UPS蓄电池选型对风电机组运行稳定的影响探讨

吴江波，周 强，朱明皓

（国家电投集团江西电力有限公司 新能源发电分公司，江西 南昌 330096）

0 引 言

风电机组中UPS蓄电池的应用能供应稳定的电源，避免突发失电情况下机组中断运行。UPS蓄电池在连接主机后，直流电在变电器等部分的作用下会向市电进行转变。为使风电机组中UPS蓄电池的作用能够得到充分发挥，有必要探索电池选型对机组的影响，在全面深入了解UPS蓄电池选型的基础上确保其应用的有效性和实效性，保障风电机组运行的稳定性。

1 UPS蓄电池分类

综合国内市场目前推出的蓄电池种类来看，主要包含下述3类。

1.1 普通蓄电池

此类型蓄电池的极板是由铅及铅的氧化物构成，选择硫酸的水溶液作为电解液。该电池具备稳定的电压，价格不高，但是比能（1 kg蓄电池存储的电能）相对偏低、日常维护频繁且使用寿命不长。

1.2 干荷蓄电池

此类型蓄电池也被称为干式荷电铅酸蓄电池，其负极板中的储电能力相对较高，在完全干燥的状态下，能在两年内保存所得到的电量，具体使用时仅需将电解液加入并间隔20～30 min即可[1]。

1.3 免维护蓄电池

此类型蓄电池凭借自身结构优势，不会消耗太多的电解液，使用寿命期间不用进行蒸馏水的补充。同时，其体积小、耐高温且耐震，并具备自放电小等诸多特点，使用寿命一般是普通蓄电池的两倍。综合现有市场中的免维护蓄电池来看，通常也包含以下两种。一种是电池本身出厂时便完成电解液的加装并封死，无需用户自行添加；另一种是购买时一次性将电解液加足量，后续使用时无需再进行补充。

2 UPS蓄电池选型对风电机组运行稳定的影响

2.1 风电机组运行状况

国内某风电场项目风力发电机组实际应用中，一旦断开高压开关，由于天气原因等因素的影响，其投入运行的时间往往需要向后延迟几小时甚至几天。当需要将某台风力发电机组投入运行时，由于UPS蓄电池组的电量已经耗尽，已经提供不了合闸的电源动力，因此只能由工作人员前去风电机组控制室手动完成合闸的操作。维修人员在该问题发生后前往现场开展了全面深入地系统性检查作业，并没有找出故障原因，后续决定开展现场试验，最终成功获取断路保护器吸合失败的情况，具体过程如下。一是结合后台调试软件的应用，对一个断路保护器（共两个）下达吸合命令，成功吸合[2]。二是结合后台调试软件的应用，对另一个断路保护器下达吸合命令，成功吸合。三是结合后台调试软件的应用，对两个断路保护器下达同时吸合的命令，发现有一个断路保护器做到一半吸合动作时突然中断。

维护人员根据该现象得出了初步判断结果，即断路保护器具备较为复杂的机械结构或存在卡滞问题。根据该判断结果，拟采取更换部分机组断路保护器的措施，但是由于更换后依然没有解决问题，因此决定再次系统性分析问题，剖析引发问题的缘由。

2.2 机组运行受影响后产生的问题

2.2.1 问题原因机理

图1呈现了问题机组断路保护器型号（T3-250投切开关）二次接线图，其合闸与分闸原理如下。投切开关U1、U2的230 V电源保持正常供电时，投切开关A2端子内部开关电源会持续输出方波（+15 V）。网侧主断路器闭合后，A1接通A2，此时A1端子通电，当其持续收到+15 V方波数量为3后，投切开关合闸。因15K1作用的缘故，A1的电会失去，这也表示当A1持续收到+15 V方波的数量为3时，无需A1持续得电的情况下，投切开关就会合闸[3]。主断路器断开后，A11接通A2，此时A11点通电，持续收到+15 V方波数量为3后，投切开关分闸，A11的电会失去，这也表示当A11持续收到+15 V方波的数量为3时，无需A11持续得电的情况下，投切开关就会分闸。

图1 T3-250投切开关二次接线图

以投切开关合闸原理为根据，在参照二次接线图的基础上能够顺利得出投切开关合闸失败的原因包括以下4点。一是无法正常闭合15K1继电器常开触点11、12；二是无法正常闭合网侧断路器1Q1的合闸反馈触点13、14；三是无法实现投切开关A2持续输出+15 V的方波；四是投切开关内部出现元件损坏的情况（如线圈等），阻碍了合闸操作的正常实施[4]。

2.2.2 解决问题的思路

从以上的实际情况可知，只有在高压开关与电网脱离后，其余的用电设备不再工作时，蓄电池组的电力就不会快速耗尽。怎样才能使其他用电设备不再工作，最简单的方法就是此种工况下，UPS电源不再输出。目前使用的大多UPS电源都设置一个使能端，当这个点接通后，UPS电源进入休眠状态，不再输出[5]。风力发电机组的分断实际上有多种情况，如正常停机或者保护动作停机等。正常停机后，会根据情况正常开机，而保护停机有多种情况，很多时候当导致保护动作的故障消除后，马上又要合高压开关，风电机组投入运行。因此，作用于使能端的信号必须要考虑这些因素，既能起作用，又不能误动。

2.2.3 问题解决方法

在改造的UPS电源中，增加一块微控制器。微控制器的输入、输出示意如图2所示。

图2 微控制器输入、输出示意

输入量包括交流220 V电源，直流电源直接接入到蓄电池组。涉及节点包括高压开关辅助节点、高压开关电网侧验电器动作节点以及保护动作节点。两个通信接口分别是无线通信接口和光纤通信接口。输出量为EN，接入到UPS使能端。

其工作原理为有交流电源时继电器节点断开，使能端不输出。当高压开关断开时，如果高压侧不带电，则使能端输出，UPS休眠。当高压开关断开时，高压侧仍带电，计时器工作，在计时满半个小时（可设定时间）后若仍没有合闸指令，则UPS休眠[6]。而当高压侧不带电时，UPS直接进入休眠。一旦高压侧重新带电，UPS则开始工作，直到高压开关合闸完成。除了验电器可以判断是否需要远程分合开关外，微控制器上也加装了无线通信模块和光纤通信模块。通过通信模块可以接收远程命令，以控制UPS是处于休眠状态还是处于工作状态。

由于安装通信模块需要对远端控制系统进行更新，最为简单的方法是安装验电器系统，此方法简单且实用。对某风电场近100台风电机组UPS进行改造，分合高压开关动作均能远程实现，UPS正常待机时间超过300 h，蓄电池组寿命提高50%以上，取得了良好的经济效益。

3 系统性排查方案与验证

针对现场试验中投切开关合闸受阻的问题，以上述原因分析为根据，拟定了下述排查方案。一是通过更换EMC测试的新电操产品，查验故障能否复现；二是断电电操，将面盖拆开后连接示波器测量[7]；三是监测电操上电过程内外部电源电压。四是监测投切开关吸合无法正常实现的瞬间，电操内部电路板电压和外部电压。结合该方案排查展开测试，发现投切开关合闸无法正常实现的原因在于投切开关动作瞬间，230 V水冷UPS蓄电池供电电源有电压跌落现象出现（230 V降低至53 V），投切开关合闸控制的脉冲波丢失，阻碍了投切开关的正常合闸。

为验证上述结论，决定在现场试验中更换有问题的整体柜方案机组投切开关供电电源，用电网直接供电取代原本的水冷UPS蓄电池供电，结合长时间运行的机组验证上述方案的可靠性。待持续运行两周后，更改后的机组并未发生投切开关合闸受阻的情况[8]。由此可以得出结论，现场试验中投切开关合闸动作无法正常执行的主要原因在于整体柜UPS蓄电池供电容量不匹配投切开关正常合闸需求的容量。在系统上优化改进该问题时，通过增加UPS蓄电池容量即可。

4 UPS电池组更换注意事项

整个机组系统运行中，更换UPS蓄电池会对其平稳性构成巨大影响，为了保障机不断电情况下组内柜设备依然能将蓄电池更换工作完成，避免整体运行稳定性受影响，需在蓄电池更换前仔细观察机组的实际情况。其中，UPS主机配电系统、不间断电源主机及电池组等为重点观察内容，以实际情况为根据，结合数据前期观察，合理安排工程师及协助人员工作，并提前准备好蓄电池更换期间使用的万能表等工具[9]。

在完成了蓄电池更换工作后，应结合万能表的应用检查其总电压，保障UPS主机和电池组工作状态维持正常，后续再展开对UPS电流、充电电压及工作电压等的检查，并做好相应记录。该过程中，需要重视人员安全、电池损坏、操作准确性以及与负责人沟通等问题。此外，更换电池后需定期放电蓄电池，并调控周边环境温度[10]。

5 结 论

本文采取现场试验的方式讨论了机组故障情况，证实了UPS蓄电池选型会影响风电机组运行的稳定性。为保障机组能够稳定运行，需要着重关注UPS蓄电池选型，在对其与风电机组能否实现稳定运行之间的关系展开分析的基础上合理选择。