风电场替换下的蓄电池作储能用可行性探讨

张金强 熊国专 胡 鹏 张悦超 冯江哲

（龙源（北京）风电工程技术有限公司）

0 引言

目前，国内外风电场使用的变桨后备电源主要为锂电池、铅酸蓄电池和超级电容，铅酸蓄电池因其电压稳定、价格便宜、可靠性高等优点而广泛应用［1，2］。国内外权威机构给出的风电变桨用铅酸蓄电池使用周期为2～3年，文献［3］通过对影响铅酸蓄电池主要寿命因素的分析，结合寿命折算的方法计算得出了国内不同区域铅酸蓄电池差异化的使用期限，有效延长了铅酸蓄电池的使用寿命。然而，风电场每年因使用年限达到规定期限而替换下的铅酸蓄电池数量十分庞大，其是否具备二次利用的价值是一个值得探讨的问题，特别是应用于储能领域。

本文首先调研了国内某大型风电集团铅酸蓄电池的应用现状，并选取某特定风电场对到期替换下的铅酸蓄电池进行了性能测试和数据分析，继而与常规储能用电池作比较列举了风电场旧电池作梯次储能应用存在的问题，最后得出到期替换下的铅酸蓄电池不满足作梯次储能二次利用要求的结论。

1 风场使用的蓄电池基本情况介绍

风电场使用的蓄电池主要有3类，风电机组变桨蓄电池、风电机组UPS蓄电池和升压站直流系统蓄电池。

1.1 变桨蓄电池

国内某风电集团使用蓄电池作为变桨后备电源的机组共计3315台，其中使用松下品牌蓄电池的机组2286台，使用非凡品牌蓄电池的机组669台，使用艾诺斯品牌蓄电池的机组360台。早期多数变桨蓄电池按照厂家提供的2年或3年更换周期统一更换，经研究，原更换周期过于保守，存在过度更换现象，造成大量资源浪费，因此，在确保机组安全运行的前提下，2018年制定并下发了新的更换周期，该风电集团所属各风场按照地理区域将蓄电池使用寿命分别延长了1～3年，风电机组变桨蓄电池数量及更换周期如表1所示。

表1 某风电集团所属风电场变桨蓄电池数量及更换周期

经统计，2020年该风电集团有14个风电场计划更换到达寿命周期的变桨蓄电池，涉及风电机组458台，电池单体共计25596块。

1.2 UPS蓄电池

风电机组使用的UPS蓄电池种类比较多，常用的规格为12V/7.2AH，每台机组平均使用7块，一般在UPS报警或测试发现待机时间短时更换，风电机组使用的UPS常用蓄电池品牌及规格型号，如表2所示。

表2 风电机组使用的UPS常用蓄电池品牌及规格型号

1.3 升压站直流系统蓄电池

风电场直流系统蓄电池一般为48V和220V电压等级，常用规格为2V/300Ah和2V/200Ah，在日常维护中根据在线检测情况和每年定检情况更换失效蓄电池，龙源集团所属风电场直流系统电池数量及更换周期，如表3所示。

表3 某风电集团所属风电场直流系统电池数量及更换周期

根据风电场实际使用情况，风电机组UPS蓄电池、升压站直流系统蓄电池被再次使用的价值非常低，因此不作研究考虑。而风电机组更换下的部分变桨蓄电池还有剩余容量，有被二次利用的可能性，因此，从2020年计划更换变桨蓄电池的风电场中筛选了使用环境较好的河北某风电场，对该风电场近期更换下的变桨蓄电池进行测试分析。

2 变桨蓄电池性能测试及分析

2.1 变桨电池基本情况

河北某风电场共安装远景风电机组EN82-1.5MW 33台，于2010年10月投产。变桨系统为MOOGⅡ代，后备电源为松下铅酸蓄电池，型号为LCWTP127R2T。每支叶片6块为一组，共3组18块串联使用。风电场变桨电池已经使用5年，并于2020年8月进行了全部的更换。抽选了近期更换下来的50组（300块）变桨蓄电池进行测试和数据分析。

2.2 变桨蓄电池测试方法和时间成本

蓄电池的主要测试指标为容量、电压和内阻。采用蓄电池内阻测试仪测试电压和内阻，测试原理为交流注入法，测试频率为1kHz。采用容量测试仪测试蓄电池容量，测试方法为3C核对放电法［4］，以松下蓄电池为例，单块容量为7.2Ah，3C核对放电法指以恒定的21.6A电流对蓄电池放电，放电时间越长，表示容量越大。蓄电池的实际容量是最直接有效反映电池性能的指标，而内阻和电压是间接反映电池性能的指标。

由于更换下的蓄电池剩余容量参差不齐，因此需要逐块进行测试筛选。其中，测试一块电池容量比较耗时，时间约为15min，测试一块电池内阻比较省时，时间约为10s。同时，在测试前需要对电池充满电，时间约为12h，放完电后同样需要充满电。筛选一块单体电池的测试时间如表4所示。

表4 筛选一块电池单体测试时间

2.3 变桨电池测试结果及分析

对河北迅风风电场近期更换下来的50组（300块）变桨电池进行关键参数及性能测试，使用电池内阻仪测试电压、内阻；使用电池容量测试仪测试3C放电时间，即容量。

对测试数据进行归类统计，按照容量10%为一段共划分为10段，统计每段容量范围内变桨蓄电池的数量、容量和所占比例，如图1所示。变桨电池6块单体组合装配为一组，对50组电池中每块单体电池的容量分布进行统计，如图2所示。

图1 风电场到期更换下的变桨电池容量范围图

图2 风电场到期更换下的变桨电池组容量散点图

由图1、图2数据分析可以得出以下结论：

1）变桨蓄电池容量分布区间较宽，其中容量在80%以上的比例为38%；容量在70%以上的比例为53%；容量在60%～80%的比例为26%；容量在60%以下的比例为35%。约50%的电池已经到达寿命末期无二次利用的价值，剩余50%电池可以根据利用的工况和使用需求来确定筛选容量的比例。

2）每组变桨蓄电池组中，单体容量一致性差，其中80%的电池组中均有不同数量的电池单体已到达寿命末期。因此二次利用需要筛选满足要求的电池单体，并且需要对电池盒进行专业拆解，而拆解过程较繁琐，需要使用专业工具来保证电池壳体不被损坏。

3）由于温度是影响铅酸蓄电池的主要寿命，该风电场处于承德坝上地区，常年温度较低，高温天气较少，该风电场变桨蓄电池是工作在较理想的环境内，已有50%电池到达寿命末期，而对于其他高温度地区的风电场电池可利用比例会更低。

2.4 2020年更换下的松下电池容量估算

该风电集团有2286台机组使用松下12V/7.2Ah蓄电池，根据变桨蓄电池的更换周期和实际测试情况，对2020年计划更换下的约25596块松下蓄电池的可用容量估算。按照该风电场测试数据推算有50%蓄电池可以二次利用：

电池总容量=25596×50%×7.2Ah=92145.6Ah

以更换下蓄电池可用剩余容量为70%计算：

电池可用的总容量=92145.6Ah×70%≈64501.92Ah

变桨蓄电池总能量=64501.92Ah×12V≈774kWh

2020年该风电集团预计更换下松下变桨蓄电池约25600块，可二次利用约12300块，而这么庞大数量的电池总能量仅为774kWh，并且这些电池分布在全国10余个省份的风电场，若将其集中到一个地方，运输手续和成本将是最大的问题。

3 与常规储能用电池参数比较

储能电池是储能系统的核心部件，占整个储能系统成本造价的60%。储能电池的质量决定整个系统的可靠性，目前储能站电池的设计寿命为10年。储能电池要求循环寿命长、比能量高、充放电电流大。当前，行业内用于储能的电池主要有磷酸铁锂电池、三元锂电池、铅碳电池、NaS电池、液流电池等，其中磷酸铁锂电池应用最为广泛。常规储能电池与现有变桨铅酸电池参数比较如表5所示。

表5 与储能电池参数比较

由表5可以看出变桨蓄电池与常规储能电池相比 较，具有较明显的不足：

1）单体容量小：常规储能电池单体容量是变桨铅酸蓄电池的几十倍到上百倍，若配置同样容量的储能系统，使用变桨铅酸蓄电池数量会更多，相对应的BMU、BCMU等电池管理单元数量也会增多，成本将会大大提高。

2）循环次数少：变桨铅酸蓄电池循环次数为500次，与常规储能电池相比较相差5～7倍，若是到期更换下来的蓄电池循环次数将会更少，按照一天放电一次的使用频率，在热管理理想情况下寿命最多为8～10个月。

3）比能量小：变桨铅酸蓄电池比能量为30～45Wh/kg，与常规储能电池相比较相差5倍。若配置同样容量的储能系统，使用变桨铅酸蓄电池整个储能系统体积将会大很多，需要放置电池的装置将会大很多或者数量增多，成本也会提高。

4 风电场旧电池作梯次储能应用存在的问题

4.1 安全问题

风电场更换下的蓄电池使用时间较长，内阻普遍增大，在使用过程中电池自身发热严重，易发生热失控，存在电池自燃着火重大安全事故。

4.2 电池问题

1）变桨蓄电池更换周期调整后，对蓄电池的使用比之前更充分，到期更换下来的变桨蓄电池剩余容量不足，可二次利用的筛选比例较低，根据河北某风电场的测试结果较乐观的筛选比例最多为50%。同时，铅酸蓄电池物理特性循环次数少，风电场更换下的变桨蓄电池循环次数将会更少，普遍寿命较短，若作储能使用损坏率较高，后期维护工作量大。

2）各地区风电场使用的电池生产时间不同，每年批量更换的时间也不同，如果集中使用需要较长的等待期。由于更换下的蓄电池内阻、容量一致性较差，大多数电池都已进入生命周期的中后期，其老化速度不一致，突出表现为容量和内阻的差异越来越大，电池可靠性无法保证。不同使用年限的电池配组是作梯次储能利用的技术难点。

3）由于风电机组使用的蓄电池单体容量小，与储能用蓄电池容量相差十几倍，单个区域更换下的蓄电池数量又不能满足储能需求。若将全国各区域风电场更换下的蓄电池集中，存在跨区域运输的问题，由于蓄电池属于国家规定的危险废物，跨区域运输需要申请报备并使用专用运输车辆，运输成本比较高，办理跨区域运输手续较繁琐。

5 结束语

当前废旧电池作储能利用方式可分为2种：储能电站和分布式储能。但是基于风电场更换下的UPS蓄电池、升压站直流系统蓄电池可用容量少被再次使用的价值非常低，同时风电机组变桨电池与常规储能电池相比较：比能量小、循环次数少、单体容量一致性差、可利用率低、寿命短、筛选成本和运输成本高等缺点，不具备常规储能电池的特性。因此，从安全、电池寿命、使用成本等方面综合考虑，风电场更换下的蓄电池不建议作梯次储能二次利用。

另外，风电场每年更换下的变桨蓄电池少部分仍有利用价值，并且与风电机组UPS使用的蓄电池型号规格一致，一般每台风电机组UPS使用7块蓄电池，分别在塔顶安装2块，塔底安装2块，变流器UPS安装3块，所以可以筛选满足要求的变桨蓄电池在UPS电池到期更换时二次利用，这样只需要选择2块或3块进行配对为一组就可以，操作更简单，使用寿命相对更长。