變槳蓄電池測試方法和時間成本

蓄電池的主要測試指標為容量、電壓和內阻。采用蓄電池內阻測試儀測試電壓和內阻，測試原理為交流注入法，測試頻率為1kHz。采用容量測試儀測試蓄電池容量，測試方法為3C核對放電法［4］，以松下蓄電池為例，單塊容量為7.2Ah，3C核對放電法指以恒定的21.6A電流對蓄電池放電，放電時間越長，表示容量越大。蓄電池的實際容量是最直接有效反映電池性能的指標，而內阻和電壓是間接反映電池性能的指標。

由于更換下的蓄電池剩余容量參差不齊，因此需要逐塊進行測試篩選。其中，測試一塊電池容量比較耗時，時間約為15min，測試一塊電池內阻比較省時，時間約為10s。同時，在測試前需要對電池充滿電，時間約為12h，放完電后同樣需要充滿電。篩選一塊單體電池的測試時間如表4所示。

表4 篩選一塊電池單體測試時間

2.3 變槳電池測試結果及分析

對河北迅風風電場近期更換下來的50組（300塊）變槳電池進行關鍵參數及性能測試，使用電池內阻儀測試電壓、內阻；使用電池容量測試儀測試3C放電時間，即容量。

對測試數據進行歸類統計，按照容量10%為一段共劃分為10段，統計每段容量范圍內變槳蓄電池的數量、容量和所占比例，如圖1所示。變槳電池6塊單體組合裝配為一組，對50組電池中每塊單體電池的容量分布進行統計，如圖2所示。

圖1 風電場到期更換下的變槳電池容量范圍圖

圖2 風電場到期更換下的變槳電池組容量散點圖

由圖1、圖2數據分析可以得出以下結論：

1）變槳蓄電池容量分布區間較寬，其中容量在80%以上的比例為38%；容量在70%以上的比例為53%；容量在60%～80%的比例為26%；容量在60%以下的比例為35%。約50%的電池已經到達壽命末期無二次利用的價值，剩余50%電池可以根據利用的工況和使用需求來確定篩選容量的比例。

2）每組變槳蓄電池組中，單體容量一致性差，其中80%的電池組中均有不同數量的電池單體已到達壽命末期。因此二次利用需要篩選滿足要求的電池單體，并且需要對電池盒進行專業拆解，而拆解過程較繁瑣，需要使用專業工具來保證電池殼體不被損壞。

3）由于溫度是影響鉛酸蓄電池的主要壽命，該風電場處于承德壩上地區，常年溫度較低，高溫天氣較少，該風電場變槳蓄電池是工作在較理想的環境內，已有50%電池到達壽命末期，而對于其他高溫度地區的風電場電池可利用比例會更低。

2.4 2020年更換下的松下電池容量估算

該風電集團有2286臺機組使用松下12V/7.2Ah蓄電池，根據變槳蓄電池的更換周期和實際測試情況，對2020年計劃更換下的約25596塊松下蓄電池的可用容量估算。按照該風電場測試數據推算有50%蓄電池可以二次利用：

電池總容量=25596×50%×7.2Ah=92145.6Ah

以更換下蓄電池可用剩余容量為70%計算：

電池可用的總容量=92145.6Ah×70%≈64501.92Ah

變槳蓄電池總能量=64501.92Ah×12V≈774kWh

2020年該風電集團預計更換下松下變槳蓄電池約25600塊，可二次利用約12300塊，而這么龐大數量的電池總能量僅為774kWh，并且這些電池分布在全國10余個省份的風電場，若將其集中到一個地方，運輸手續和成本將是最大的問題。

3 與常規儲能用電池參數比較

儲能電池是儲能系統的核心部件，占整個儲能系統成本造價的60%。儲能電池的質量決定整個系統的可靠性，目前儲能站電池的設計壽命為10年。儲能電池要求循環壽命長、比能量高、充放電電流大。當前，行業內用于儲能的電池主要有磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池、鉛碳電池、NaS電池、液流電池等，其中磷酸鐵鋰電池應用最為廣泛。常規儲能電池與現有變槳鉛酸電池參數比較如表5所示。

表5 與儲能電池參數比較

由表5可以看出變槳蓄電池與常規儲能電池相比 較，具有較明顯的不足：

1）單體容量小：常規儲能電池單體容量是變槳鉛酸蓄電池的幾十倍到上百倍，若配置同樣容量的儲能系統，使用變槳鉛酸蓄電池數量會更多，相對應的BMU、BCMU等電池管理單元數量也會增多，成本將會大大提高。

2）循環次數少：變槳鉛酸蓄電池循環次數為500次，與常規儲能電池相比較相差5～7倍，若是到期更換下來的蓄電池循環次數將會更少，按照一天放電一次的使用頻率，在熱管理理想情況下壽命最多為8～10個月。

3）比能量小：變槳鉛酸蓄電池比能量為30～45Wh/kg，與常規儲能電池相比較相差5倍。若配置同樣容量的儲能系統，使用變槳鉛酸蓄電池整個儲能系統體積將會大很多，需要放置電池的裝置將會大很多或者數量增多，成本也會提高。

4 風電場舊電池作梯次儲能應用存在的問題

4.1 安全問題

風電場更換下的蓄電池使用時間較長，內阻普遍增大，在使用過程中電池自身發熱嚴重，易發生熱失控，存在電池自燃著火重大安全事故。

4.2 電池問題

1）變槳蓄電池更換周期調整后，對蓄電池的使用比之前更充分，到期更換下來的變槳蓄電池剩余容量不足，可二次利用的篩選比例較低，根據河北某風電場的測試結果較樂觀的篩選比例最多為50%。同時，鉛酸蓄電池物理特性循環次數少，風電場更換下的變槳蓄電池循環次數將會更少，普遍壽命較短，若作儲能使用損壞率較高，后期維護工作量大。

2）各地區風電場使用的電池生產時間不同，每年批量更換的時間也不同，如果集中使用需要較長的等待期。由于更換下的蓄電池內阻、容量一致性較差，大多數電池都已進入生命周期的中后期，其老化速度不一致，突出表現為容量和內阻的差異越來越大，電池可靠性無法保證。不同使用年限的電池配組是作梯次儲能利用的技術難點。

3）由于風電機組使用的蓄電池單體容量小，與儲能用蓄電池容量相差十幾倍，單個區域更換下的蓄電池數量又不能滿足儲能需求。若將全國各區域風電場更換下的蓄電池集中，存在跨區域運輸的問題，由于蓄電池屬于國家規定的危險廢物，跨區域運輸需要申請報備并使用專用運輸車輛，運輸成本比較高，辦理跨區域運輸手續較繁瑣。

5 結束語

當前廢舊電池作儲能利用方式可分為2種：儲能電站和分布式儲能。但是基于風電場更換下的UPS蓄電池、升壓站直流系統蓄電池可用容量少被再次使用的價值非常低，同時風電機組變槳電池與常規儲能電池相比較：比能量小、循環次數少、單體容量一致性差、可利用率低、壽命短、篩選成本和運輸成本高等缺點，不具備常規儲能電池的特性。因此，從安全、電池壽命、使用成本等方面綜合考慮，風電場更換下的蓄電池不建議作梯次儲能二次利用。

另外，風電場每年更換下的變槳蓄電池少部分仍有利用價值，并且與風電機組UPS使用的蓄電池型號規格一致，一般每臺風電機組UPS使用7塊蓄電池，分別在塔頂安裝2塊，塔底安裝2塊，變流器UPS安裝3塊，所以可以篩選滿足要求的變槳蓄電池在UPS電池到期更換時二次利用，這樣只需要選擇2塊或3塊進行配對為一組就可以，操作更簡單，使用壽命相對更長。