鉅大LARGE | 點擊量：2550次 | 2021年05月21日
風(fēng)電機組變槳蓄電池的電壓故障分析
1、故障現(xiàn)象
位于河北壩上滿井風(fēng)電場的GE1.5Sle風(fēng)機采用SSB公司設(shè)計的電動変槳系統(tǒng)，進入冬季后，風(fēng)機組頻繁報警133，134，133Batterygingrotorbladedrive變槳驅(qū)動電池存電、134BatterygingvoltagenotOK，電池充電電壓不正常。系統(tǒng)報警后，風(fēng)機停機進行充電檢測，充電檢測正常后，風(fēng)電機組啟動運轉(zhuǎn)。
133、134故障報警隨著季節(jié)的變化，在天氣寒冷的秋季、冬季發(fā)生的頻率明顯增多，頻繁的停機自檢，已經(jīng)影響到風(fēng)力發(fā)電機組的可利用率等指標，并且嚴重影響風(fēng)場業(yè)主的經(jīng)濟效益。
133、134故障報警頻繁發(fā)生，在沒有安裝北京子木智能科技有限公司供應(yīng)的變槳蓄電池在線監(jiān)測均衡系統(tǒng)之前的處理方式：更換全部變槳蓄電池組，故障消失。通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，新電池組在使用3、4個月以后，故障現(xiàn)象又重新出現(xiàn)。風(fēng)場業(yè)主為確保設(shè)備運行安全只能頻繁更換蓄電池組。
以5W風(fēng)場為例，按在沒有技改之前的處理方式，現(xiàn)在90%風(fēng)機蓄電池一年需更換一次，一臺風(fēng)機要1.3萬的變槳電池組，5W風(fēng)場30臺風(fēng)機要費用39萬。一臺風(fēng)機停機存電自檢要1H時間，5W風(fēng)場一天因風(fēng)機停機存電自檢而出現(xiàn)的發(fā)電量損失大約為13.5萬千瓦時。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
在變槳蓄電池組在線監(jiān)測、均衡系統(tǒng)技術(shù)改造完成后，不僅防止了大量變槳電池組被無故障頻繁更換;而且減少了風(fēng)機誤報警停機自檢時間，使得風(fēng)電機組有效利用率大幅提升，以及經(jīng)濟效益的明顯改善與提高。
2、故障原因分析
在安裝北京子木智能有限公司供應(yīng)的變槳蓄電池在線均衡監(jiān)控系統(tǒng)后，通過仔細查看與核對變槳蓄電池在線監(jiān)測采樣數(shù)據(jù)及相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)以下幾個突出問題：
2.1.1、引發(fā)133故障的原因有1、蓄電池老化，處理老化只有更換蓄電池組。
2.1.2、蓄電池欠存或者過存，處理欠存和過存在蓄電池上加入電壓均衡條(注釋：GE1.5Sle風(fēng)機SSB變槳系統(tǒng)使用為1組電池6支單電池組合而成，風(fēng)機總用6組蓄電池)以1組蓄電池為例作以說明：蓄電池沒有均衡條存電時每支電池存電時電壓大小不等，所以每支蓄電池有不同程度的欠存或者過存，縮短蓄電池的壽命和使用率。
2.2.1、變槳蓄電池組存在過充電、過放電等狀況;
2.2.2、在風(fēng)機報134故障前的時刻，變槳蓄電池組開路電壓等數(shù)據(jù)正常，從監(jiān)控系統(tǒng)供應(yīng)的變槳電池的放電曲線末端數(shù)據(jù)計算分析，整組蓄電池組中沒有性能落后的蓄電池。
2.2.3、134報警頻繁的風(fēng)電機組，頻繁進行充電、放電(變槳測試)，且收槳(放電)間隔時間成縮小趨勢，蓄電池不能保證滿充狀態(tài)，導(dǎo)致電池開路電壓低，電池狀態(tài)不滿足系統(tǒng)需求。
2.2.4、134頻繁報警，導(dǎo)致風(fēng)電機組無法正常運轉(zhuǎn)和滿功率發(fā)電。
蓄電池組充電電壓過高;過壓充電不能使蓄電池快速充電，且過壓充電會導(dǎo)致蓄電池內(nèi)部板柵加速腐蝕。
外界環(huán)境溫度低，蓄電池充電慢;每45分鐘一次，每次15分鐘的充電循環(huán)，無法對蓄電池進行完全充電。
每次變槳測試，都是一次蓄電池深度放電，外界溫度低蓄電池充電速度下降，蓄電池長期處于未充滿狀態(tài)；蓄電池組整組開路電壓數(shù)據(jù)正常，134報BatterygingvoltagenotOK即蓄電池充電電壓不正常，要依據(jù)在線監(jiān)測結(jié)果(即完全掌握蓄電池使用狀況)進行相應(yīng)的調(diào)整。
3、蓄電池故障機理
3.1蓄電池工作原理
閥控式密封鉛酸蓄電池的工作原理，基本上沿襲于傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池，它的正極活性物質(zhì)是二氧化鉛(PbO2)，負極活性物質(zhì)是海綿狀鉛(Pb)，電解液是稀硫酸(H2SO4)，其電極反應(yīng)方程式如下：
正極：PbO2+H2SO4+2H++2e-←→PbSO4+2H2O
負極：Pb+H2SO4←→PbSO4+2H++2e-
整個電池反應(yīng)方程式：Pb+PbO2+2H2SO4←→2PbSO4+2H2O
普通的鉛酸蓄電池在充電過程中，正極析出氧氣，負極析出氫氣：
正極：H2O→1/2O2+2H++2e-
負極：2H++2e-→H2
3.2從上面反應(yīng)式可看出，充電過程中存在水分解反應(yīng)，當正極充電到70%時，開始析出氧氣，負極充電到90%時開始析出氫氣，由于氫、氧氣的析出，假如反應(yīng)出現(xiàn)的氣體不能重新復(fù)合利用，電池就會失水。
電池的工作過程是一個化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)要出現(xiàn)熱量，失水是電池散熱的一種方式。
3.3電池失效機理
3.3.1電池失水
鉛酸蓄電池失水會導(dǎo)致電解液比重增高、導(dǎo)致電池正極柵板的腐蝕，使電池的活性物質(zhì)減少，從而使電池的容量降低而失效。
鉛酸蓄電池密封的難點就是充電時水的電解。當充電達到一定電壓時(一般在2.30V/單體以上)在蓄電池正極上放出氧氣，負極上放出氫氣。一方面釋放氣體帶出酸霧污染環(huán)境，另一方面電解液中的水分減少，必須隔一段時間進行補加水維護。
閥控式密封鉛酸蓄電池均加有濾酸墊，能有效防止酸霧逸出。但密封蓄電池不逸出氣體是有條件的，即：電池在存放期間內(nèi)應(yīng)無氣體逸出；
充電電壓在2.35V/單體(25℃)以下應(yīng)無氣體逸出(25℃時，12V電池充電電壓14.1V以下無氣體逸出)；
放電期間內(nèi)無氣體逸出。
但當充電電壓超過2.35V/單體時就有可能使氣體逸出。因為此時電池體內(nèi)短時間出現(xiàn)了大量氣體(氫氣、氧氣)來不及被負極吸收，壓力超過某個值時，便開始通過單向排氣閥排氣，排出的氣體雖然經(jīng)過濾酸墊濾掉了酸霧，但必竟使電池損失了氣體(水)，所以閥控式密封鉛酸蓄電池對充電電壓的要求是非常嚴格的，不能造成過充電。
變槳蓄電池組所使用電池(Pansonic、LC-P127R2P1、12V、7.2AH)單只電池充電電壓不應(yīng)該高于14.1V(2.35V*6=14.1V)，高于14.1V充電將導(dǎo)致電池有氣體逸出，電池失水、電解液比重增高，正極柵板腐蝕，電池的活性物質(zhì)減少，電池的容量降低而失效。
在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)已經(jīng)監(jiān)測到的充電電壓值達到16.26V，超過鉛酸蓄電池充電電壓上線的1.15倍，勢必加速電池容量降低、加速電池失效。
3.3.2正極板腐蝕
由于電池失水，造成電解液比重增高，過強的電解液酸性加劇正極板腐蝕，使正極板孔隙率增高，電解液相對變少，極板活性物質(zhì)變少，電池容量變低。防止極板腐蝕必須注意防止電池失水現(xiàn)象發(fā)生。
變槳蓄電池組也存在正極板腐蝕。過高的充電電壓導(dǎo)致電池失水，一定會引起正極板腐蝕。
電池流液現(xiàn)象正是因為充電電壓高的原因引起的。
3.3.3負極板硫酸化
電池負極柵板的重要活性物質(zhì)是海棉狀鉛，電池充電時
負極柵板發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：PbSO4+2e=Pb+SO4-,
正極上發(fā)生氧化反應(yīng)：PbSO4+2H2O=PbO2+4H++SO4-+2e,
放電過程發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)是這一反應(yīng)的逆反應(yīng)，當閥控式密封鉛酸蓄電池的荷電不足時，在電池的正負極柵板上就有Pb存在，PbSO4長期存在會失去活性，不能再參與化學(xué)反應(yīng)，這一現(xiàn)象稱為活性物質(zhì)的硫酸化，硫酸化使電池的活性物質(zhì)減少，降低電池的有效容量，也影響電池的氣體吸收能力，久之就會使電池失效。
為防止硫酸化的形成，電池必須經(jīng)常保持在充足電的狀態(tài)，防止欠充。
蓄電池因充電不足，會導(dǎo)致電池負極柵板上硫酸化，即負極板被PbSO4(鹽，活性差)覆蓋，影響負極柵板化學(xué)反應(yīng)，負極柵板活性下降，導(dǎo)致電池失效。
3.3.4熱失控
熱失控是指蓄電池在恒壓充電時，充電電流和電池溫度發(fā)生一種累積性的增強用途，并逐步損壞蓄電池。造成熱失控的根本原因是：
普通富液型鉛酸蓄電池由于在正負極板間充滿了液體，無間隙，所以在充電過程中正極出現(xiàn)的氧氣不能到達負極，從而負極未去極化，較易出現(xiàn)氫氣，隨同氧氣逸出電池。
閥控鉛酸蓄電池因為不能通過失水的方式散發(fā)熱量，VRLAB電池過充電過程中出現(xiàn)的熱量多于富液型鉛酸蓄電池。較易發(fā)生熱失控。
浮充電壓應(yīng)合理選擇。浮充電壓是蓄電池長期使用的充電電壓，是影響電池壽命至關(guān)重要的因素。一般情況下，浮充電壓定為2.23V/單體(25℃)比較合適。假如不按此浮充范圍工作，而是采用2.35V/單體(25℃)，則持續(xù)充電4個月就會出現(xiàn)熱失控;或者采用2.30V/單體(25℃)，持續(xù)充電6~8個月就會出現(xiàn)熱失控;要是采用2.28V/單體(25℃)，則持續(xù)12~18個月就會出現(xiàn)嚴重的容量下降，進而導(dǎo)致熱失控。熱失控的直接后果是蓄電池的外殼鼓包、漏氣，電池容量下降，最后失效。
以變槳蓄電池組為例：
附表-6Pansonic型號：LC-P127R2ST112v(由6只單體電池串聯(lián))7.2AH
如附表-6所示，出現(xiàn)熱失控的時間，會隨著充電電壓的增高而縮短。若變槳電池組長期處于過充狀態(tài)，熱失控出現(xiàn)的時間會更快，這也風(fēng)場業(yè)主在更換變槳蓄電池組之后，2、3個月后就出現(xiàn)電池鼓脹、漏液等現(xiàn)象。
另外，風(fēng)電機組安裝在野外，變槳電池組在風(fēng)機輪轂中，夏季輪轂中溫度高，不利用熱失控電池散熱?，F(xiàn)有變槳電池組結(jié)構(gòu)致使電池散熱能力差，這也是加速電池損壞的另一個因素。
4、解決方法
4.1變槳電池組蓄電池存在過充的狀況
風(fēng)場變槳蓄電池組所使用的閥控鉛酸蓄電池，在充電過程中，因電池個體差異性(極化電阻不均衡)，整組電池關(guān)于充電的接受能力不同，導(dǎo)致過充電現(xiàn)象。整組電池中部分電池處于一直吃不飽的狀態(tài);部分電池不得不接受高電壓充電(因充電總電壓不變)，從而出現(xiàn)過充，處于一直撐飽了。長期的過充，是導(dǎo)致電池損壞加速。
通過對蓄電池技術(shù)改造以后，并且依據(jù)檢測數(shù)據(jù)對電池存電器進行調(diào)節(jié)后使電池的存電電壓符合蓄電池的存電要求，提高存電時應(yīng)電壓過高或者過低對電池造成致命損壞。
4.2蓄電池存在個體差異、上塔前沒有進行整組均衡
變槳電池組在初次使用前，應(yīng)對電池進行至少3次核對性充放電及電池組均衡，防止因電池極化電阻不同而引起的接受充電能力不均衡的現(xiàn)象出現(xiàn)，從而防止蓄電池組電池過充、欠充、熱失控的危害出現(xiàn)。
在蓄電池組安裝前，對蓄電池組進行整組均衡，也就是同過儀器對蓄池進行檢測，確保電池和內(nèi)阻和電壓都處于以個正常值的范圍，并且每組電池中的每小支性能一致、接近的電池用于同一臺風(fēng)機。使蓄電池的使用時間和出力都達到最大化。
4.3現(xiàn)有變槳電池組結(jié)構(gòu)不利用電池散熱，熱失控電池損壞加速
進口變槳電池組與國產(chǎn)變槳電池組都考慮到電池組固定緊密，防止松動，從而在結(jié)構(gòu)上采取粘連的方式固定電池。進口電池組在生產(chǎn)工藝上優(yōu)于國產(chǎn)電池組，電池間保留了很小的縫隙，用環(huán)氧樹脂進行粘連;國產(chǎn)電池組在生產(chǎn)工藝上明顯不足，電池間基本沒有間隙，且采用普通膠進行粘連。進口與國產(chǎn)電池組為了降低電池組重量，在固定鐵架底部都采用復(fù)合紙板對電池進行承托用途，這完全不利用電池散熱，導(dǎo)致電池組散熱能力下降，電池熱失控導(dǎo)致電池損壞。
采用導(dǎo)熱能力優(yōu)于鐵質(zhì)材料3倍的鋁合金材料制作的電池架，提高電池散熱能力，新型電池架可以方便更換單支蓄電池，且可以重復(fù)使用。提高蓄電池散熱、便于更換、循環(huán)利用，降低電池組備件成本，重復(fù)利用電池架和更換每支蓄電池的便捷，提高工作系效率和降低備品備件費用。
4.4變槳電池組的使用狀況未知
風(fēng)電機組現(xiàn)有系統(tǒng)僅可以檢測到每個槳葉變槳電源電壓(既2組或3組變槳電池組串聯(lián)的總電壓)，關(guān)于每個變槳電池組和變槳電池組里面的每只電池沒有相關(guān)檢測數(shù)據(jù)。而檢測串聯(lián)2組或3組的總電壓，從業(yè)主維護角度看，根本起不到任何幫助。
參考某型號1500KW風(fēng)機，風(fēng)機2組變槳電池組串聯(lián)為一個槳葉供應(yīng)后備儲能。其中每組電池串聯(lián)為76.8V(6只12V電池串聯(lián)，每只開路電壓12.8V，6只總電壓6*12.8=76.8V),2組153.6V,若2組電池內(nèi)個別電池低于10.5V(放電終止電壓，電池已損壞，)即檢測的總電壓變化有1%的變化，就存在著單體電池失效的情況了，這個1%若沒有被捕捉到的話，那么12只電池所做的工作必須有剩下的11只或10只電池來完成，必將導(dǎo)致整組電池失效的速度加快。
所以在線監(jiān)測、均衡系統(tǒng)關(guān)于電池組每一只蓄電池的使用狀態(tài)進行全程監(jiān)控、掌握每支蓄電池的開路電壓、充電電壓、放電時狀態(tài)，通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析，進行判斷弱化電池，并及時更換弱化蓄電池，以延長整組使用壽命，防止整組更換蓄電池出現(xiàn)的高額費用，減少勞動強度。從而提高工作效率。
4.5變槳電池組，要準備大量庫存
變槳電池組是變槳驅(qū)動的后備儲能裝置，在整個風(fēng)機中的用途至關(guān)重要，并且因電池特性及使用環(huán)境和系統(tǒng)充電方式等等原因電池故障頻繁發(fā)生，現(xiàn)有系統(tǒng)有無法提前準確預(yù)知變槳電池組的故障，變槳電池組故障若沒有備件及時更換，直接導(dǎo)致風(fēng)電機組停機。同時，受到廠商采購周期的限制(電池廠閥控鉛酸蓄電池的供貨周期是一個月，國產(chǎn)變槳電池組的供貨周期至少在一個月、或一個半月以上;)，為確保不停機需提前儲備大量備件，以備不時之需。而蓄電池的長期存放，也會有電池自放電，若不及時進行充電，電池組還沒用就已經(jīng)報廢了。據(jù)了解，很多小規(guī)模風(fēng)場在場內(nèi)都不具備相關(guān)充電設(shè)備。
在線監(jiān)測系統(tǒng)有預(yù)警時間，還有購買電池常規(guī)一般以一組為單位購買，一次購買要數(shù)量多時間長，時間長對電池要進行一次存放電過程，假如時間長時間不對電池進行存放電會使電池有不同程度的損傷，更為嚴重的就是整組電池徹底損壞。而有電池檢測的電池組每支電池是可以方便拆除更換，采購與存儲也方便。
4.6因電池熱失控特性，夏季高溫時節(jié)是電池開始出現(xiàn)損壞，因現(xiàn)有檢測條件限制，導(dǎo)致電池組損壞大部分在冬季才被發(fā)現(xiàn)。冬季野外運維，因風(fēng)雪、道路、等因素，運維團隊勞動強度大、風(fēng)險高。另外，冬季時多風(fēng)季節(jié)，設(shè)備損壞導(dǎo)致的停機個風(fēng)場帶來的損失巨大；以25ºC為基準，高溫升高10ºC，電池壽命就縮短一半，風(fēng)場野外壞境，夏季的風(fēng)機溫度應(yīng)該在35ºC以上，大部分電池因溫度及熱失控等原因，是從夏季開始壞的，但因為現(xiàn)有風(fēng)機檢測方式(只檢測總電壓)無法準確到單只電池的損壞。到冬季時，電池組已經(jīng)是徹底損壞了，冬季的風(fēng)場野外作業(yè)，關(guān)于運維團隊來講勞動強度太大。且冬季是風(fēng)電的黃金季節(jié)，設(shè)備故障停機給風(fēng)場效益一定帶來影響。
利用蓄電池組在線監(jiān)測系統(tǒng)，隨時掌握蓄電池使用狀況和蓄電池性能下降曲線，可以根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)性能下降的單支蓄電池，把損壞的電池及時更換以免影響其他電池損壞，這樣既節(jié)省成本，又節(jié)省檢修時間和勞動強度，提高風(fēng)機可靠運行。
4.7現(xiàn)有變槳電池組結(jié)構(gòu)不能更換單只失效電池，造成了大量的浪費與污染。
電池組失效是從單只電池失效開始，且整組故障后，整組中6只電池存在著完全可以正常使用的電池，但由于現(xiàn)有變槳電池組的結(jié)構(gòu)，無法簡單更換單只電池，只能整組更換，這即新增了業(yè)主的維護費用投入、造成了大量的浪費，且電池回收會帶來大量的污染。
4.8電池組充電均衡
系統(tǒng)內(nèi)置數(shù)字電池充電均衡系統(tǒng)，對充電狀態(tài)下的蓄電池進行充電均衡處理，使電池充電電壓達到一致，從而延長電池的使用壽命。
電池均衡系統(tǒng)采用數(shù)字化的方式，當系統(tǒng)檢測到的電池組內(nèi)各個電池充電電壓出現(xiàn)差異，程序會對高電壓電池進行單獨的充電抑制，從而達到對欠壓電池進行補充電的效果，反復(fù)進行，達到電池電壓均衡的目的，有效的延長蓄電池的使用壽命。
新變槳蓄電池組安裝風(fēng)機前，對變槳電池組進行充放電、進行電池充電均衡，防止因電池極化內(nèi)阻差異電池充電不均勻，出現(xiàn)過充、欠充狀況，電池異常損壞。
5、系統(tǒng)技術(shù)改造后133，134報警狀況：133Batterygingrotorbladedrive變槳驅(qū)動電池存電、134BatterygingvoltagenotOK電池充電電壓不正常，故障重要檢測蓄電池的電壓是否達到規(guī)定范圍內(nèi)，蓄電池電壓和電流是否正常。假如蓄電池組有任何一支蓄電池存在電壓低或者存電不正常問題時都會導(dǎo)致風(fēng)機自檢存電。經(jīng)過技改以后能提前預(yù)知蓄電池性能下降并且及時更換，使蓄電池處于良好狀態(tài)。具體目的降低風(fēng)機組因蓄電池平凡存電導(dǎo)致風(fēng)機長時間故障停機，影響發(fā)電量和可利用率雙重指標。
