基于充電機充電純鉛蓄電池的風機發電機組備用電源系統
2018-6-21 9:43:26??????點擊：
采用充電機充電鉛酸蓄電池作為風力發電機組變槳系統的備用電源已經被多數廠家所采用，雖然充電機充電鉛酸蓄電池價格便宜，但是充電機充電鉛酸蓄電池工作特性受溫度、其本身特性的制約使其在實際應用中表現出故障率高、使用壽命短的弊端，而充電機充電純鉛蓄電池的特性較充電機充電鉛酸蓄電池有明顯的優勢。
本文首先就目前充電機充電鉛酸蓄電池備用電源系統存在的問題進行了分析，然后指出了充電機充電純鉛蓄電池的優勢，最后詳細介紹了基于充電機充電純鉛蓄電池的備用電源系統的設計方案，并給出現場測試數據以證明充電機充電純鉛蓄電池備用電源系統是解決目前充電機充電鉛酸蓄電池備用電源系統故障率高的可行的措施之一。
目前風力發電機組變槳系統的備用電源基本采用兩種方式：①采用充電機充電鉛酸蓄電池作為備用電源； ②采用超級電容作為備用電源。采用充電機充電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充電機充電鉛酸蓄電池在風力發電機組的應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電機組成本偏高。
同時相比于超級電容來說，純鉛蓄充電機充電蓄電池的價格相對低廉，可以使得風力發電機組備用電源系統獲得更好的性價比。因此本文提出了基于純鉛蓄充電機充電蓄電池的風機發電機組備用電源系統設計。
1 目前充電機充電鉛酸蓄電池方案的問題分析
充電機充電鉛酸蓄電池作為儲能設備普遍運行于風力發電機組的備用電源系統，但是充電機充電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）環境溫度高，造成充電機充電鉛酸蓄電池壽命下降。如圖1所示，當環境溫度在0℃～10℃時，充電機充電鉛酸蓄電池浮充壽命可以達到10年，而環境溫度在40℃～50℃時，充電機充電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電機組都“三北”地區，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℃，這極大地降低了充電機充電鉛酸蓄電池的浮充壽命。
2）低溫下加熱方式不當，造成充電機充電鉛酸蓄電池局部過熱，從而造成充電機充電鉛酸蓄電池壽命下降。目前好多廠家的備用充電機充電蓄電池系統抵抗低溫對系統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充電機充電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充電機充電鉛酸蓄電池安裝板的背面，利用熱傳動的原理，在低溫環境，對充電機充電鉛酸蓄電池進行加熱。然后方式極易對充電機充電鉛酸蓄電池產生局部過熱的問題，從而導致充電機充電鉛酸蓄電池的浮充壽命降低。
圖1 環境溫度對充電機充電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，造成充電機充電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的充電機充電鉛酸蓄電池來說，其浮充電壓為13.7V DC，在充電過程中，當充電機充電鉛酸蓄電池電壓從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，很容易造成充電機充電鉛酸蓄電池的深度發電，從而影響充電機充電鉛酸蓄電池的壽命。
圖3 鉛酸充電機充電蓄電池充電特性曲線圖
2 純鉛電的優點
充電機充電純鉛蓄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充電機充電蓄電池要薄，因此其相對于鉛酸充電機充電蓄電池有以下幾個方面的優點。
1）良好的低溫工作能力
充電機充電純鉛蓄電池采用較薄的極板，相對與鉛酸充電機充電蓄電池而言，在同樣電壓和容量下其極板的表面積相對較大。加之充電機充電純鉛蓄電池擁有較小的阻抗特性使充電機充電純鉛蓄電池，能夠更好地利用活性材料，從而使其在較寬的溫度范圍內有著良好的電壓調節能力。
2）快速充放電能力
充電機充電純鉛蓄電池的薄極板設計方式使其能夠更好利用活性材料同時也使得其充電機充電蓄電池內阻較鉛酸充電機充電蓄電池有所下降，這就使得充電機充電蓄電池能夠進行短時快速發電。同時由于其充電機充電蓄電池內阻較小，也使充電機充電純鉛蓄電池相比于鉛酸充電機充電蓄電池而言能夠更快速地充滿能量。
3）較長的浮充壽命
充電機充電純鉛蓄電池在環境溫度為25℃時，浮充壽命可以達到10年。在環境溫度為20℃時，浮充壽命可以達到15年。
3 充電機充電純鉛蓄電池備用電源方案設計
根據上面對充電機充電鉛酸蓄電池的風力發電機組備用電源系統分析所得到目前充電機充電鉛酸蓄電池備用電源系統失效的3個原因，該設計方案針對某廠家1.5MW，掃風直徑為82m風機，從結構、環境溫度控制等方面，重新設計了基于充電機充電純鉛蓄電池的備用電源系統。
3.1 充電機充電純鉛蓄電池備用電源系統能量計算
充電機充電純鉛蓄電池備用電源系統作為風力發電機組備用電源，首要作用是當風機發送主電源斷電故障時，能夠為變槳系統提供相應的能量使其將風機葉片順槳至安全位置。該系統設計理論計算和動態仿真兩個方面對系統所需能量進行精算。
1）理論計算（略）
通過計算，可以得到8215機型槳葉回槳一次所需能量為86kJ，根據《風力發電機組電動變槳技術規范》規定中對充電機充電蓄電池容量的規定，即滿足三次緊急回槳的要求，可以得到基于充電機充電純鉛蓄電池的備用電源系統需要總的能量為258kJ。
2）仿真計算（略）
根據GL相關載荷標準參數，仿真并計算得到其8215風力發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，選取最大能量值為充電機充電純鉛蓄電池變槳系統備用電源系統所需最小能量。
3.2 充電機充電純鉛蓄電池組設計
充電機充電純鉛蓄電池組設計是指兩個方面，即充電機充電蓄電池數量和充電機充電蓄電池連接方式。而影響這兩個方面的因素主要有以下3個方面的因素：①變槳驅動器直流母線電壓的適應性；②充電機充電純鉛蓄電池組所需提供的能量；③結構布局。
本設計方案是針對的變槳驅動器直流母線電壓為240V所設計的方案，所需能量按照3.1中得到充電機充電純鉛蓄電池備用電源系統所需能量為準，同時考慮到充電機充電純鉛蓄電池組將放置760mm×600mm×350mm的柜體中，因此選用單體為12V 5.2Ah的充電機充電純鉛蓄電池，數量為30節，采用串聯形式組成額定電壓為360V 5.2Ah的充電機充電純鉛蓄電池組。
3.3 柜體設計
綜合本文第一節所述的目前充電機充電鉛酸蓄電池方案的不足，本設計采用以下設計優化。
1）柜體采用上下兩層設計，對單個充電機充電純鉛蓄電池采用獨立臥槽設計，從而保證充電機充電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）柜體采用內循環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溫度均衡，不會出現局部過溫現象（如圖5所示）。
圖5 加熱器示意圖
4 風場驗證
該風力發電機組備用電源系統已經在甘肅某風場1.5MW雙饋風力發電機組安裝運行。通過對現場變槳進行斷電緊急回槳實驗來驗證該備用電源系統性能，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；第四部分為運行統計。
4.1 充電測試
通過對充電機充電純鉛蓄電池備用電源系統進行充電，相應的充電時間如圖6所示。
圖6 充電機充電純鉛蓄電池備用電源系統充電時間統計
根據圖6，經計算充電機充電純鉛蓄電池從放電完成到浮充狀態（具備起機條件）時間為14.2min。
相比之下，充電機充電鉛酸蓄電池備用電源系統的充電數據如圖7所示。
圖7 充電機充電鉛酸蓄電池備用電源系統充電時間統計
根據圖7經計算充電機充電純鉛蓄電池從放電完成到浮充狀態（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，充電機充電純鉛蓄電池備用電源系統在充電時間比鉛酸充電機充電蓄電池備用電源系統更快速充電的特性。
4.2 從60°回槳至安全位置結果
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，充電機充電蓄電池電壓變化情況
圖10 槳葉從60°回槳至安全位置時，充電機充電蓄電池電流變化情況
通過以上數據分析可以得到以下結論：
當3個槳葉斷電緊急回槳至60°時，充電機充電蓄電池電壓從開始的388.8V DC降至384.19VDC，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，充電機充電蓄電池電壓變化情況
圖13 槳葉從0°回槳至安全位置時，充電機充電蓄電池電流變化情況
通過以上數據分析可以得到以下結論：當3個槳葉斷電緊急回槳至90°時，充電機充電蓄電池電壓從開始的388.68V DC降至381.84VDC，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論可以看出，基于該充電機充電純鉛蓄電池的風力發電機組備用電源系統能夠完全滿足風力發電機組變槳需求。
4.4 運行統計
該系統于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 充電機充電純鉛蓄電池備用電源系統運行故障記錄
與之相比充電機充電鉛酸蓄電池備用電源系統的運行時的故障列表見表2。
表2 充電機充電鉛酸蓄電池備用電源系統運行故障記錄
通過表1和表2的對比可以看出，在運行的3個月的時間內充電機充電純鉛蓄電池備用電源系統僅出現2次故障且故障時間較短，而充電機充電鉛酸蓄電池備用電源系統不僅出現4次故障，而且故障時間較長。因此，表明該系統能夠降低風力發電機組電源相關故障。
5 結論
本文首先對目前風力發電機組變槳充電機充電鉛酸蓄電池備用電源系統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充電機充電純鉛蓄電池的優點設計出基于充電機充電純鉛蓄電池的風力發電機組備用電源系統，并將該系統進行機組測試。
測試證明：該充電機充電純鉛蓄電池備用電源系統完全滿足風力發電機組的變槳需求。同時該系統已在風機運行3個月的時間，期間未報出過任何問題。
根據以上描述可以說明，基于充電機充電純鉛蓄電池備用電源系統是解決目前充電機充電鉛酸蓄電池備用電源系統所出現的故障的手段之一，有利于降低風力發電機組故障率。
本文首先就目前充電機充電鉛酸蓄電池備用電源系統存在的問題進行了分析，然后指出了充電機充電純鉛蓄電池的優勢，最后詳細介紹了基于充電機充電純鉛蓄電池的備用電源系統的設計方案，并給出現場測試數據以證明充電機充電純鉛蓄電池備用電源系統是解決目前充電機充電鉛酸蓄電池備用電源系統故障率高的可行的措施之一。
目前風力發電機組變槳系統的備用電源基本采用兩種方式：①采用充電機充電鉛酸蓄電池作為備用電源； ②采用超級電容作為備用電源。采用充電機充電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充電機充電鉛酸蓄電池在風力發電機組的應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電機組成本偏高。
同時相比于超級電容來說，純鉛蓄充電機充電蓄電池的價格相對低廉，可以使得風力發電機組備用電源系統獲得更好的性價比。因此本文提出了基于純鉛蓄充電機充電蓄電池的風機發電機組備用電源系統設計。
1 目前充電機充電鉛酸蓄電池方案的問題分析
充電機充電鉛酸蓄電池作為儲能設備普遍運行于風力發電機組的備用電源系統，但是充電機充電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）環境溫度高，造成充電機充電鉛酸蓄電池壽命下降。如圖1所示，當環境溫度在0℃～10℃時，充電機充電鉛酸蓄電池浮充壽命可以達到10年，而環境溫度在40℃～50℃時，充電機充電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電機組都“三北”地區，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℃，這極大地降低了充電機充電鉛酸蓄電池的浮充壽命。
2）低溫下加熱方式不當，造成充電機充電鉛酸蓄電池局部過熱，從而造成充電機充電鉛酸蓄電池壽命下降。目前好多廠家的備用充電機充電蓄電池系統抵抗低溫對系統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充電機充電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充電機充電鉛酸蓄電池安裝板的背面，利用熱傳動的原理，在低溫環境，對充電機充電鉛酸蓄電池進行加熱。然后方式極易對充電機充電鉛酸蓄電池產生局部過熱的問題，從而導致充電機充電鉛酸蓄電池的浮充壽命降低。
圖1 環境溫度對充電機充電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，造成充電機充電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的充電機充電鉛酸蓄電池來說，其浮充電壓為13.7V DC，在充電過程中，當充電機充電鉛酸蓄電池電壓從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，很容易造成充電機充電鉛酸蓄電池的深度發電，從而影響充電機充電鉛酸蓄電池的壽命。
圖3 鉛酸充電機充電蓄電池充電特性曲線圖
2 純鉛電的優點
充電機充電純鉛蓄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充電機充電蓄電池要薄，因此其相對于鉛酸充電機充電蓄電池有以下幾個方面的優點。
1）良好的低溫工作能力
充電機充電純鉛蓄電池采用較薄的極板，相對與鉛酸充電機充電蓄電池而言，在同樣電壓和容量下其極板的表面積相對較大。加之充電機充電純鉛蓄電池擁有較小的阻抗特性使充電機充電純鉛蓄電池，能夠更好地利用活性材料，從而使其在較寬的溫度范圍內有著良好的電壓調節能力。
2）快速充放電能力
充電機充電純鉛蓄電池的薄極板設計方式使其能夠更好利用活性材料同時也使得其充電機充電蓄電池內阻較鉛酸充電機充電蓄電池有所下降，這就使得充電機充電蓄電池能夠進行短時快速發電。同時由于其充電機充電蓄電池內阻較小，也使充電機充電純鉛蓄電池相比于鉛酸充電機充電蓄電池而言能夠更快速地充滿能量。
3）較長的浮充壽命
充電機充電純鉛蓄電池在環境溫度為25℃時，浮充壽命可以達到10年。在環境溫度為20℃時，浮充壽命可以達到15年。
3 充電機充電純鉛蓄電池備用電源方案設計
根據上面對充電機充電鉛酸蓄電池的風力發電機組備用電源系統分析所得到目前充電機充電鉛酸蓄電池備用電源系統失效的3個原因，該設計方案針對某廠家1.5MW，掃風直徑為82m風機，從結構、環境溫度控制等方面，重新設計了基于充電機充電純鉛蓄電池的備用電源系統。
3.1 充電機充電純鉛蓄電池備用電源系統能量計算
充電機充電純鉛蓄電池備用電源系統作為風力發電機組備用電源，首要作用是當風機發送主電源斷電故障時，能夠為變槳系統提供相應的能量使其將風機葉片順槳至安全位置。該系統設計理論計算和動態仿真兩個方面對系統所需能量進行精算。
1）理論計算（略）
通過計算，可以得到8215機型槳葉回槳一次所需能量為86kJ，根據《風力發電機組電動變槳技術規范》規定中對充電機充電蓄電池容量的規定，即滿足三次緊急回槳的要求，可以得到基于充電機充電純鉛蓄電池的備用電源系統需要總的能量為258kJ。
2）仿真計算（略）
根據GL相關載荷標準參數，仿真并計算得到其8215風力發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，選取最大能量值為充電機充電純鉛蓄電池變槳系統備用電源系統所需最小能量。
3.2 充電機充電純鉛蓄電池組設計
充電機充電純鉛蓄電池組設計是指兩個方面，即充電機充電蓄電池數量和充電機充電蓄電池連接方式。而影響這兩個方面的因素主要有以下3個方面的因素：①變槳驅動器直流母線電壓的適應性；②充電機充電純鉛蓄電池組所需提供的能量；③結構布局。
本設計方案是針對的變槳驅動器直流母線電壓為240V所設計的方案，所需能量按照3.1中得到充電機充電純鉛蓄電池備用電源系統所需能量為準，同時考慮到充電機充電純鉛蓄電池組將放置760mm×600mm×350mm的柜體中，因此選用單體為12V 5.2Ah的充電機充電純鉛蓄電池，數量為30節，采用串聯形式組成額定電壓為360V 5.2Ah的充電機充電純鉛蓄電池組。
3.3 柜體設計
綜合本文第一節所述的目前充電機充電鉛酸蓄電池方案的不足，本設計采用以下設計優化。
1）柜體采用上下兩層設計，對單個充電機充電純鉛蓄電池采用獨立臥槽設計，從而保證充電機充電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）柜體采用內循環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溫度均衡，不會出現局部過溫現象（如圖5所示）。
圖5 加熱器示意圖
4 風場驗證
該風力發電機組備用電源系統已經在甘肅某風場1.5MW雙饋風力發電機組安裝運行。通過對現場變槳進行斷電緊急回槳實驗來驗證該備用電源系統性能，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；第四部分為運行統計。
4.1 充電測試
通過對充電機充電純鉛蓄電池備用電源系統進行充電，相應的充電時間如圖6所示。
圖6 充電機充電純鉛蓄電池備用電源系統充電時間統計
根據圖6，經計算充電機充電純鉛蓄電池從放電完成到浮充狀態（具備起機條件）時間為14.2min。
相比之下，充電機充電鉛酸蓄電池備用電源系統的充電數據如圖7所示。
圖7 充電機充電鉛酸蓄電池備用電源系統充電時間統計
根據圖7經計算充電機充電純鉛蓄電池從放電完成到浮充狀態（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，充電機充電純鉛蓄電池備用電源系統在充電時間比鉛酸充電機充電蓄電池備用電源系統更快速充電的特性。
4.2 從60°回槳至安全位置結果
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，充電機充電蓄電池電壓變化情況
圖10 槳葉從60°回槳至安全位置時，充電機充電蓄電池電流變化情況
通過以上數據分析可以得到以下結論：
當3個槳葉斷電緊急回槳至60°時，充電機充電蓄電池電壓從開始的388.8V DC降至384.19VDC，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，充電機充電蓄電池電壓變化情況
圖13 槳葉從0°回槳至安全位置時，充電機充電蓄電池電流變化情況
通過以上數據分析可以得到以下結論：當3個槳葉斷電緊急回槳至90°時，充電機充電蓄電池電壓從開始的388.68V DC降至381.84VDC，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論可以看出，基于該充電機充電純鉛蓄電池的風力發電機組備用電源系統能夠完全滿足風力發電機組變槳需求。
4.4 運行統計
該系統于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 充電機充電純鉛蓄電池備用電源系統運行故障記錄
與之相比充電機充電鉛酸蓄電池備用電源系統的運行時的故障列表見表2。
表2 充電機充電鉛酸蓄電池備用電源系統運行故障記錄
通過表1和表2的對比可以看出，在運行的3個月的時間內充電機充電純鉛蓄電池備用電源系統僅出現2次故障且故障時間較短，而充電機充電鉛酸蓄電池備用電源系統不僅出現4次故障，而且故障時間較長。因此，表明該系統能夠降低風力發電機組電源相關故障。
5 結論
本文首先對目前風力發電機組變槳充電機充電鉛酸蓄電池備用電源系統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充電機充電純鉛蓄電池的優點設計出基于充電機充電純鉛蓄電池的風力發電機組備用電源系統，并將該系統進行機組測試。
測試證明：該充電機充電純鉛蓄電池備用電源系統完全滿足風力發電機組的變槳需求。同時該系統已在風機運行3個月的時間，期間未報出過任何問題。
根據以上描述可以說明，基于充電機充電純鉛蓄電池備用電源系統是解決目前充電機充電鉛酸蓄電池備用電源系統所出現的故障的手段之一，有利于降低風力發電機組故障率。
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