摘要：电动变桨已经成为风电变桨系统技术的主流。电动变桨在正常工作时，由电网供电。在一些故障下，风电变桨系统会和电网脱离，而无法依靠电网工作。所以风电变桨系统会配备备用电源，保证系统在电网相关的故障或其他重大故障下，仍可以将叶片顺桨到安全位置。
在电动变桨早期应用时，一般使用蓄电池作为备用电源。但因铅酸蓄电池特性问题，在使用中存在维护费用高等缺陷，目前主流的解决方法是将铅酸蓄电池替换为超级电容，但是超级电容过高的更换成本，使大多数风电业主难以接受。
钛酸锂电池已广泛应用于汽车领域，在风电行业内尚属空白，但其所具备的良好安全性能、低温性能及超长的使用寿命，使其完全具备于风电领域中使用的可能性。同时由于其相对于超级电容较低的成本，使其作为一种使用寿命超过10年的变桨免维护后备电源，具备非常高的实际使用价值。
关键词：风力发电机；变桨系统；后备电源；钛酸锂电池
1．引言
风力发电机组变桨系统通过控制叶片的角度来控制风轮的转速，进而控制风机的输出功率，并能够通过空气动力制动的方式使风机安全停机。在风机正常运行期间，当风速超过机组额定风速时，为了控制功率输出变桨角度限定在0度到30度之间（变桨角度根据风速的变化进行自动调整），通过控制叶片的角度使风轮的转速保持恒定；在风机因突发故障停机时，变桨系统需要调整叶片到安全位置，以保证整个风机安全。如果在风机故障状态下，叶片无法回到安全位置，可能会导致风机发生飞车事故，甚至会导致风机的倒塌。
电动变桨已经成为风电变桨系统技术的主流。电动变桨在正常工作时，由电网供电。在一些故障下，风电变桨系统会和电网脱离，而无法依靠电网工作。所以风电变桨系统会配备备用电源，保证系统在电网相关的故障或其他重大故障下，仍可以将叶片顺桨到安全位置。
在电动变桨早期应用时，一般使用蓄电池作为备用电源。但因铅酸蓄电池特性问题，在使用中存在较多缺陷，目前主流的解决方法是将铅酸蓄电池替换为超级电容，但是超级电容过高的更换成本，使大多数风电业主难以接受。
2．铅酸蓄电池存在的问题
现役风机一般使用12V 7.2AH的铅酸蓄电池作为变桨备用电源，前期投入较低，但在使用过程中，逐渐发现有一些难以克服的缺点。
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2.1 铅酸蓄电池后期维护成本高
铅酸蓄电池于风电行业平均使用寿命仅2-3年，更换比较频繁。且其充电特性不好，充电时间较长。这使铅酸蓄电池的维护变得非常高，而变桨系统安装在70至100米高的风机上，维护成本太大；同时，不断增多的电池类故障和停电检修后过长的电池充电时间，一再给风电场带来大额的电量损失。
某5MW规模电场机组使用铅酸电池做为变桨后备电源使用，铅酸蓄电池频繁更换，每年采购铅酸蓄电池费用近10万元，同时给现场维护带来大量工作量。铅酸电池故障频繁，平均每年故障近700次，直接导致电量损失超过30万元。风场每次线路巡检完毕后，都有部分机组因铅酸电池问题无法正常起机，平均充电时间24小时以上，导致经济损失超过80万元。因铅酸电池问题直接或间接影响，风场每年损失费用达120万元。
2.2 铅酸蓄电池可靠性不强
铅酸蓄电池的循环寿命短，可靠性不强。早期安装的风机，随着风机使用年限的增加，采用蓄电池作为备用电源的变桨系统正承受着越来越高的安全风险。尤其在2010年后，出现过因为蓄电池的故障，导致风机飞车的事故。
3．钛酸锂电池介绍及其应用
锂离子动力电池是由正极、负极、隔膜及电解液这四个主要部分构成。其中锂离子电池的正极一般是具有高电位且可逆脱嵌锂离子的材料，比如锰酸锂、磷酸铁锂、三元材料等。锂离子电池的负极一般是碳负极材料比如石墨。目前对正极材料的研究已经达到一个瓶颈，因此对负极材料的研究成为另外一个关键。钛酸锂便是负极材料里的佼佼者。
钛酸锂电池是以钛酸锂作为负极的锂离子电池，以钛酸锂的高安全性、高稳定性、长寿命和绿色环保的特点，已被广泛应用于新能源汽车等行业。
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其主要性能如下：
?在6C充放电，100%深度放电的条件下，钛酸锂单体电池的循环寿命超过20000次，剩余容量超过80%。
?锂电池安全性好，钛酸锂由于其平衡电位高，不会在负极形成锂枝晶，而具有很好的安全性。
?钛酸锂电池循环性能好，由于其是“零应变”材料，而不会在充放电过程中发生结构的变化，具有非常优越的循环性能。
?可以快速充放电，锂离子在钛酸锂晶体中的扩散系数是2×10^（-8）cm2/s，比石墨负极多一个数量级，可以快速充放电。
?工作温度范围宽-30℃-60℃，低温下锂的嵌入及脱出能力都会下降，尤其是嵌入能力，钛酸锂负极在-30℃下充电也不会出现导致短路或使负极恶化的锂枝晶出现，这是石墨负极无法做到的，在广泛的环境下能够快速充电和放电。
?自放电小，通过实验数据得知，钛酸锂电池60℃存储28天容量剩余率88%，容量恢复率95%以上。
日本东芝研发的SCiB超级锂电池，即高功率钛酸锂锂离子动力电池，容量在快速充放电条件下充放电循环3000次后衰减不到10%。以一定的大电流进行快充，能在5分钟内充满90%以上的容量。并且具备优异的低温放电性能，使得电池在零下30℃仍可放出80％以上的容量。SCiB电池有着快速充电和长寿命的优势，主要用于电动摩托、电动汽车及汽车启停电池上。
美国Altairnano公司在钛酸锂电池上拥有其独特的核心技术。开发的10Ah高功率锂电池以钴酸锂材料为正极，10C下的100%DOD充放电循环寿命高达2万次以上。优异的低温放电性能使得电池在零下40℃的低温下可以放出60%以上的容量。电池的热稳定性能高，即使在240℃的高温下放置30分钟后没有冒烟、不发生着火爆炸。为美国加州提供的混合电动巴士于2008年投入运行至今，其燃油经济性指标远远高于普通柴油发电机。
国内钛酸锂电池技术和性能上与国外差距不大，钛酸锂电池已实现国产化并逐渐用于新能源汽车领域。珠海银隆公司生产的钛酸锂电池100%DOD的循环次数超过1万6千次，10%DOD则达到160万次。银隆新型纯电动公交车使用的钛酸锂电池续航里程最高可达80km，快速充电只需6到10分钟，利用夜间慢充充满也只需30到60分钟。广东、河北等多地公交系统已采用该车型。
2018年6月，珠海银隆生产的钛酸锂电池新能源SUV汽车宣布其电池可用寿命30年。
4．风机用钛酸锂电池模组
4.1使用环境
国内1.5MW在役风电机组，一般使用SSB、LUST等厂家生产的电动变桨系统。变桨系统对后备电源的要求为250V DC以下供电，放电电流为20-25A。
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目前使用铅酸电池做为变桨后备电源使用，每支桨叶后备电源由3个电池模组组成，每块模组内安装有6块12V 7.2AH铅酸蓄电池。每支桨叶共计使用18块12V铅酸蓄电池，满充电压为250V。电池柜内安装有加热器，确保铅酸蓄电池低温空旷下放电性能。
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铅酸蓄电池采用充电机进行充电，有一拖一和一拖三两种充电形式，充电电流1.2A，通过充电机，将电池电压保证在250V左右，在电池放电过程中，电池电压低于216V，充电机报电池电压低故障。
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4.2风机用钛酸锂电池模组介绍
针对1.5MW风力发电机组设计生产钛酸锂电池模组，用于替换铅酸蓄电池模组，提高风机安全运行安全能力，避免风场经济损失，实现变桨后备电源免维护。
钛酸锂电池模组主要由四部分组成：金属安装外壳、塑料外壳、钛酸锂电池板及钛酸锂电池、均压控制板。
尺寸：长461mm，宽154mm，高115mm。
重量：11.67KG。
工作环境：
工作环境温度：-30℃~60℃
空气相对湿度：最大95%
安装位置：
原铅酸电池安装位置
4.3生产制造标准
《电工电子产品环境试验》GB/T2423.1-2008
《电工电子产品环境试验》GB/T2423.2-2008
《中华人民共和国有色金属行业标准之钛酸锂》YS/T 825-2012
《锂离子电池电芯测试标准》IEC 61960
《联合国关于危险货物运输建议书，试验和标准手册，第38.3章节》UN38.3
4.4性能参数
单块钛酸锂电池模组性能参数如下：
4.5性能曲线
对钛酸锂电池模组性能进行测试，并生成性能曲线。
图 收桨能力特性曲线
上图表示钛酸锂电池模组对应锋利发电机使用工况，在不同温度条件下的收桨能力及电压对应关系。图中横坐标为收桨次数，纵坐标为电池模组电压值（V）。单次收桨电流为22-26A，持续时间10S。由上图可见，常温20℃使用工况下，电池模组可提供顺桨42次。
图 静置特性曲线
上图表示钛酸锂电池模组在常温下静置过程中，电压与时间对应曲线。横坐标为静置时间（天），纵坐标为电池模组电压值（V）。从曲线图可知静置90天后模组电压降低极少。
图 老化循环次数曲线
上图表示钛酸锂电池模组循环使用次数与容量的关系特性曲线。图中横坐标为老化循环次数，纵坐标为容量比。如图可见，循环2000次容量仍可达91.8%以上，容量降低至70%并达到寿命之前，可循环6000次以上。
4.6技术特点
使用三块钛酸锂电池模组，替换风机上现安装的3块铅酸电池模组，形成220V 5.2AH钛酸锂电池变桨后备电源。
?符合满充至250V，低于216V报电池电压低故障的现充电管理环境。可直接适配现用充电机，于250V时达到满充，并于216V时电量基本放光，
?符合20-25A的放电使用要求，钛酸锂电池模组瞬时放电能力可达52A放电6秒，短时间放电能力可达31.2A放电60秒，
?低温性能：在-30oC环境中，单次充满可满足机组顺桨次数20次以上，电池寿命不发生缩减。
?高温性能：在60oC环境中，单次充满可满足机组顺桨次数50次以上，电池寿命不发生缩减。
?于风机放电使用需求下，满充满放次数超过6000次，作为风电机组后备电源使用寿命超过10年；
?无需改动原系统任何电气回路及控制程序。
?系统匹配：直接替换安装原铅酸电池，与风机充放电系统、检测系统等完全匹配，无故障运行。
?满足风电机组后备电源系统高低温测试、振动测试、放电测试等使用指标。
?自保持性能：于不通电的情况下静置一个月，电池保持电量＞88%。
?安装方式：简易方便，可与原铅酸电池模组一对一进行替换，安装于原铅酸电池安装位置。
5．各类风机变桨后备电源性能对比
统计风力发电机组中使用的各类变桨后备电源，对其性能进行对比如下：
6.结论
钛酸锂电池已广泛应用于汽车领域，在风电行业内尚属空白，但其所具备的良好安全性能、低温性能及超长的使用寿命，使其完全具备于风电领域中使用的可能性。同时由于其相对于超级电容较低的成本，使其作为一种使用寿命超过10年的变桨免维护后备电源，具备非常高的实际使用价值。
参考文献：
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