基于纯铅电池的风机发电机组备用电源系统

李 锋

（新疆金风科技股份有限公司，乌鲁木齐 830011）

目前风力发电机组变桨系统的备用电源基本采用两种方式：①采用铅酸蓄电池作为备用电源；②采用超级电容作为备用电源。采用铅酸蓄电池虽然价格便宜，但是存在以下缺点：①充电时间长；②寿命短；③低温性能差等缺点使得铅酸蓄电池在风力发电机组的应用过程暴露出越来越多的问题。而采用超级电容作为备用电源，往往因为价格昂贵导致风力发电机组成本偏高。

同时相比于超级电容来说，纯铅蓄电池的价格相对低廉，可以使得风力发电机组备用电源系统获得更好的性价比。因此本文提出了基于纯铅蓄电池的风机发电机组备用电源系统设计。

1 目前铅酸蓄电池方案的问题分析

铅酸蓄电池作为储能设备普遍运行于风力发电机组的备用电源系统，但是铅酸蓄电池故障也越来越多，更换频次越来越频繁，其造成该问题的主要原因有以下几点。

1）环境温度高，造成铅酸蓄电池寿命下降。如图 1所示，当环境温度在 0℃～10℃时，铅酸蓄电池浮充寿命可以达到 10年，而环境温度在 40℃～50℃时，铅酸蓄电池浮充寿命只有不足1年的时间。而目前我国大部分的风力发电机组都“三北”地区，夏季高温炎热，机舱平均运行在40℃左右，有时甚至可以达到55℃，这极大地降低了铅酸蓄电池的浮充寿命。

2）低温下加热方式不当，造成铅酸蓄电池局部过热，从而造成铅酸蓄电池寿命下降。目前好多厂家的备用电池系统抵抗低温对系统的影响的方式均采用加热的方式。那么加热器件的安装位置对铅酸蓄电池也有影响，如图2所示，有些厂家将加热板贴在固定铅酸蓄电池安装板的背面，利用热传动的原理，在低温环境，对铅酸蓄电池进行加热。然后方式极易对铅酸蓄电池产生局部过热的问题，从而导致铅酸蓄电池的浮充寿命降低。

图1 环境温度对铅酸蓄电池浮充寿命的影响

图2 加热方式示意图

3）充电方式不合理，造成铅酸蓄电池容量不足，从而使其浮充寿命下降，如图3所示。对于单体12V 5.2Ah的铅酸蓄电池来说，其浮充电压为13.7V DC，在充电过程中，当铅酸蓄电池电压从12.7V DC升至13.7V DC时，其容量仅为额定容量的80%，未到其额定容量。倘若在该容量下放电，很容易造成铅酸蓄电池的深度发电，从而影响铅酸蓄电池的寿命。

图3 铅酸电池充电特性曲线图

2 纯铅电的优点

纯铅电池的正负极板均采用 99.99%的纯铅作为电极材料，同时其极板较普通的铅酸电池要薄，因此其相对于铅酸电池有以下几个方面的优点。

1）良好的低温工作能力

纯铅电池采用较薄的极板，相对与铅酸电池而言，在同样电压和容量下其极板的表面积相对较大。加之纯铅电池拥有较小的阻抗特性使纯铅电池，能够更好地利用活性材料，从而使其在较宽的温度范围内有着良好的电压调节能力。

2）快速充放电能力

纯铅电池的薄极板设计方式使其能够更好利用活性材料同时也使得其电池内阻较铅酸电池有所下降，这就使得电池能够进行短时快速发电。同时由于其电池内阻较小，也使纯铅电池相比于铅酸电池而言能够更快速地充满能量。

3）较长的浮充寿命

纯铅电池在环境温度为25℃时，浮充寿命可以达到 10年。在环境温度为 20℃时，浮充寿命可以达到15年。

3 纯铅电池备用电源方案设计

根据上面对铅酸蓄电池的风力发电机组备用电源系统分析所得到目前铅酸蓄电池备用电源系统失效的3个原因，该设计方案针对某厂家1.5MW，扫风直径为82m风机，从结构、环境温度控制等方面，重新设计了基于纯铅电池的备用电源系统。

3.1 纯铅电池备用电源系统能量计算

纯铅电池备用电源系统作为风力发电机组备用电源，首要作用是当风机发送主电源断电故障时，能够为变桨系统提供相应的能量使其将风机叶片顺桨至安全位置。该系统设计理论计算和动态仿真两个方面对系统所需能量进行精算。

1）理论计算

假定断电情况下，变桨收桨速度为7.5°/s，桨叶从0°位置回桨至安全位置即90°，则利用下面公式：

式中，E为桨叶从0°回到安全位置所需能量，kJ；T为变桨电机额定扭矩，N·m；W为变桨电机收桨时电机转速，r/min；t为桨叶从0°位置回桨至安全位置所需时间，s；η1为变频器效率；η2为电机效率。

通过上式计算，可以得到8215机型桨叶回桨一次所需能量为86kJ，根据《风力发电机组电动变桨技术规范》规定中对电池容量的规定，即满足三次紧急回桨的要求，可以得到基于纯铅电池的备用电源系统需要总的能量为258kJ。

2）仿真计算

仿真计算是按照 GL相关载荷设计标准，以极端风速作为参考标准并利用下面公式：

式中，E为桨叶从0°回到安全位置所需能量，kJ；Ti为i时刻时变桨电机的扭矩值，N·m；Wi为i时刻时变桨电机的转速，r/min。

根据GL相关载荷标准参数，仿真并计算得到其8215风力发电机组单次最大回桨能量需求为72.6kJ。

通过对理论计算和仿真计算，选取最大能量值为纯铅电池变桨系统备用电源系统所需最小能量。

3.2 纯铅电池组设计

纯铅电池组设计是指两个方面，即电池数量和电池连接方式。而影响这两个方面的因素主要有以下3个方面的因素：①变桨驱动器直流母线电压的适应性；②纯铅电池组所需提供的能量；③结构布局。

本设计方案是针对的变桨驱动器直流母线电压为240V所设计的方案，所需能量按照3.1中得到纯铅电池备用电源系统所需能量为准，同时考虑到纯铅电池组将放置 760mm×600mm×350mm 的柜体中，因此选用单体为12V 5.2Ah的纯铅电池，数量为30节，采用串联形式组成额定电压为360V 5.2Ah的纯铅电池组。

3.3 柜体设计

综合本文第一节所述的目前铅酸蓄电池方案的不足，本设计采用以下设计优化。

1）柜体采用上下两层设计，对单个纯铅电池采用独立卧槽设计，从而保证铅酸蓄电池间留有足够的空间用于空气流通（如图4所示）。

图4 柜体示意图

2）柜体采用内循环风扇加热辐射的形式进行柜体加热，从而保证在满足柜体加热的同时做到柜体内温度均衡，不会出现局部过温现象（如图5所示）。

图5 加热器示意图

4 风场验证

该风力发电机组备用电源系统已经在甘肃某风场1.5MW双馈风力发电机组安装运行。通过对现场变桨进行断电紧急回桨实验来验证该备用电源系统性能，实验分成四部分：第一部分为充电测试；第二部分为从60°顺桨至安全位置；第三部分为从0°顺桨至安全位置；第四部分为运行统计。

4.1 充电测试

通过对纯铅电池备用电源系统进行充电，相应的充电时间如图6所示。

图6 纯铅电池备用电源系统充电时间统计

根据图 6，经计算纯铅电池从放电完成到浮充状态（具备起机条件）时间为14.2min。

相比之下，铅酸蓄电池备用电源系统的充电数据如图7所示。

图7 铅酸蓄电池备用电源系统充电时间统计

根据图7经计算纯铅电池从放电完成到浮充状态（具备起机条件）时间为4∶16∶1。

通过图6和图7的比较可以看出，纯铅电池备用电源系统在充电时间比铅酸电池备用电源系统更快速充电的特性。

4.2 从60°回桨至安全位置结果

图8 风机桨叶从60°收桨至安全位置

图9 桨叶从60°回桨至安全位置时，电池电压变化情况

图10 桨叶从60°回桨至安全位置时，电池电流变化情况

通过以上数据分析可以得到以下结论：

当3个桨叶断电紧急回桨至60°时，电池电压从开始的388.8V DC降至384.19V DC，降低幅度为4.61V DC。

整个回桨过程中，消耗能量为0.0063Ah，占总能量比例约为0.12%，峰值功率为3.115kW。

4.3 从0°回桨至安全位置结果

图11 风机桨叶从0°回桨至安全位置

图12 桨叶从0°回桨至安全位置时，电池电压变化情况

图13 桨叶从0°回桨至安全位置时，电池电流变化情况

通过以上数据分析可以得到以下结论：

当3个桨叶断电紧急回桨至90°时，电池电压从开始的388.68V DC降至381.84V DC，降低幅度为6.84DC。

整个回桨过程中，消耗能量为0.0146Ah，占总能量比例约为0.28%，峰值功率为2.565kW。

从以上两个测试方案所得结论可以看出，基于该纯铅电池的风力发电机组备用电源系统能够完全满足风力发电机组变桨需求。

4.4 运行统计

该系统于2017年7月初在风机上运行，通过在风场3个月的运行，其故障列表见表1。

表1 纯铅电池备用电源系统运行故障记录

与之相比铅酸蓄电池备用电源系统的运行时的故障列表见表2。

表2 铅酸蓄电池备用电源系统运行故障记录

通过表1和表2的对比可以看出，在运行的3个月的时间内纯铅电池备用电源系统仅出现2次故障且故障时间较短，而铅酸蓄电池备用电源系统不仅出现4次故障，而且故障时间较长。因此，表明该系统能够降低风力发电机组电源相关故障。

5 结论

本文首先对目前风力发电机组变桨铅酸蓄电池备用电源系统的问题进行了详细的分析，并找到了问题的原因。然后基于问题的原因利用纯铅电池的优点设计出基于纯铅电池的风力发电机组备用电源系统，并将该系统进行机组测试，测试证明：该纯铅电池备用电源系统完全满足风力发电机组的变桨需求。同时该系统已在风机运行3个月的时间，期间未报出过任何问题。

根据以上描述可以说明，基于纯铅电池备用电源系统是解决目前铅酸蓄电池备用电源系统所出现的故障的手段之一，有利于降低风力发电机组故障率。

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