钛酸锂电池在风电行业的技术应用案例

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钛酸锂电池在风电行业的技术应用案例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。

一、背景

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90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塔。

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，使用蓄电池作为备用电源。在使用过程中，逐渐发现蓄电池有一些难以克服的缺点：蓄电池的充放电特性不好，充电时间长，充电、放电电流不能太大；蓄电池需要维护，而变桨系统安装在100米高的风机上，维护成本太大；蓄电池的低温特性不好，在寒冷季节容量会衰减；蓄电池的循环寿命短，可靠性不强。 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。

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、维护成本及维护人员工作量的增加。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。目前主流的解决方法是将铅酸蓄电池替换为超级电容，但是其过高的更换成本，使大多数风电业主难以接受。

使用钛酸锂电池作为变桨系统后备电源，可以用更低的成本，帮助提高风机机组的安全，减少现场人员的维护工作量，减少风电场电量损失，实现后备电源系统免维护。

二、应用案例

目前钛酸锂电池已经在12个风电项目中进行应用，风电机组应用案例达到259台；例如：华能贵州某风电场安装有南车机组66台1.5mw机组，使用铅酸蓄电池作为变桨后备电源，每年因铅酸电池问题导致的费用及损失高达100万元以上。风电场于2020年将33台南车机组铅酸电池变桨后备电源更换为钛酸锂电池，更换后再未发生因电池问题导致的经济损失。2020年11月份，风电场进行为期7天的年度风场线路检修工作后重新送电，更换钛酸锂电池的33台南车机组于第一时间完成启动，并实现并网，并无任何电池故障。另外33台铅酸电池机组的南车机组均不能正常启动风机，需要进行6-8小时的充电工作，并且有超过10台的机组即使充电8小时也不能启动风机， 需要更换新的铅酸电池。仅此一次停送电，33台风机平均停机时间最低不少于12小时，按照满发半功率750KW/时计算，仅一次停机风机就损失发电量29.7万千瓦每小时。直接经济损失超过15万元。间接损失包括人力的投入，物资的投入、车辆的投入，电网的并网要求未能按时完成，以及企业的形象社会形象均无法估量。

三、技术要点

钛酸锂电池是以钛酸锂作为负极的锂离子电池。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。

三元锂电池、磷酸铁锂电池一般使用石墨作为负极，在穿刺、切割、过充等情况下，锂离子会于石墨负极内析出，并与电解液反应，出现起火爆炸等危险。而钛酸锂电池使用钛酸锂作为负极，对锂离子的束缚能力极强，具有不起火、不爆炸的安全性能，因而极其适用于风电行业使用。

钛酸锂电池单芯电压一般为2.3V，充放电次数超过20000次，于风电行业使用可以实现后备电源免维护，其主要特点是，充放电能力强、安全性能好、循环性能好、高低温性能好、自保持能力强，缺点是能量密度低，价格较高。但于风电行业使用，其能量密度高于铅酸电池，足够后备电源使用。同时其价格远低于超级电容，是实现变桨后备电源系统免维护，避免风场因电池问题导致电量损失的高性价比产品。

钛酸锂变桨后备电源模组具备以下性能：

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，风力发电机后备电源最重要的一点就是需要高安全性，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，快速充放电能力是考察电池于风机上使用的一个重要指标。

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，适用于风力发电机组使用。

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。