风电机组变桨蓄电池的电压故障分析

1、故障现象

位于河北坝上满井风电场的GE1.5Sle风机采用SSB公司设计的电动変桨系统，进入冬季后，风机组频繁报警133，134，133Batterygingrotorbladedrive变桨驱动电池存电、134BatterygingvoltagenotOK，电池充电电压不正常。系统报警后，风机停机进行充电检测，充电检测正常后，风电机组启动运转。

133、134故障报警随着季节的变化，在天气寒冷的秋季、冬季发生的频率明显增多，频繁的停机自检，已经影响到风力发电机组的可利用率等指标，并且严重影响风场业主的经济效益。

133、134故障报警频繁发生，在没有安装北京子木智能科技有限公司供应的变桨蓄电池在线监测均衡系统之前的处理方式：更换全部变桨蓄电池组，故障消失。通过统计发现，新电池组在使用3、4个月以后，故障现象又重新出现。风场业主为确保设备运行安全只能频繁更换蓄电池组。

以5W风场为例，按在没有技改之前的处理方式，现在90%风机蓄电池一年需更换一次，一台风机要1.3万的变桨电池组，5W风场30台风机要费用39万。一台风机停机存电自检要1H时间，5W风场一天因风机停机存电自检而出现的发电量损失大约为13.5万千瓦时。

在变桨蓄电池组在线监测、均衡系统技术改造完成后，不仅防止了大量变桨电池组被无故障频繁更换;而且减少了风机误报警停机自检时间，使得风电机组有效利用率大幅提升，以及经济效益的明显改善与提高。

2、故障原因分析

在安装北京子木智能有限公司供应的变桨蓄电池在线均衡监控系统后，通过仔细查看与核对变桨蓄电池在线监测采样数据及相关分析发现以下几个突出问题：

2.1.1、引发133故障的原因有1、蓄电池老化，处理老化只有更换蓄电池组。

2.1.2、蓄电池欠存或者过存，处理欠存和过存在蓄电池上加入电压均衡条(注释：GE1.5Sle风机SSB变桨系统使用为1组电池6支单电池组合而成，风机总用6组蓄电池)以1组蓄电池为例作以说明：蓄电池没有均衡条存电时每支电池存电时电压大小不等，所以每支蓄电池有不同程度的欠存或者过存，缩短蓄电池的寿命和使用率。

2.2.1、变桨蓄电池组存在过充电、过放电等状况;

2.2.2、在风机报134故障前的时刻，变桨蓄电池组开路电压等数据正常，从监控系统供应的变桨电池的放电曲线末端数据计算分析，整组蓄电池组中没有性能落后的蓄电池。

2.2.3、134报警频繁的风电机组，频繁进行充电、放电(变桨测试)，且收桨(放电)间隔时间成缩小趋势，蓄电池不能保证满充状态，导致电池开路电压低，电池状态不满足系统需求。

2.2.4、134频繁报警，导致风电机组无法正常运转和满功率发电。

蓄电池组充电电压过高;过压充电不能使蓄电池快速充电，且过压充电会导致蓄电池内部板栅加速腐蚀。

外界环境温度低，蓄电池充电慢;每45分钟一次，每次15分钟的充电循环，无法对蓄电池进行完全充电。

每次变桨测试，都是一次蓄电池深度放电，外界温度低蓄电池充电速度下降，蓄电池长期处于未充满状态；蓄电池组整组开路电压数据正常，134报BatterygingvoltagenotOK即蓄电池充电电压不正常，要依据在线监测结果(即完全掌握蓄电池使用状况)进行相应的调整。

3、蓄电池故障机理

3.1蓄电池工作原理

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

3.2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，假如反应出现的气体不能重新复合利用，电池就会失水。

电池的工作过程是一个化学反应，化学反应要出现热量，失水是电池散热的一种方式。

3.3电池失效机理

3.3.1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。

阀控式密封铅酸蓄电池均加有滤酸垫，能有效防止酸雾逸出。但密封蓄电池不逸出气体是有条件的，即：电池在存放期间内应无气体逸出；

充电电压在2.35V/单体(25℃)以下应无气体逸出(25℃时，12V电池充电电压14.1V以下无气体逸出)；

放电期间内无气体逸出。

但当充电电压超过2.35V/单体时就有可能使气体逸出。因为此时电池体内短时间出现了大量气体(氢气、氧气)来不及被负极吸收，压力超过某个值时，便开始通过单向排气阀排气，排出的气体虽然经过滤酸垫滤掉了酸雾，但必竟使电池损失了气体(水)，所以阀控式密封铅酸蓄电池对充电电压的要求是非常严格的，不能造成过充电。

变桨蓄电池组所使用电池(Pansonic、LC-P127R2P1、12V、7.2AH)单只电池充电电压不应该高于14.1V(2.35V*6=14.1V)，高于14.1V充电将导致电池有气体逸出，电池失水、电解液比重增高，正极栅板腐蚀，电池的活性物质减少，电池的容量降低而失效。

在线监测系统监测数据已经监测到的充电电压值达到16.26V，超过铅酸蓄电池充电电压上线的1.15倍，势必加速电池容量降低、加速电池失效。

3.3.2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。

变桨蓄电池组也存在正极板腐蚀。过高的充电电压导致电池失水，一定会引起正极板腐蚀。

电池流液现象正是因为充电电压高的原因引起的。

3.3.3负极板硫酸化

电池负极栅板的重要活性物质是海棉状铅，电池充电时

负极栅板发生如下化学反应：PbSO4+2e=Pb+SO4-,

正极上发生氧化反应：PbSO4+2H2O=PbO2+4H++SO4-+2e,

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，防止欠充。

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。

3.3.4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用途，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出现的氧气不能到达负极，从而负极未去极化，较易出现氢气，随同氧气逸出电池。

阀控铅酸蓄电池因为不能通过失水的方式散发热量，VRLAB电池过充电过程中出现的热量多于富液型铅酸蓄电池。较易发生热失控。

浮充电压应合理选择。浮充电压是蓄电池长期使用的充电电压，是影响电池寿命至关重要的因素。一般情况下，浮充电压定为2.23V/单体(25℃)比较合适。假如不按此浮充范围工作，而是采用2.35V/单体(25℃)，则持续充电4个月就会出现热失控;或者采用2.30V/单体(25℃)，持续充电6~8个月就会出现热失控;要是采用2.28V/单体(25℃)，则持续12~18个月就会出现严重的容量下降，进而导致热失控。热失控的直接后果是蓄电池的外壳鼓包、漏气，电池容量下降，最后失效。

以变桨蓄电池组为例：

附表-6Pansonic型号：LC-P127R2ST112v(由6只单体电池串联)7.2AH

如附表-6所示，出现热失控的时间，会随着充电电压的增高而缩短。若变桨电池组长期处于过充状态，热失控出现的时间会更快，这也风场业主在更换变桨蓄电池组之后，2、3个月后就出现电池鼓胀、漏液等现象。

另外，风电机组安装在野外，变桨电池组在风机轮毂中，夏季轮毂中温度高，不利用热失控电池散热。现有变桨电池组结构致使电池散热能力差，这也是加速电池损坏的另一个因素。

4、解决方法

4.1变桨电池组蓄电池存在过充的状况

风场变桨蓄电池组所使用的阀控铅酸蓄电池，在充电过程中，因电池个体差异性(极化电阻不均衡)，整组电池关于充电的接受能力不同，导致过充电现象。整组电池中部分电池处于一直吃不饱的状态;部分电池不得不接受高电压充电(因充电总电压不变)，从而出现过充，处于一直撑饱了。长期的过充，是导致电池损坏加速。

通过对蓄电池技术改造以后，并且依据检测数据对电池存电器进行调节后使电池的存电电压符合蓄电池的存电要求，提高存电时应电压过高或者过低对电池造成致命损坏。

4.2蓄电池存在个体差异、上塔前没有进行整组均衡

变桨电池组在初次使用前，应对电池进行至少3次核对性充放电及电池组均衡，防止因电池极化电阻不同而引起的接受充电能力不均衡的现象出现，从而防止蓄电池组电池过充、欠充、热失控的危害出现。

在蓄电池组安装前，对蓄电池组进行整组均衡，也就是同过仪器对蓄池进行检测，确保电池和内阻和电压都处于以个正常值的范围，并且每组电池中的每小支性能一致、接近的电池用于同一台风机。使蓄电池的使用时间和出力都达到最大化。

4.3现有变桨电池组结构不利用电池散热，热失控电池损坏加速

进口变桨电池组与国产变桨电池组都考虑到电池组固定紧密，防止松动，从而在结构上采取粘连的方式固定电池。进口电池组在生产工艺上优于国产电池组，电池间保留了很小的缝隙，用环氧树脂进行粘连;国产电池组在生产工艺上明显不足，电池间基本没有间隙，且采用普通胶进行粘连。进口与国产电池组为了降低电池组重量，在固定铁架底部都采用复合纸板对电池进行承托用途，这完全不利用电池散热，导致电池组散热能力下降，电池热失控导致电池损坏。

采用导热能力优于铁质材料3倍的铝合金材料制作的电池架，提高电池散热能力，新型电池架可以方便更换单支蓄电池，且可以重复使用。提高蓄电池散热、便于更换、循环利用，降低电池组备件成本，重复利用电池架和更换每支蓄电池的便捷，提高工作系效率和降低备品备件费用。

4.4变桨电池组的使用状况未知

风电机组现有系统仅可以检测到每个桨叶变桨电源电压(既2组或3组变桨电池组串联的总电压)，关于每个变桨电池组和变桨电池组里面的每只电池没有相关检测数据。而检测串联2组或3组的总电压，从业主维护角度看，根本起不到任何帮助。

参考某型号1500KW风机，风机2组变桨电池组串联为一个桨叶供应后备储能。其中每组电池串联为76.8V(6只12V电池串联，每只开路电压12.8V，6只总电压6*12.8=76.8V),2组153.6V,若2组电池内个别电池低于10.5V(放电终止电压，电池已损坏，)即检测的总电压变化有1%的变化，就存在着单体电池失效的情况了，这个1%若没有被捕捉到的话，那么12只电池所做的工作必须有剩下的11只或10只电池来完成，必将导致整组电池失效的速度加快。

所以在线监测、均衡系统关于电池组每一只蓄电池的使用状态进行全程监控、掌握每支蓄电池的开路电压、充电电压、放电时状态，通过系统数据分析，进行判断弱化电池，并及时更换弱化蓄电池，以延长整组使用寿命，防止整组更换蓄电池出现的高额费用，减少劳动强度。从而提高工作效率。

4.5变桨电池组，要准备大量库存

变桨电池组是变桨驱动的后备储能装置，在整个风机中的用途至关重要，并且因电池特性及使用环境和系统充电方式等等原因电池故障频繁发生，现有系统有无法提前准确预知变桨电池组的故障，变桨电池组故障若没有备件及时更换，直接导致风电机组停机。同时，受到厂商采购周期的限制(电池厂阀控铅酸蓄电池的供货周期是一个月，国产变桨电池组的供货周期至少在一个月、或一个半月以上;)，为确保不停机需提前储备大量备件，以备不时之需。而蓄电池的长期存放，也会有电池自放电，若不及时进行充电，电池组还没用就已经报废了。据了解，很多小规模风场在场内都不具备相关充电设备。

在线监测系统有预警时间，还有购买电池常规一般以一组为单位购买，一次购买要数量多时间长，时间长对电池要进行一次存放电过程，假如时间长时间不对电池进行存放电会使电池有不同程度的损伤，更为严重的就是整组电池彻底损坏。而有电池检测的电池组每支电池是可以方便拆除更换，采购与存储也方便。

4.6因电池热失控特性，夏季高温时节是电池开始出现损坏，因现有检测条件限制，导致电池组损坏大部分在冬季才被发现。冬季野外运维，因风雪、道路、等因素，运维团队劳动强度大、风险高。另外，冬季时多风季节，设备损坏导致的停机个风场带来的损失巨大；以25ºC为基准，高温升高10ºC，电池寿命就缩短一半，风场野外坏境，夏季的风机温度应该在35ºC以上，大部分电池因温度及热失控等原因，是从夏季开始坏的，但因为现有风机检测方式(只检测总电压)无法准确到单只电池的损坏。到冬季时，电池组已经是彻底损坏了，冬季的风场野外作业，关于运维团队来讲劳动强度太大。且冬季是风电的黄金季节，设备故障停机给风场效益一定带来影响。

利用蓄电池组在线监测系统，随时掌握蓄电池使用状况和蓄电池性能下降曲线，可以根据系统监控数据，及时发现性能下降的单支蓄电池，把损坏的电池及时更换以免影响其他电池损坏，这样既节省成本，又节省检修时间和劳动强度，提高风机可靠运行。

4.7现有变桨电池组结构不能更换单只失效电池，造成了大量的浪费与污染。

电池组失效是从单只电池失效开始，且整组故障后，整组中6只电池存在着完全可以正常使用的电池，但由于现有变桨电池组的结构，无法简单更换单只电池，只能整组更换，这即新增了业主的维护费用投入、造成了大量的浪费，且电池回收会带来大量的污染。

4.8电池组充电均衡

系统内置数字电池充电均衡系统，对充电状态下的蓄电池进行充电均衡处理，使电池充电电压达到一致，从而延长电池的使用寿命。

电池均衡系统采用数字化的方式，当系统检测到的电池组内各个电池充电电压出现差异，程序会对高电压电池进行单独的充电抑制，从而达到对欠压电池进行补充电的效果，反复进行，达到电池电压均衡的目的，有效的延长蓄电池的使用寿命。

新变桨蓄电池组安装风机前，对变桨电池组进行充放电、进行电池充电均衡，防止因电池极化内阻差异电池充电不均匀，出现过充、欠充状况，电池异常损坏。

5、系统技术改造后133，134报警状况：133Batterygingrotorbladedrive变桨驱动电池存电、134BatterygingvoltagenotOK电池充电电压不正常，故障重要检测蓄电池的电压是否达到规定范围内，蓄电池电压和电流是否正常。假如蓄电池组有任何一支蓄电池存在电压低或者存电不正常问题时都会导致风机自检存电。经过技改以后能提前预知蓄电池性能下降并且及时更换，使蓄电池处于良好状态。具体目的降低风机组因蓄电池平凡存电导致风机长时间故障停机，影响发电量和可利用率双重指标。