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风机变桨电池失效及电池对环境的适应性分析

文档作者：贺东，郭伟，孙金龙文档来源：国华(锡林郭勒)新能源有限公司		点击数：	更新时间： 2025年07月03日
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2016年第10期(总第133期)
缸濠与芋钍
ENERGY AND ENERGY CONSERVATION 2016年10月
风机变桨电池失效及电池对环境的适应性分析
贺东，郭伟，孙金龙
(国华(锡林郭勒)新能源有限公司，内蒙古锡林浩特026000)
摘要：概述变桨系统，分析风机变桨电池失效原因，探讨风机变桨蓄电池常见故障和对环境的适应性，提出延长风
机机组电池使用寿命和降低故障的措施，以期进一步提高机组工作效率。．
‘
关键词：风机变桨；电池失效；环境；适应性
中图分类号：TK831 文献标识码：A 文章编号：2095—0802一(2016)10—0095—03
Analysis on the Battery Failure of Wind Turbine Variable Pitch and the Adaptability of Battery
to the Environment
HE Dong。GU0 Wei，SUN Jinlong
(Guohua(Xilin901)New EngeⅣCo．，Ltd．，Selenhot 026000，Inner Mongolia，China)
Abstract：The paper summarizes variable pitch system，analyzes the reasons for the battery failure of wind turbine variable pitch，
discusses the common faults and the adaptability to environment of the variable pitch storage battery，and puts forward to prolong
the service life of the battery and reduce the fault of the generator unit，hoping to further improve the efficiency of the unit．
Key words：wind turbine variable pitch；battery failure；environment；adaptability
O引言
中国自“十二五”规划以后，进入了全新的利用
和开发风能阶段。目前，风机机组维护中更换最频繁、
最多的零件就是变桨系统蓄电池，风机变桨系统中阀
控式铅酸蓄电池应用最广泛，但是应用中逐渐体现这
种电池的高成本、故障多、寿命短等缺陷。研究变桨
系统蓄电池的相关内容对于降低维护费用、延长设备
期限、减少更换次数具备一定作用。
1变桨系统基本概述
1．1变桨系统组成
一般来说，风机变桨系统主要包括三个轴控制柜、
一个中心控制柜、三台直流电机、三个电池柜及相关
附件。从功能上来说，变桨系统主要包括主供电电源、
后备供电电源、伺服机构、编码器、控制机构。变桨
控制器作为控制机构关键设备，能够控制质量、调节
桨叶角，也能够为系统提供实时信息，此外变桨系统
还能够及时监控设备死机问题。如果变桨控制器死机
或PLC故障，监控器不能获得PLC脉冲信号，继电器输
出故障信息，此时变桨系统会在安全位置进行紧急收
桨。伺服机构主要包括伺服电机和伺服驱动器，变桨
驱动器能够及时接受变桨控制器为系统输送的电压值，
并且驱动伺服电机在指定角度上转动桨叶。后备电源
包括铅酸电池组及相关充电器，并且有机结合主电源
为风机变桨系统提供运行所需要的动力，主电源实现
机组正常运行的变桨功能。如果系统故障或电网失电
收稿日期：2016—04—28
第一作者简介：贺东，1985年生，男，内蒙古包头人，2009年毕
业于内蒙古工业大学电气工程及其自动化专业，助理工程师。
时，变桨系统会自动切换，此时工作在后备蓄电池上，
并且蓄电池能直接控制电流或为系统提供动力，确保
能够风机系统可以顺利回桨。
1．2变桨系统运行原理
变桨系统实际上是用来安全停机和调节功率的。
变桨系统运行在调节工作情况下运行原理是：依据当
前风速，机舱主控制器有机结合机组设定转速及实际
转速来计算变桨角度，并且依据串口通讯线为变桨控
制器输送变桨指令，在接收到变桨角度设定值后，变
桨控制器需联合编码器体现系统实际角度，然后计算
出设定的变桨速度值，此时能够为电机伺服驱动器提
供变桨指令。驱动器接受指令后，联合编码器体现系
统速度，并且最后形成变桨驱动电压，此时能够形成
闭环控制系统，可以提高系统稳定性和可靠性。安全
停机情况下运行原理为：如果系统断开电源或电网出
现故障，系统能够自动切换供电方式，并且后备蓄电
池能够控制电流和动力，保证风机安全、可靠回桨。
如果系统出现紧急停机或一些极端情况时，变桨系统
会及时切断外部连接的电源，自动变为畜电池方式供
电，促使叶片安全回到设定位置，安全归位后利用限
位开关来完成中断供电的过程111。
2风机变桨电池失效分析
变桨后备电源包括充电器和铅酸蓄电池，可以从
以下方面分析变桨电池。
2．1蓄电池技术指标
风机后备电源中蓄电池是最重要的，同时也是气
动刹车的主要方式，蓄电池实际上是在变桨系统严重
安全故障或电网掉电时，能够迅速强迫风机桨叶停止
·95·
万方数据
2016年第10期缸；夏与芋钍2016年10月
转动。为了保证安全可靠运行，需要构建独立蓄电池
收桨回路。因为直接控制硬件开关，也就是直流电机
直接进行后备电源供电，促使2 MW及以下风机变桨系
统具备大于70的回桨速度，以便于能够在最短时间内计
算桨叶恢复速度。为了满足以上目标，一般都是把铅
酸阀控式蓄电池作为风机蓄电池，具备7．2 AH容量、
12 V额定电压，每只叶片上存在6个串联的蓄电池。为
了促使紧急状态下风机具备足够支撑快速回桨的残余
能量，基本都是利用电池电压对变桨系统进行实时监
控，也就是实时测量电压中合理应用单相电压检测模
块。如果出现低于限值的电池电压，系统需要报错，
并且能够及时定位伴随性故障点，此外，也应该定期
测试电池程序，一般情况下都是一周检测一次【2】。
2．2阀控式铅酸蓄电池
近年来，不同领域中大量应用和推广阀控式铅酸
蓄电池。阀控式铅酸蓄电池具备免维护的特点，已经
取代传统防爆电池应用在新领域中。自从使用阀控式
铅酸蓄电池以后，因为轻便、免维护、使用寿命长、
易于安装等特点，广泛应用在电信、电力、UPS中。经
过大量实践可以发现阀控式铅酸蓄电池放电能力和电
压没有关系。运行阀控式铅酸蓄电池时，随着不断提
高使用时间，会导致增大个别电池内阻而出现电池老
化的问题。衡量阀控式铅酸蓄电池容量的标准为木桶
原理，即最差电池容量，并不是额定值。当具备90％以
下额定容量的电池容量，电池处于衰退期，降低到80％
以下时电池开始急剧衰退，此时阀控式铅酸蓄电池具
备很大隐患。为了有效解决使用阀控式铅酸蓄电池中
的不足和缺陷，国内外专家不断改进相关技术，提出
维护和检修阀控式铅酸蓄电池的技术及方法。目前国
内已经普遍使用风电机组变桨蓄电池，急需快速准确
维护和检测蓄电池的技术。国内外经过大量研究和分
析可以发现容量和电压没有关系，电压只是能够体现
电池表面参数。国际电工部门为维护阀控式铅酸蓄电池
构建了定期测试电池内阻、预测寿命的规范。国内信息
产业部质量检测中心也对此提出相应检测标准和规范，
其中决定蓄电池容量实际情况的是蓄电池内阻。如果具
备高于初始值的电池内阻，不能测量电池容量，如果高
于两倍初始值时，具备额定容量80％以下的电池容量。
3风机变桨蓄电池故障
实际使用阀控式铅酸蓄电池时经常出现一些故障：
a)过充电。电池过充电会导致电池外壳鼓胀，出现参
差不齐的变形和电压。如果实际应用中出现轻微变形
和鼓胀是正常的；如果蓄电池运行在高于45℃环境中
不能依据实际标准来降低浮充电压，标准温度是25℃，
每提高1℃，会降低3 mV电压；b)过放电。过放电促
使长时间出现低于正常范围的浮充电压，电池长期亏
损、长期未充电、长期未使用；c)短路。阀控式铅酸蓄
电池只有一节均衡充电或出现低电压，其它都正常，此
时还不能满足额定发电需求，并且出现严重发热情况。
·96·
风机机组紧急收桨过程中，出现不及时回桨或慢
回桨，都会导致蓄电池不能满足一次回浆指令需求。
充电器不报警并且正常运行时，已经断开主回路充电
器，但是Battery OK灯一直亮，报警系统输出控制回路
始终处于低高电平，导致不能为电池正常充电。对第
一种情况来说，．电池电压反应电池容量，电池组具备
过低电压，电池容量不足以支持桨叶回收，此时故障
是因为过低电池电压导致的，但是运行中没有形成最
低电池电压警报临界值，基于此可以表明系统不能提
前预警电池失效情况，同时也不能顺利完成一次顺桨。
对于第二种情况来说，充电器实施监控输出、输入电
压，电压检测失效是唯一的故障原因【3】。
4风机变桨电池对环境的适应性
4．1风机变桨电池运行环境和安装方式
不管是国产蓄电池还是进口蓄电池，应用中都需
要分析固定电池紧密性，防止电池松动，所以，固定
蓄电池时利用夹件或粘连的方式来处理系统结构。这
种方式固定蓄电池，不方便电池散热，促使电池出现
热失控现象导致损坏阀控式铅酸蓄电池。野外安装风
机机组时，风机轮毂中安装变桨电池，如果夏季高温
中运行，会影响蓄电池散热，所以变桨电池不适合上
述运行方式。
4．2依据风电场实际情况选择蓄电池
蓄电池性能受到温度影响，不同风电场中具备不同
温度，不仅是昼夜温差，也存在地域温差。经过大量实
践可以发现，如果蓄电池运行在高于25 cC标准环境温度
时，每提高10℃，就会降低一半使用寿命，需要频繁更
换电池，所以实际选择蓄电池型号时应该充分掌握风场
情况，对于常年温度偏高的区域，使用优越高温性能的
蓄电池；常年温度偏低的区域，使用低温型蓄电池。
4．3铅酸蓄电池存储条件
温度极大程度上会影响电池性能。在25℃的情况
下，电池放电率是0．1％，随着提高温度，会明显提高
放电率，并且每升高10℃，会降低一半寿命，因此，
阀控式铅酸蓄电池适合存储在低温环境中。因为不同
原因风电场机组不能并网，长时间搁置蓄电池，并且
不能控制存储环境和温度，长达1 a时间都处于40。C环
境中，已经严重损坏蓄电池，不但会提高风机机组运
行成本，也会提高工作量，因此，风机机组并网之前
应该严格控制存放蓄电池的环境及放置时间。
4．4蓄电池不合理维护和监控
依据国家相关标准的规定来说，阀控式铅酸蓄电
池投入使用以后需要每2 a一3 a进行一次充放电试验，
超过6 a以上的设备需要每年试验一次。但是由于运行
阀控式铅酸蓄电池的不同设备和实际条件，不能完全满
足实际规定需求，所以导致出现不合理的阀控式铅酸蓄
电池维护和试验，导致降低使用期限。现阶段，不少铅
酸蓄电池还是仅仅只能监控蓄电池整组电压，不能监控
单体蓄电池电压，以至于不能完全满足社会发展需求。
万方数据
2016年第10期贺东，等：风机变桨电池失效及电池对环境的适应性分析2016年10月
5延长风机机组电池使用寿命和降低故障的措施
5．1做好现场保管工作
风机机组蓄电池应该存放在阴凉、通风、干燥环
境中，避免雨淋、风吹、日晒、受潮等。存储蓄电池时
避免阳光直射，温度控制在0 oC一35 oC，蓄电池存储
时不可以受到外力损伤。
5．2做好维护和监控的工作
a)蓄电池正式存放之前需要充满电，并且需要每
三个月补充一次电；b)安装风机机组蓄电池之前，需
要对蓄电池进行充放电试验，此时具备100％容量，并
且应该测量蓄电池单个内阻、电压，检测是否能够满
足标准需求；C)为保障安全使用蓄电池，应该定期检
查充电器、蓄电池；d)风机紧急变桨出现问题时，如
果充电器、蓄电池异常或报警，此时应该停机处理，
并且直到消除系统问题后才能再次启动；e)禁止混合
使用内阻差距大、容量差距大的新旧电池；f)投入使
用蓄电池以后需要每2 a～3 a对其进行一次充放电检
测，超过6 a的风机蓄电池需要每年检测一次，并且及
时更换容量低于80％的风机机组蓄电池。
5．3三段式充电策略
为了保障风机机组蓄电池安全可靠运行，设计变
桨系统时需要合理分析充电器电池亏损情况，并且合
理利用三段式方式进行充电，第一充电阶段是利用大
恒流对蓄电池进行充电，以便于迅速提高电压，确保
能够充满蓄电池的50％。60％；第二充电阶段是利用恒
电压对蓄电池进行充电，在降低水解析度情况下提高
电池容量和电压；第三充电阶段是利用小电流恒流对
蓄电池进行充电，直到完全充满电池容量为止。电池
基本上都是处于浮充状态，以此来弥补小电量放电。
6结语
随着社会经济和科学技术快速发展，面对资源短
缺和过快消耗不可再生资源的现象，开发利用新能源
十分重要，不但能够降低资源消耗，也能够达到节能
减排的目的。现阶段电厂发电中风力成为最具前景、
发展迅速的新能源，已经被大量应用在各领域中。变
桨系统是风机机组利用风能的主要形式，因此需要进
一步分析风机变桨系统电池，保证能够全面提高电池
安全性和稳定性，保证为人们日常生活提供安全高效
的电能。
参考文献：
[1]樊磊明，荆丽，谢少洲，等．浅谈风力发电厂风机变桨电池的
维护[J]．科技情报开发与经济，2011，21(22)：212—214．
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统中的应用[J]．矿山机械，2013，41(12)：62—65．
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(上接94页)
池的充电情况和充电桩的使用情况，在遇到电池短路
的应急状况时，监控室能随时给予警告。另外，电网
的负荷会因为汽车的充电而增大，所以对于电网的维
护要特别注意。
充电站的电气设计部分包含变配电、整流柜、交
流充电桩、直流充电桩、控制和计费6个系统，这个部
分分别设置了6个小车位和6个大车位，总装机容量为
2×1 000 kVA，城市电网提供两路相互独立的10 kV电
源，如果一路电源发生断电，不会影响另一路的使用。
且在变电站设置了大量智能型免维护无功自动补偿装
置，可用来将充电后的功率提升到0．95 W之上。在变
电站的每条线路的回路上设置了数字仪表，以用来内
部人员计算测量。
电动汽车充换电站涉及的专业知识比较复杂，在
前期的设计阶段需要专业的人员来策划整体方案。中
国的国家电网、南方电网和普天科技主要担任电动汽
车的运营商，参与了电动汽车充换电站之中的标志系
统的设计，整体表现引人注目。
3．3．3设计理念
充电站的建设从始至终贯穿了绿色环保的理念，体
现了现代科技的发展，在建设时，不仅要保证性能完
备，有安全保障，还应在外观上体现设计的先进性。唐
山南湖充换电站整体主要采用绿色，建筑材料用混凝土
简单聚合，并设置了大面积的钢棚架，设置了用来遮挡
(责任编辑：季鑫)
◇●◇●o●·C>●o●o●◇●·：：>●<>●
太阳光的玻璃罩，充分体现了此建筑的风格和特征。
4结语
电动汽车属于新能源行业，当代全球倡导绿色环
保，电动汽车行业的发展对未来新领域的开发有着借
鉴作用和示范意义，能帮助重新设计行业比例，将经
济收入的重点划归到新行业中。所以关于充换电站的
建设亟待研究。为了节流开源，科学利用资源，将电
动汽车列人国家重点研究项目中，推动电动汽车行业
走入市场，积极响应中国科学发展观的基本国策【4】。
参考文献：
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nxOZJm820LAmZFVaLWwjoEri5Nv60QkF82Gb7kkAqGT91m一
04C-N4_em3S．
[4] 国家电网公司．国家电网电动汽车充电设施典型设计f初稿1
[EB／OL]．[2010一01一01]．http：／／wenku．baidu．com／link?url=de—
EWke-ZXR6BGsHg-p4iSzmOjCBMNr4mUzxvJsNb08tjAs49rS—
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(责任编辑：高志凤)

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