（国华（齐齐哈尔）风电有限公司黑龙江齐齐哈尔161006）
摘要：风力发电机变桨电池系统长期缺少有效的维护及保养，致使电池系统故障频率高，电池使用寿命短，风力发电机存在飞车风险。经测试定期对变桨电池进行合理的维护保养可减少电池寿命短、易损坏现象，有效延长变桨电池的使用寿命，保障机组运行安全。其中电池状态损坏分析及其解决方法的研究对风力发电同类型电池系统缺陷的处理具有一定的借鉴意义，完善有效的变桨电池维护及保养机制也是风电行业发展的有利趋势。
关键词：风力发电行业；风力发电机；机组维护及保养；后备电池系统
1引言
风力发电机组变桨系统是机组总电控系统的重要组成部分，当风速大于目标风速时，变桨系统调节叶片角度，控制风机的速度和功率维持在一个最优的水平。在风速小于目标风速时，通过调整叶片角度，利用风和叶轮的相互作用，减小摆动从而使机械负载最小化风能利用率最大化，从而达到使风力发电机组在最佳发电功率运行的目的。而变桨电池系统是保障变桨系统安全运行的重中之重，在机组运行中突然失电时，变桨电池系统会持续给系统及变桨变频器供电，使机组叶片顺利收回，避免机组飞车的风险。因此，定期对风电机组变桨电池系统进行维护保养，确保电池系统的功能正常是十分重要的。
2变桨系统原理及变桨电池作用
风力发电机组变桨系统由变桨变频器、变桨驱动器和备用电池系统等组成，风机每一个叶片用独立的变桨电机带动，受独立的变桨变频器控制其转速，从而实现叶片在顺桨位置和工作位置间连续性的动作。叶片的移动角度由PLC中的功率控制算法计算得出后通过CAN总线通讯传递给变桨变频器实现最终动作，功率控制算法的最终目的是使风机达到最佳的功率输出。
变桨系统存在一个安全锁的保护系统，当运行过程中变桨系统出现故障使叶片停留在某一工作位置时，电机刹车也同时吸合，但电机刹车为单向制动，它会阻止叶片向工作位置移动。当外力足够大时，叶片会自动回到顺桨位置，这是风机的一种保护机制，目的是降低风机在故障后对风能的吸收。其中变桨系统配备后备电池主要作用为在电网停电情况下紧急回桨保护风机和进行低压穿越功能。
3变桨电池系统失效的危害
变桨电池失效后不仅使风电机组失去了该有的低电压穿越功能，而且会导致机组在电网停电情况下失去保护状态中必需的紧急回桨功能，存在巨大风险。早期机组后备电池大多采用铅酸电池，其特点是价格低廉、原料易得、性能可靠、容易回收和适于大电流放电等特点，但是相较其它电池它的缺点是能量密度低、使用寿命短，所以对风电机组变桨电池系统进行维护保养，确保电池系统的功能、延长现有后备电池组的使用寿命是十分必要的。
经统计在中国风电的快速发展时期，诸多风电场出现了机组飞车、倒塌事故，华锐1.5MW风机，电池使用寿命较短，大约为1年，尤其在冬季，电池故障率高。华锐1.5MW风机后备电源位于机舱单个箱体内，通过滑环同时给三个桨叶提供后备电源。变桨电池单体选用FIAMMFGH20502（12V，5Ah），通过PLC控制快速充电或者慢速充电。由于后备电源维护保养不及时甚至从不保养维护，导致电池使用寿命短，故障率高，影响风机使用率和安全，增加风机运营成本。
4成本分析
4.1电池成本
铅酸电池寿命有限，正常情况下，可使用两年，一整套采购价格约为3200元，平均每年电池采购费用为1600元。
铅酸电池较为沉重，更换维护需要人工费约为1600元，则每年约合800元。
则每台机组每年在铅酸电池的使用维护上的成本约为2400元。
4.2线路巡检电量成本
风电场正常一年需对线路进行两次巡检，并都需要对现场机组进行较长时间停机。停机过程中，铅酸电池电量放尽，当完成巡检再次送电时，就将面临较长时间电池充电时间及电池故障恢复时间，此时间往往需要一天半到两天。
冬季因风速较高，可按发电量达1200KW进行计算，恢复时间为36个小时，则损失发电量为：
1200KW*36=43200度电
夏季因风速较小，可按发电量为300KW进行计算，恢复时间为36个小时，则损失发电量为：
300KW*36=10800度电
每台机组每年因线路巡检时，电池充电导致的发电量损失为，43200+10800=54000度电。按0.53元每度电上网价格计算，则为28620元。
例如某风电场，该现场198台SL1500机组，于2016年5月初，风电现场线路断电巡检完毕重新上电后，机组电池系统因放电时间过长，电池电压过低，进入S2故障状态，必须登机对电池系统进行强制充电，使电池电压高于330V，电池系统才能进入正常充电状态，此过程因风电现场工作客观情况，花费两天时间，导致大量电量损失。
4.3故障停机后充电成本
铅酸电池系统充电时间较长，在机组出现停机较长时间的故障后，均需较长的时间对其进行充电，因而严重影响故障处理进度，同时增加了现场电量损失。
据统计，每台机组每年因此导致的充电时间约24小时。因各个季节均有发生，可按发电量为800KW进行计算，则损失发电量为：
800KW*24=19200度电
每台机组每年因故障停机后电量恢复导致电的电量损失约19200度电，按0.53元每度电上网价格计算，则为10176元。
4.4铅酸电池系统故障电量成本
铅酸电池系统，包括其充放电回路的故障率较高，据统计，每年每台机组因铅酸电池导致的故障停机时间约10小时左右。因各个季节均有发生，可按发电量为800KW进行计算，则损失发电量为：
800KW*10=8000度电
每台机组每年因铅酸电池系统故障导致的电量损失为8000度，按0.53元每度电上网价格计算，则为4240元。
4.5成本总结
按上述统计，每台SL1500机组，每年铅酸电池的使用维护成本约为2400元，巡检导致经济损失成本约为28620元，其他故障恢复时充电导致电量损失约为10176元，故障导致经济损失约为4240元，共计45436元。若通过对机组变桨电池系统进行合理的维护保养，电池组寿命延长一年时间，则每年每台机组可减少损失45436元。
5变桨电池特性
风力发电用变桨铅酸电池多为国外12V5Ah的非凡蓄电池，该电池具有自放电损失少，寿命长，性能佳等特点，理论设计寿命在5年-10年以上，但在用于风电机组过程中，由于温度、充电不合理、维护保养不完善等多方面原因，其使用寿命仅2年左右，甚至更短。
变桨电池规格：
变桨电池特性曲线：
6阀控式铅酸蓄电池故障机理及失效机理
6.1电池故障机理
阀控式密封铅酸蓄电池的工作原理，基本上沿袭于传统的铅酸蓄电池，它的正极活性物质是二氧化铅（PbO2），负极活性物质是海绵状铅（Pb），电解液是稀硫酸（H2SO4），其电极反应方程式如下：
正极：PbO2+H2SO4+2H++2e-←→PbSO4+2H2O
负极：Pb+H2SO4←→PbSO4+2H++2e-
整个电池反应方程式：
Pb+PbO2+2H2SO4←→2PbSO4+2H2O
普通的铅酸蓄电池在充电过程中，正极析出氧气，负极析出氢气：
正极：H2O→1/2O2+2H++2e-
负极：2H++2e-→H2
从上面反应式可看出，充电过程中存在水分解反应，当正极充电到70%时，开始析出氧气，负极充电到90%时开始析出氢气，由于氢、氧气的析出，如果反应产生的气体不能重新复合利用，电池就会失水。
6.2电池失效机理
6.2.1电池失水
铅酸蓄电池失水会导致电解液比重增高、导致电池正极栅板的腐蚀，使电池的活性物质减少，从而使电池的容量降低而失效。
铅酸蓄电池密封的难点就是充电时水的电解。当充电达到一定电压时（一般在2.30V/单体以上）在蓄电池正极上放出氧气，负极上放出氢气。一方面释放气体带出酸雾污染环境，另一方面电解液中的水分减少，必须隔一段时间进行补加水维护。
6.2.2正极板腐蚀
由于电池失水，造成电解液比重增高，过强的电解液酸性加剧正极板腐蚀，使正极板孔隙率增高，电解液相对变少，极板活性物质变少，电池容量变低。防止极板腐蚀必须注意防止电池失水现象发生。
6.2.3负极板硫酸化
放电过程发生的化学反应是这一反应的逆反应，当阀控式密封铅酸蓄电池的荷电不足时，在电池的正负极栅板上就有Pb存在，PbSO4长期存在会失去活性，不能再参与化学反应，这一现象称为活性物质的硫酸化，硫酸化使电池的活性物质减少，降低电池的有效容量，也影响电池的气体吸收能力，久之就会使电池失效。为防止硫酸化的形成，电池必须经常保持在充足电的状态，避免欠充。
蓄电池因充电不足，会导致电池负极栅板上硫酸化，即负极板被PbSO4（盐，活性差）覆盖，影响负极栅板化学反应，负极栅板活性下降，导致电池失效。
6.2.4热失控
热失控是指蓄电池在恒压充电时，充电电流和电池温度发生一种累积性的增强作用，并逐步损坏蓄电池。造成热失控的根本原因是：
普通富液型铅酸蓄电池由于在正负极板间充满了液体，无间隙，所以在充电过程中正极产生的氧气不能到达负极，从而负极未去极化，较易产生氢气，随同氧气逸出电池。
7电池失效原因分析
华锐1.5MW风机后备电源电池故障率高，使用寿命短，下面通过电池分析来确认电池的主要失效模式，定位电池的主要失效原因；通过系统分析来确认造成电池失效的主要针对性原因。
对电池正极板、负极板与隔板进行解剖分析可以发现各部分损坏的原因。
正极板：
正极板解剖后可以看出正极板发干、脱干严重，颜色偏红，板栅严重腐蚀，如下图所示：
损坏原因：由于充电电压过高和电池使用环境温度过高造成正极板发干、脱干严重，颜色偏红，板栅腐蚀严重。
负极板：
负极板解剖后可以看出负极板发干、无活性，严重硫酸盐化，如下图所示：
损坏原因：由于电池长期充电不足和使用环境温度过高造成负极板发干、无活性，严重硫酸盐化。
隔板：
隔板解剖后可以看出隔板脱水严重，无破损，如下图所示：
损坏原因：由于电池充电电压、电流过高，使用环境温度过高造成隔板脱水严重，无破损。
汇总所有电池解剖进行分析可以发现，两种不同型号的八块电池，失效模式基本相同，均为不合理使用而造成的电池失效，综合所述，电池的失效主要原因包括：失水、板栅腐蚀、硫酸盐化等。
8变桨电池保养及维护
8.1基本维护
检查变桨电池柜体表面及内部清洁度。
检查电池柜表面绝缘漆脱落情况，必要时需进行防腐补漆处理。
检查电池柜固定是否牢固，对柜体固定螺栓进行紧固校验。
检查变桨电池柜内接线端子是否插紧，走线不凌乱，线槽盖无变形缺失等。
8.2电池工作环境检查
检查变桨电池柜加热器是否正常工作了良好。
检查变桨电池柜内温度是否高温，必要时进行散热及通风处理。
8.3充电特性
电池充电特性曲线：
基于变桨铅酸蓄电池充电特性，校验系统充电情况，必要时为变桨电池配备合理的风电类专用充电管理器。
8.4定期测试
基于变桨铅酸蓄电池特性，蓄电池串联使用时个别电池的损坏可加速损耗整个电池组的使用寿命。在保障合理的充放电环境的情况下我们应在机组半年期定检时对铅酸蓄电池进行变桨电池内阻检测，及时更换损坏的电池来延长整个电池组使用的寿命。依据YDT799-2010通信用阀控式密封铅酸蓄电池标准（内阻越小说明电池性能越好，电池内阻不大于所给值，均为稳定状态）。
Flukebt508电池内阻检测仪
电池测试仪功能及特点：
A.主要测量：电池电阻、交流和直流电压、交流和直流电流、纹波电压、频率和电池温度。
B..序列测量模式：针对包含自动测量存储的电池组，执行自动或手动序列测试。
C.全面记录：所有的测量值均可在测试过程中自动捕捉并可于下载以供分析之前在仪器上查看。
D.优化的用户界面：引导式快捷设置可确保您每次都能捕捉正确的数据，结合利用可视化反馈和音频反馈提示可降低测量混乱的风险。
E.阈值比较：为电阻和电压配置多个参考值和阈值。通过可视化提示和口头提示进行的每次测量结束之后所得的比较结果反馈。
F.人体工程学测试导线：带有远程“保存”按钮的坚固同轴两极Kelvin测试导线能缩短测试时间，并提高效率。
G.增强型数据分析：快捷地比较趋势、分析结果并创建内含电池管理软件的报告。
H.简单的报告：通过分析图表和数据表在PC软件上生成PDF报告，或在移动应用上生成包含csv文件的电子邮件格式快捷报告。
I.电池寿命：7.4V3000mAh锂离子电池可持续使用八个小时以上。
J.USB端口：适用于快速下载数据以便分析所提供数据，及报告管理应用软件。
电池分布编号图表：
由于电池块数较多，为清晰的分辨每一块电池的测量情况，按电池柜内排布命名编号如下表（表上排布与电池排布位置相同）。
电池的测试步骤：
将电池柜内所有电池组上盖打开，使每一块电池接线柱都能外露。
由于电池采取串联连接，在测量每一块电池电压及内阻时并不受其他串联线路影响，所以不用将电池的连接线拆掉。
用FlukeBT508测量电池电压及内阻按电池编号从小到大的顺序测量，测得每一块电池示数稳定时要点动黑表笔上的保存键。
电脑连接FlukeBT508自动生成机组的电池测试记录列表。
蓄电池内阻测试标准表
9总结
实践证明，根据铅酸蓄电池特性，定期对变桨电池进行合理的维护保养能够延长电池使用寿命，保障机组安全，降低了风机存在的安全隐患，达到了降低机组电池系统故障率，减少维护成本，增加机组发电量与可利用率，减少风机停机时间的效果。
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