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風電機組變槳蓄電池的電壓故障分析

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2021年05月21日  

1、故障現象


位于河北壩上滿井風電場的GE1.5Sle風機采用SSB公司設計的電動変槳系統,進入冬季后,風機組頻繁報警133,134,133Batterygingrotorbladedrive變槳驅動電池存電、134BatterygingvoltagenotOK,電池充電電壓不正常。系統報警后,風機停機進行充電檢測,充電檢測正常后,風電機組啟動運轉。


133、134故障報警隨著季節的變化,在天氣寒冷的秋季、冬季發生的頻率明顯增多,頻繁的停機自檢,已經影響到風力發電機組的可利用率等指標,并且嚴重影響風場業主的經濟效益。


133、134故障報警頻繁發生,在沒有安裝北京子木智能科技有限公司供應的變槳蓄電池在線監測均衡系統之前的處理方式:更換全部變槳蓄電池組,故障消失。通過統計發現,新電池組在使用3、4個月以后,故障現象又重新出現。風場業主為確保設備運行安全只能頻繁更換蓄電池組。


以5W風場為例,按在沒有技改之前的處理方式,現在90%風機蓄電池一年需更換一次,一臺風機要1.3萬的變槳電池組,5W風場30臺風機要費用39萬。一臺風機停機存電自檢要1H時間,5W風場一天因風機停機存電自檢而出現的發電量損失大約為13.5萬千瓦時。


在變槳蓄電池組在線監測、均衡系統技術改造完成后,不僅防止了大量變槳電池組被無故障頻繁更換;而且減少了風機誤報警停機自檢時間,使得風電機組有效利用率大幅提升,以及經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的變槳蓄電池在線均衡監控系統后,通過仔細查看與核對變槳蓄電池在線監測采樣數據及相關分析發現以下幾個突出問題:


2.1.1、引發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風機SSB變槳系統使用為1組電池6支單電池組合而成,風機總用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、在風機報134故障前的時刻,變槳蓄電池組開路電壓等數據正常,從監控系統供應的變槳電池的放電曲線末端數據計算分析,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,導致電池開路電壓低,電池狀態不滿足系統需求。


2.2.4、134頻繁報警,導致風電機組無法正常運轉和滿功率發電。


蓄電池組充電電壓過高;過壓充電不能使蓄電池快速充電,且過壓充電會導致蓄電池內部板柵加速腐蝕。


外界環境溫度低,蓄電池充電慢;每45分鐘一次,每次15分鐘的充電循環,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;蓄電池組整組開路電壓數據正常,134報BatterygingvoltagenotOK即蓄電池充電電壓不正常,要依據在線監測結果(即完全掌握蓄電池使用狀況)進行相應的調整。


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,基本上沿襲于傳統的鉛酸蓄電池,它的正極活性物質是二氧化鉛(PbO2),負極活性物質是海綿狀鉛(Pb),電解液是稀硫酸(H2SO4),其電極反應方程式如下:


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從上面反應式可看出,充電過程中存在水分解反應,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,假如反應出現的氣體不能重新復合利用,電池就會失水。


電池的工作過程是一個化學反應,化學反應要出現熱量,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致電解液比重增高、導致電池正極柵板的腐蝕,使電池的活性物質減少,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:電池在存放期間內應無氣體逸出;


充電電壓在2.35V/單體(25℃)以下應無氣體逸出(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。因為此時電池體內短時間出現了大量氣體(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該高于14.1V(2.35V*6=14.1V),高于14.1V充電將導致電池有氣體逸出,電池失水、電解液比重增高,正極柵板腐蝕,電池的活性物質減少,電池的容量降低而失效。


在線監測系統監測數據已經監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象發生。


變槳蓄電池組也存在正極板腐蝕。過高的充電電壓導致電池失水,一定會引起正極板腐蝕。


電池流液現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是海棉狀鉛,電池充電時


負極柵板發生如下化學反應:PbSO4+2e=Pb+SO4-,


正極上發生氧化反應:PbSO4+2H2O=PbO2+4H++SO4-+2e,


放電過程發生的化學反應是這一反應的逆反應,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,不能再參與化學反應,這一現象稱為活性物質的硫酸化,硫酸化使電池的活性物質減少,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,電池必須經常保持在充足電的狀態,防止欠充。


蓄電池因充電不足,會導致電池負極柵板上硫酸化,即負極板被PbSO4(鹽,活性差)覆蓋,影響負極柵板化學反應,負極柵板活性下降,導致電池失效。


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的氧氣不能到達負極,從而負極未去極化,較易出現氫氣,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熱量,VRLAB電池過充電過程中出現的熱量多于富液型鉛酸蓄電池。較易發生熱失控。


浮充電壓應合理選擇。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℃),則持續充電4個月就會出現熱失控;或者采用2.30V/單體(25℃),持續充電6~8個月就會出現熱失控;要是采用2.28V/單體(25℃),則持續12~18個月就會出現嚴重的容量下降,進而導致熱失控。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)7.2AH


如附表-6所示,出現熱失控的時間,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,熱失控出現的時間會更快,這也風場業主在更換變槳蓄電池組之后,2、3個月后就出現電池鼓脹、漏液等現象。


另外,風電機組安裝在野外,變槳電池組在風機輪轂中,夏季輪轂中溫度高,不利用熱失控電池散熱。現有變槳電池組結構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),整組電池關于充電的接受能力不同,導致過充電現象。整組電池中部分電池處于一直吃不飽的狀態;部分電池不得不接受高電壓充電(因充電總電壓不變),從而出現過充,處于一直撐飽了。長期的過充,是導致電池損壞加速。


通過對蓄電池技術改造以后,并且依據檢測數據對電池存電器進行調節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象出現,從而防止蓄電池組電池過充、欠充、熱失控的危害出現。


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機。使蓄電池的使用時間和出力都達到最大化。


4.3現有變槳電池組結構不利用電池散熱,熱失控電池損壞加速


進口變槳電池組與國產變槳電池組都考慮到電池組固定緊密,防止松動,從而在結構上采取粘連的方式固定電池。進口電池組在生產工藝上優于國產電池組,電池間保留了很小的縫隙,用環氧樹脂進行粘連;國產電池組在生產工藝上明顯不足,電池間基本沒有間隙,且采用普通膠進行粘連。進口與國產電池組為了降低電池組重量,在固定鐵架底部都采用復合紙板對電池進行承托用途,這完全不利用電池散熱,導致電池組散熱能力下降,電池熱失控導致電池損壞。


采用導熱能力優于鐵質材料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,且可以重復使用。提高蓄電池散熱、便于更換、循環利用,降低電池組備件成本,重復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


風電機組現有系統僅可以檢測到每個槳葉變槳電源電壓(既2組或3組變槳電池組串聯的總電壓),關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檢測數據。而檢測串聯2組或3組的總電壓,從業主維護角度看,根本起不到任何幫助。


參考某型號1500KW風機,風機2組變槳電池組串聯為一個槳葉供應后備儲能。其中每組電池串聯為76.8V(6只12V電池串聯,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,必將導致整組電池失效的速度加快。


所以在線監測、均衡系統關于電池組每一只蓄電池的使用狀態進行全程監控、掌握每支蓄電池的開路電壓、充電電壓、放電時狀態,通過系統數據分析,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動的后備儲能裝置,在整個風機中的用途至關重要,并且因電池特性及使用環境和系統充電方式等等原因電池故障頻繁發生,現有系統有無法提前準確預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,直接導致風電機組停機。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報廢了。據了解,很多小規模風場在場內都不具備相關充電設備。


在線監測系統有預警時間,還有購買電池常規一般以一組為單位購買,一次購買要數量多時間長,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,夏季高溫時節是電池開始出現損壞,因現有檢測條件限制,導致電池組損壞大部分在冬季才被發現。冬季野外運維,因風雪、道路、等因素,運維團隊勞動強度大、風險高。另外,冬季時多風季節,設備損壞導致的停機個風場帶來的損失巨大;以25ºC為基準,高溫升高10ºC,電池壽命就縮短一半,風場野外壞境,夏季的風機溫度應該在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,但因為現有風機檢測方式(只檢測總電壓)無法準確到單只電池的損壞。到冬季時,電池組已經是徹底損壞了,冬季的風場野外作業,關于運維團隊來講勞動強度太大。且冬季是風電的黃金季節,設備故障停機給風場效益一定帶來影響。


利用蓄電池組在線監測系統,隨時掌握蓄電池使用狀況和蓄電池性能下降曲線,可以根據系統監控數據,及時發現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,這樣既節省成本,又節省檢修時間和勞動強度,提高風機可靠運行。


4.7現有變槳電池組結構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,但由于現有變槳電池組的結構,無法簡單更換單只電池,只能整組更換,這即新增了業主的維護費用投入、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


系統內置數字電池充電均衡系統,對充電狀態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。


電池均衡系統采用數字化的方式,當系統檢測到的電池組內各個電池充電電壓出現差異,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,防止因電池極化內阻差異電池充電不均勻,出現過充、欠充狀況,電池異常損壞。


5、系統技術改造后133,134報警狀況:133Batterygingrotorbladedrive變槳驅動電池存電、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定范圍內,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致風機自檢存電。經過技改以后能提前預知蓄電池性能下降并且及時更換,使蓄電池處于良好狀態。具體目的降低風機組因蓄電池平凡存電導致風機長時間故障停機,影響發電量和可利用率雙重指標。


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