基于充電機(jī)充電純鉛蓄電池的風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)組備用電源系統(tǒng)
2018-6-21 9:43:26??????點(diǎn)擊：
采用充電機(jī)充電鉛酸蓄電池作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳系統(tǒng)的備用電源已經(jīng)被多數(shù)廠家所采用，雖然充電機(jī)充電鉛酸蓄電池價格便宜，但是充電機(jī)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(yīng)用中表現(xiàn)出故障率高、使用壽命短的弊端，而充電機(jī)充電純鉛蓄電池的特性較充電機(jī)充電鉛酸蓄電池有明顯的優(yōu)勢。
本文首先就目前充電機(jī)充電鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行了分析，然后指出了充電機(jī)充電純鉛蓄電池的優(yōu)勢，最后詳細(xì)介紹了基于充電機(jī)充電純鉛蓄電池的備用電源系統(tǒng)的設(shè)計方案，并給出現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)以證明充電機(jī)充電純鉛蓄電池備用電源系統(tǒng)是解決目前充電機(jī)充電鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)故障率高的可行的措施之一。
目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳系統(tǒng)的備用電源基本采用兩種方式：①采用充電機(jī)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(jī)充電鉛酸蓄電池雖然價格便宜，但是存在以下缺點(diǎn)：①充電時間長；②壽命短；③低溫性能差等缺點(diǎn)使得充電機(jī)充電鉛酸蓄電池在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的應(yīng)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(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成本偏高。
同時相比于超級電容來說，純鉛蓄充電機(jī)充電蓄電池的價格相對低廉，可以使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)組備用電源系統(tǒng)獲得更好的性價比。因此本文提出了基于純鉛蓄充電機(jī)充電蓄電池的風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)組備用電源系統(tǒng)設(shè)計。
1 目前充電機(jī)充電鉛酸蓄電池方案的問題分析
充電機(jī)充電鉛酸蓄電池作為儲能設(shè)備普遍運(yùn)行于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的備用電源系統(tǒng)，但是充電機(jī)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(diǎn)。
1）環(huán)境溫度高，造成充電機(jī)充電鉛酸蓄電池壽命下降。如圖1所示，當(dāng)環(huán)境溫度在0℃～10℃時，充電機(jī)充電鉛酸蓄電池浮充壽命可以達(dá)到10年，而環(huán)境溫度在40℃～50℃時，充電機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組都“三北”地區(qū)，夏季高溫炎熱，機(jī)艙平均運(yùn)行在40℃左右，有時甚至可以達(dá)到55℃，這極大地降低了充電機(jī)充電鉛酸蓄電池的浮充壽命。
2）低溫下加熱方式不當(dāng)，造成充電機(jī)充電鉛酸蓄電池局部過熱，從而造成充電機(jī)充電鉛酸蓄電池壽命下降。目前好多廠家的備用充電機(jī)充電蓄電池系統(tǒng)抵抗低溫對系統(tǒng)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(jī)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(jī)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(huán)境，對充電機(jī)充電鉛酸蓄電池進(jìn)行加熱。然后方式極易對充電機(jī)充電鉛酸蓄電池產(chǎn)生局部過熱的問題，從而導(dǎo)致充電機(jī)充電鉛酸蓄電池的浮充壽命降低。
圖1 環(huán)境溫度對充電機(jī)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(jī)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(jī)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(dāng)充電機(jī)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(jī)充電鉛酸蓄電池的深度發(fā)電，從而影響充電機(jī)充電鉛酸蓄電池的壽命。
圖3 鉛酸充電機(jī)充電蓄電池充電特性曲線圖
2 純鉛電的優(yōu)點(diǎn)
充電機(jī)充電純鉛蓄電池的正負(fù)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(jī)充電蓄電池要薄，因此其相對于鉛酸充電機(jī)充電蓄電池有以下幾個方面的優(yōu)點(diǎn)。
1）良好的低溫工作能力
充電機(jī)充電純鉛蓄電池采用較薄的極板，相對與鉛酸充電機(jī)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(jī)充電純鉛蓄電池?fù)碛休^小的阻抗特性使充電機(jī)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(nèi)有著良好的電壓調(diào)節(jié)能力。
2）快速充放電能力
充電機(jī)充電純鉛蓄電池的薄極板設(shè)計方式使其能夠更好利用活性材料同時也使得其充電機(jī)充電蓄電池內(nèi)阻較鉛酸充電機(jī)充電蓄電池有所下降，這就使得充電機(jī)充電蓄電池能夠進(jìn)行短時快速發(fā)電。同時由于其充電機(jī)充電蓄電池內(nèi)阻較小，也使充電機(jī)充電純鉛蓄電池相比于鉛酸充電機(jī)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(jī)充電純鉛蓄電池在環(huán)境溫度為25℃時，浮充壽命可以達(dá)到10年。在環(huán)境溫度為20℃時，浮充壽命可以達(dá)到15年。
3 充電機(jī)充電純鉛蓄電池備用電源方案設(shè)計
根據(jù)上面對充電機(jī)充電鉛酸蓄電池的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組備用電源系統(tǒng)分析所得到目前充電機(jī)充電鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)失效的3個原因，該設(shè)計方案針對某廠家1.5MW，掃風(fēng)直徑為82m風(fēng)機(jī)，從結(jié)構(gòu)、環(huán)境溫度控制等方面，重新設(shè)計了基于充電機(jī)充電純鉛蓄電池的備用電源系統(tǒng)。
3.1 充電機(jī)充電純鉛蓄電池備用電源系統(tǒng)能量計算
充電機(jī)充電純鉛蓄電池備用電源系統(tǒng)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組備用電源，首要作用是當(dāng)風(fēng)機(jī)發(fā)送主電源斷電故障時，能夠為變槳系統(tǒng)提供相應(yīng)的能量使其將風(fēng)機(jī)葉片順槳至安全位置。該系統(tǒng)設(shè)計理論計算和動態(tài)仿真兩個方面對系統(tǒng)所需能量進(jìn)行精算。
1）理論計算（略）
通過計算，可以得到8215機(jī)型槳葉回槳一次所需能量為86kJ，根據(jù)《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電動變槳技術(shù)規(guī)范》規(guī)定中對充電機(jī)充電蓄電池容量的規(guī)定，即滿足三次緊急回槳的要求，可以得到基于充電機(jī)充電純鉛蓄電池的備用電源系統(tǒng)需要總的能量為258kJ。
2）仿真計算（略）
根據(jù)GL相關(guān)載荷標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，仿真并計算得到其8215風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)充電純鉛蓄電池變槳系統(tǒng)備用電源系統(tǒng)所需最小能量。
3.2 充電機(jī)充電純鉛蓄電池組設(shè)計
充電機(jī)充電純鉛蓄電池組設(shè)計是指兩個方面，即充電機(jī)充電蓄電池數(shù)量和充電機(jī)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(qū)動器直流母線電壓的適應(yīng)性；②充電機(jī)充電純鉛蓄電池組所需提供的能量；③結(jié)構(gòu)布局。
本設(shè)計方案是針對的變槳驅(qū)動器直流母線電壓為240V所設(shè)計的方案，所需能量按照3.1中得到充電機(jī)充電純鉛蓄電池備用電源系統(tǒng)所需能量為準(zhǔn)，同時考慮到充電機(jī)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(jī)充電純鉛蓄電池，數(shù)量為30節(jié)，采用串聯(lián)形式組成額定電壓為360V 5.2Ah的充電機(jī)充電純鉛蓄電池組。
3.3 柜體設(shè)計
綜合本文第一節(jié)所述的目前充電機(jī)充電鉛酸蓄電池方案的不足，本設(shè)計采用以下設(shè)計優(yōu)化。
1）柜體采用上下兩層設(shè)計，對單個充電機(jī)充電純鉛蓄電池采用獨(dú)立臥槽設(shè)計，從而保證充電機(jī)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(nèi)循環(huán)風(fēng)扇加熱輻射的形式進(jìn)行柜體加熱，從而保證在滿足柜體加熱的同時做到柜體內(nèi)溫度均衡，不會出現(xiàn)局部過溫現(xiàn)象（如圖5所示）。
圖5 加熱器示意圖
4 風(fēng)場驗證
該風(fēng)力發(fā)電機(jī)組備用電源系統(tǒng)已經(jīng)在甘肅某風(fēng)場1.5MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝運(yùn)行。通過對現(xiàn)場變槳進(jìn)行斷電緊急回槳實驗來驗證該備用電源系統(tǒng)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(yùn)行統(tǒng)計。
4.1 充電測試
通過對充電機(jī)充電純鉛蓄電池備用電源系統(tǒng)進(jìn)行充電，相應(yīng)的充電時間如圖6所示。
圖6 充電機(jī)充電純鉛蓄電池備用電源系統(tǒng)充電時間統(tǒng)計
根據(jù)圖6，經(jīng)計算充電機(jī)充電純鉛蓄電池從放電完成到浮充狀態(tài)（具備起機(jī)條件）時間為14.2min。
相比之下，充電機(jī)充電鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)的充電數(shù)據(jù)如圖7所示。
圖7 充電機(jī)充電鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)充電時間統(tǒng)計
根據(jù)圖7經(jīng)計算充電機(jī)充電純鉛蓄電池從放電完成到浮充狀態(tài)（具備起機(jī)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(jī)充電純鉛蓄電池備用電源系統(tǒng)在充電時間比鉛酸充電機(jī)充電蓄電池備用電源系統(tǒng)更快速充電的特性。
4.2 從60°回槳至安全位置結(jié)果
圖8 風(fēng)機(jī)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(jī)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(jī)充電蓄電池電流變化情況
通過以上數(shù)據(jù)分析可以得到以下結(jié)論：
當(dāng)3個槳葉斷電緊急回槳至60°時，充電機(jī)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(jié)果
圖11 風(fēng)機(jī)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(jī)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(jī)充電蓄電池電流變化情況
通過以上數(shù)據(jù)分析可以得到以下結(jié)論：當(dāng)3個槳葉斷電緊急回槳至90°時，充電機(jī)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(jié)論可以看出，基于該充電機(jī)充電純鉛蓄電池的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組備用電源系統(tǒng)能夠完全滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳需求。
4.4 運(yùn)行統(tǒng)計
該系統(tǒng)于2017年7月初在風(fēng)機(jī)上運(yùn)行，通過在風(fēng)場3個月的運(yùn)行，其故障列表見表1。
表1 充電機(jī)充電純鉛蓄電池備用電源系統(tǒng)運(yùn)行故障記錄
與之相比充電機(jī)充電鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)的運(yùn)行時的故障列表見表2。
表2 充電機(jī)充電鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)運(yùn)行故障記錄
通過表1和表2的對比可以看出，在運(yùn)行的3個月的時間內(nèi)充電機(jī)充電純鉛蓄電池備用電源系統(tǒng)僅出現(xiàn)2次故障且故障時間較短，而充電機(jī)充電鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)不僅出現(xiàn)4次故障，而且故障時間較長。因此，表明該系統(tǒng)能夠降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電源相關(guān)故障。
5 結(jié)論
本文首先對目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳充電機(jī)充電鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)的問題進(jìn)行了詳細(xì)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(jī)充電純鉛蓄電池的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計出基于充電機(jī)充電純鉛蓄電池的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組備用電源系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)組測試。
測試證明：該充電機(jī)充電純鉛蓄電池備用電源系統(tǒng)完全滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳需求。同時該系統(tǒng)已在風(fēng)機(jī)運(yùn)行3個月的時間，期間未報出過任何問題。
根據(jù)以上描述可以說明，基于充電機(jī)充電純鉛蓄電池備用電源系統(tǒng)是解決目前充電機(jī)充電鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)所出現(xiàn)的故障的手段之一，有利于降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障率。
本文首先就目前充電機(jī)充電鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行了分析，然后指出了充電機(jī)充電純鉛蓄電池的優(yōu)勢，最后詳細(xì)介紹了基于充電機(jī)充電純鉛蓄電池的備用電源系統(tǒng)的設(shè)計方案，并給出現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)以證明充電機(jī)充電純鉛蓄電池備用電源系統(tǒng)是解決目前充電機(jī)充電鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)故障率高的可行的措施之一。
目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳系統(tǒng)的備用電源基本采用兩種方式：①采用充電機(jī)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(jī)充電鉛酸蓄電池雖然價格便宜，但是存在以下缺點(diǎn)：①充電時間長；②壽命短；③低溫性能差等缺點(diǎn)使得充電機(jī)充電鉛酸蓄電池在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的應(yīng)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(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成本偏高。
同時相比于超級電容來說，純鉛蓄充電機(jī)充電蓄電池的價格相對低廉，可以使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)組備用電源系統(tǒng)獲得更好的性價比。因此本文提出了基于純鉛蓄充電機(jī)充電蓄電池的風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)組備用電源系統(tǒng)設(shè)計。
1 目前充電機(jī)充電鉛酸蓄電池方案的問題分析
充電機(jī)充電鉛酸蓄電池作為儲能設(shè)備普遍運(yùn)行于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的備用電源系統(tǒng)，但是充電機(jī)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(diǎn)。
1）環(huán)境溫度高，造成充電機(jī)充電鉛酸蓄電池壽命下降。如圖1所示，當(dāng)環(huán)境溫度在0℃～10℃時，充電機(jī)充電鉛酸蓄電池浮充壽命可以達(dá)到10年，而環(huán)境溫度在40℃～50℃時，充電機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組都“三北”地區(qū)，夏季高溫炎熱，機(jī)艙平均運(yùn)行在40℃左右，有時甚至可以達(dá)到55℃，這極大地降低了充電機(jī)充電鉛酸蓄電池的浮充壽命。
2）低溫下加熱方式不當(dāng)，造成充電機(jī)充電鉛酸蓄電池局部過熱，從而造成充電機(jī)充電鉛酸蓄電池壽命下降。目前好多廠家的備用充電機(jī)充電蓄電池系統(tǒng)抵抗低溫對系統(tǒng)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(jī)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(jī)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(huán)境，對充電機(jī)充電鉛酸蓄電池進(jìn)行加熱。然后方式極易對充電機(jī)充電鉛酸蓄電池產(chǎn)生局部過熱的問題，從而導(dǎo)致充電機(jī)充電鉛酸蓄電池的浮充壽命降低。
圖1 環(huán)境溫度對充電機(jī)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(jī)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(jī)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(dāng)充電機(jī)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(jī)充電鉛酸蓄電池的深度發(fā)電，從而影響充電機(jī)充電鉛酸蓄電池的壽命。
圖3 鉛酸充電機(jī)充電蓄電池充電特性曲線圖
2 純鉛電的優(yōu)點(diǎn)
充電機(jī)充電純鉛蓄電池的正負(fù)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(jī)充電蓄電池要薄，因此其相對于鉛酸充電機(jī)充電蓄電池有以下幾個方面的優(yōu)點(diǎn)。
1）良好的低溫工作能力
充電機(jī)充電純鉛蓄電池采用較薄的極板，相對與鉛酸充電機(jī)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(jī)充電純鉛蓄電池?fù)碛休^小的阻抗特性使充電機(jī)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(nèi)有著良好的電壓調(diào)節(jié)能力。
2）快速充放電能力
充電機(jī)充電純鉛蓄電池的薄極板設(shè)計方式使其能夠更好利用活性材料同時也使得其充電機(jī)充電蓄電池內(nèi)阻較鉛酸充電機(jī)充電蓄電池有所下降，這就使得充電機(jī)充電蓄電池能夠進(jìn)行短時快速發(fā)電。同時由于其充電機(jī)充電蓄電池內(nèi)阻較小，也使充電機(jī)充電純鉛蓄電池相比于鉛酸充電機(jī)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(jī)充電純鉛蓄電池在環(huán)境溫度為25℃時，浮充壽命可以達(dá)到10年。在環(huán)境溫度為20℃時，浮充壽命可以達(dá)到15年。
3 充電機(jī)充電純鉛蓄電池備用電源方案設(shè)計
根據(jù)上面對充電機(jī)充電鉛酸蓄電池的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組備用電源系統(tǒng)分析所得到目前充電機(jī)充電鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)失效的3個原因，該設(shè)計方案針對某廠家1.5MW，掃風(fēng)直徑為82m風(fēng)機(jī)，從結(jié)構(gòu)、環(huán)境溫度控制等方面，重新設(shè)計了基于充電機(jī)充電純鉛蓄電池的備用電源系統(tǒng)。
3.1 充電機(jī)充電純鉛蓄電池備用電源系統(tǒng)能量計算
充電機(jī)充電純鉛蓄電池備用電源系統(tǒng)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組備用電源，首要作用是當(dāng)風(fēng)機(jī)發(fā)送主電源斷電故障時，能夠為變槳系統(tǒng)提供相應(yīng)的能量使其將風(fēng)機(jī)葉片順槳至安全位置。該系統(tǒng)設(shè)計理論計算和動態(tài)仿真兩個方面對系統(tǒng)所需能量進(jìn)行精算。
1）理論計算（略）
通過計算，可以得到8215機(jī)型槳葉回槳一次所需能量為86kJ，根據(jù)《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電動變槳技術(shù)規(guī)范》規(guī)定中對充電機(jī)充電蓄電池容量的規(guī)定，即滿足三次緊急回槳的要求，可以得到基于充電機(jī)充電純鉛蓄電池的備用電源系統(tǒng)需要總的能量為258kJ。
2）仿真計算（略）
根據(jù)GL相關(guān)載荷標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，仿真并計算得到其8215風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)充電純鉛蓄電池變槳系統(tǒng)備用電源系統(tǒng)所需最小能量。
3.2 充電機(jī)充電純鉛蓄電池組設(shè)計
充電機(jī)充電純鉛蓄電池組設(shè)計是指兩個方面，即充電機(jī)充電蓄電池數(shù)量和充電機(jī)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(qū)動器直流母線電壓的適應(yīng)性；②充電機(jī)充電純鉛蓄電池組所需提供的能量；③結(jié)構(gòu)布局。
本設(shè)計方案是針對的變槳驅(qū)動器直流母線電壓為240V所設(shè)計的方案，所需能量按照3.1中得到充電機(jī)充電純鉛蓄電池備用電源系統(tǒng)所需能量為準(zhǔn)，同時考慮到充電機(jī)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(jī)充電純鉛蓄電池，數(shù)量為30節(jié)，采用串聯(lián)形式組成額定電壓為360V 5.2Ah的充電機(jī)充電純鉛蓄電池組。
3.3 柜體設(shè)計
綜合本文第一節(jié)所述的目前充電機(jī)充電鉛酸蓄電池方案的不足，本設(shè)計采用以下設(shè)計優(yōu)化。
1）柜體采用上下兩層設(shè)計，對單個充電機(jī)充電純鉛蓄電池采用獨(dú)立臥槽設(shè)計，從而保證充電機(jī)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(nèi)循環(huán)風(fēng)扇加熱輻射的形式進(jìn)行柜體加熱，從而保證在滿足柜體加熱的同時做到柜體內(nèi)溫度均衡，不會出現(xiàn)局部過溫現(xiàn)象（如圖5所示）。
圖5 加熱器示意圖
4 風(fēng)場驗證
該風(fēng)力發(fā)電機(jī)組備用電源系統(tǒng)已經(jīng)在甘肅某風(fēng)場1.5MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝運(yùn)行。通過對現(xiàn)場變槳進(jìn)行斷電緊急回槳實驗來驗證該備用電源系統(tǒng)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(yùn)行統(tǒng)計。
4.1 充電測試
通過對充電機(jī)充電純鉛蓄電池備用電源系統(tǒng)進(jìn)行充電，相應(yīng)的充電時間如圖6所示。
圖6 充電機(jī)充電純鉛蓄電池備用電源系統(tǒng)充電時間統(tǒng)計
根據(jù)圖6，經(jīng)計算充電機(jī)充電純鉛蓄電池從放電完成到浮充狀態(tài)（具備起機(jī)條件）時間為14.2min。
相比之下，充電機(jī)充電鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)的充電數(shù)據(jù)如圖7所示。
圖7 充電機(jī)充電鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)充電時間統(tǒng)計
根據(jù)圖7經(jīng)計算充電機(jī)充電純鉛蓄電池從放電完成到浮充狀態(tài)（具備起機(jī)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(jī)充電純鉛蓄電池備用電源系統(tǒng)在充電時間比鉛酸充電機(jī)充電蓄電池備用電源系統(tǒng)更快速充電的特性。
4.2 從60°回槳至安全位置結(jié)果
圖8 風(fēng)機(jī)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(jī)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(jī)充電蓄電池電流變化情況
通過以上數(shù)據(jù)分析可以得到以下結(jié)論：
當(dāng)3個槳葉斷電緊急回槳至60°時，充電機(jī)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(jié)果
圖11 風(fēng)機(jī)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(jī)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(jī)充電蓄電池電流變化情況
通過以上數(shù)據(jù)分析可以得到以下結(jié)論：當(dāng)3個槳葉斷電緊急回槳至90°時，充電機(jī)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(jié)論可以看出，基于該充電機(jī)充電純鉛蓄電池的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組備用電源系統(tǒng)能夠完全滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳需求。
4.4 運(yùn)行統(tǒng)計
該系統(tǒng)于2017年7月初在風(fēng)機(jī)上運(yùn)行，通過在風(fēng)場3個月的運(yùn)行，其故障列表見表1。
表1 充電機(jī)充電純鉛蓄電池備用電源系統(tǒng)運(yùn)行故障記錄
與之相比充電機(jī)充電鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)的運(yùn)行時的故障列表見表2。
表2 充電機(jī)充電鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)運(yùn)行故障記錄
通過表1和表2的對比可以看出，在運(yùn)行的3個月的時間內(nèi)充電機(jī)充電純鉛蓄電池備用電源系統(tǒng)僅出現(xiàn)2次故障且故障時間較短，而充電機(jī)充電鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)不僅出現(xiàn)4次故障，而且故障時間較長。因此，表明該系統(tǒng)能夠降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電源相關(guān)故障。
5 結(jié)論
本文首先對目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳充電機(jī)充電鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)的問題進(jìn)行了詳細(xì)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(jī)充電純鉛蓄電池的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計出基于充電機(jī)充電純鉛蓄電池的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組備用電源系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)組測試。
測試證明：該充電機(jī)充電純鉛蓄電池備用電源系統(tǒng)完全滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳需求。同時該系統(tǒng)已在風(fēng)機(jī)運(yùn)行3個月的時間，期間未報出過任何問題。
根據(jù)以上描述可以說明，基于充電機(jī)充電純鉛蓄電池備用電源系統(tǒng)是解決目前充電機(jī)充電鉛酸蓄電池備用電源系統(tǒng)所出現(xiàn)的故障的手段之一，有利于降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障率。
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