風力發電變槳后備電源智能管理系統

摘 要:風電變槳系統工作在特殊的運行環境中，常規電源已無法滿足風機正常運行的需要。在此通過比較各種充電策略的優缺點，結合風電變槳后備電源的需要，提出針對風電變槳用密封閥控式鉛酸蓄電池的優化充電策略;通過分析各種在線監測方案，設計出一種巧妙的單體電壓巡檢方案;最后設計出完整的風力發電變槳后備電源智能管理系統，并通過試驗，驗證了方案的可行性。

關鍵詞:風電變槳;密封閥控式鉛酸蓄電池;多階段充電策略;單體電壓巡檢

中圖分類號:TP274文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)06-203-04

Intelligent Management System of Back-up Power Supply for Pitch Master

HUANG Yajun

(School of Electronic and Electric Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai，200240，China)

Abstract:Placed in special environment，the conventional power supply has been unable to meet needs of the system of pitch master.Comparing advantages and disadvantages of the various charging strategies，an optimized charging strategy for the VRLA matching the need of battery in pitch master is introduced，a variety of online detection programs are analysed，it brings forward a smart module for voltage detecting for series-connected batteries.A complete intelligent management system for back-up power supply for the pith master is designed，and feasibility of the program through experiment is verified.

Keywords:pitch master;VRLA;multi-stage charging strategy;voltage detecting

0 引 言

當前的風電變槳系統中，密封閥控式鉛酸蓄電池是應用廣泛的后備電源儲能設備。在風電運行現場，變槳用蓄電池的故障多，壽命短，據統計，在風力機的壽命周期中，蓄電池通常更換3，4次，蓄電池的費用可達變槳系統的總投資的50%以上，無論從經濟效益還是系統運行可靠性角度，后備電源都成了變槳系統中十分薄弱的環節。

這種現象一方面是因為風機處于其特殊的工作環境下，常規充電策略無法保障蓄電池的性能及壽命，往往出現蓄電池“不是用壞的，而是充壞的”的情況;另一方面，變槳系統對后備電源有高電壓，大功率的要求，需要多個的蓄電池單體串聯使用，在所有表征蓄電池的參數之中，端電壓最能體現蓄電池的當前狀況，使單體電壓巡檢也成為了技術難點。因此，一方面要求有精確靈敏的監控系統，實時捕捉將對電源系統產生影響的不斷變化著的各種信息;另一方面則要求有與之相匹配的充電策略，能在復雜變化的環境中以高效能滿足蓄電池的充電需求。優化的充電策略，以及有效的監控環節，是變槳后備電源智能管理系統的核心。

1 充電策略分析及充電方案的確立

常規充電策略大體可分為恒流充電法和恒壓充電法。恒流充電法是保持充電電流強度不變的充電方法，原理圖如圖1所示。該法控制簡單，但充電后期，充電電流多用于電解水，使蓄電池出氣過多。

恒壓充電法使充電電源的電壓在全部充電時間里保持恒定，如圖2所示。該法電解水很少，但充電初期電流過大，對蓄電池壽命造成了很大影響。

圖1 恒流充電法

圖2 恒壓充電法

常規的充電策略無法滿足變槳用蓄電池的要求。科學家馬斯在20世紀60年代中期對開口蓄電池的充電過程作了大量的試驗研究，提出了以最低出氣率為前提的，蓄電池可接受的充電曲線。其原理圖如圖3所示。

如充電電流按這條曲線變化，可縮短充電時間，對電池的容量和壽命影響也較小。但恒流和恒壓充電法都無法達到這種效果，而采用多階段充電法，可以得到與之相近的充電曲線。其原理如圖4所示。

圖3 最佳充電曲線

圖4 多階段充電法

如圖4所示，該法先對電池進行恒流充電，待電池電壓上升到電壓閥值后，再分階段恒壓充電，這是一種可以將出氣量減到最少的充電方法，因此也最大限度的保護了蓄電池的性能和壽命。

對于多階段充電法而言，參數的設定是決定其優劣的首要條件，以下是針對變槳用閥控密閉式鉛酸蓄電池的充電方案，其原理圖如圖5所示。

圖5 變槳用VRLA的充電方案

如圖5所示，整個充電過程共分為4個階段:

(1) 階段1:涓流充電(T0~T1)。

為防止恒流充電時的大電流灌入損壞蓄電池，當蓄電池的電壓低于所設定的門檻電壓Uch時，可用小電流Itr 進行充電，使得電池電壓會逐漸上升，直到門檻電壓Uch。

(2) 階段2:恒流充電(T1~T2)。

當電池電壓超過門檻電壓Uch時，用恒定的充電電流Ibuck給蓄電池充電，使蓄電池的電壓在這個階段快速增加，直到過壓充電電壓Uoc。

(3) 階段3:過壓充電(T2~T3)。

蓄電池的電壓超過Uoc后，用一個略高于蓄電池額定電壓的恒定電壓Uf充電，以使蓄電池能量最后達到飽和。充電電流在這個階段將逐漸減小，直到Ioct，蓄電池將進入浮充狀態。

(4) 階段4:浮充充電(T3之后)。

提供一個帶有溫度補償的電壓Uf給蓄電池充電，來維持蓄電池容量保持不變，同時會提供很小的浮充電流，彌補蓄電池自身放電造成的容量損失。此后，如蓄電池電壓下降到Uf的90%，充電器自動進入恒流充電狀態。

2 串聯蓄電池單體電壓巡檢方案

串聯蓄電池組單體電壓巡檢是風電變槳系統后備電源在線監測的難點所在。這主要是因為風電變槳后備電源中包含了數量眾多的串聯連接的蓄電池單體，各單體電池電源端不共地，蓄電池的電位超過一般模擬電路芯片所能承受的電壓范圍。

常用的檢測方法有電阻網絡提取電壓法和繼電器切換提取電壓法。電阻網絡提取電壓法相對同一參考點，用精密電阻等比例衰減測量各點電壓，然后依次相減得到各節電池電壓。在實際應用中，發現這種電路具有精度低的缺點[6]。

相比之下，繼電器切換提取電壓法是相對比較成熟的測試方法。其原理為，當進行電壓檢測時，由控制器依次使繼電器閉合，使對應的蓄電池的陰極接入檢測電路地，陽極經緩沖器進入A/D 轉換器。原理圖如圖6所示。

圖6 繼電器切換提取電壓法

該方法原理簡單、造價低，但是繼電器機械動作慢，使用壽命低等，且當蓄電池數量較多時，需要的繼電器也相應增多，使得電路體積大，功耗成本和故障率也較高。

為解決上面問題，我們在繼電器切換提取電壓法的基礎上，采用光耦繼電器，結合精密整流電路，設計出風力發電串聯蓄電池組電壓巡檢法。其電路圖如圖7所示。

圖7采用固態繼電器來實現蓄電池端電壓的采樣。在對某個蓄電池單體進行電壓檢測時，中心控制器選中該單體兩端的固態繼電器，將其電壓信號送入模擬多路選擇器之后，經多路選擇之后的端電壓Ui有可能是正負兩種信號，故采用精密整流電路進行整流，其原理為:

對A1:當Ui為正時， 有:

Um=-(R2/R1)Ui(1)

當Ui為負時，有Um=0。

對A2:

Uo=-(R5/R3)Um-(R5/R4)Ui(2)

若取:R2/R1=1; R5/R3=2; R5/R4=1

則: Ui>0，有:Uo=Ui; Ui<0，有:Uo=-Ui

從而保證整流之后的模擬信號都為正值，這樣，只要依次選通各個蓄電池，就能達到電壓巡檢的目的。在該電壓巡檢模塊中，雖然隨著蓄電池數量的增加，所需的光耦繼電器也不可避免地增加，但由于光耦繼電器的體積比一般機械觸點式繼電器的小得多，即使采用大量的光耦繼電器也不會對整個電壓巡檢模塊的體積有太大的影響且速度和使用壽命也隨之達到要求。

圖7 風力發電串聯蓄電池組電壓巡檢法

3 后備電源智能管理系統總體設計

3.1 系統結構分析與設計

基于前面的分析，提出后備電源智能管理系統總體框圖如圖8所示。

圖8 后備電源智能管理系統總體框圖

如圖5所示，系統包括三相整流電路，直流斬波電路，電壓、電流采樣電路及環路控制，輸出驅動以及溫度補償回路等。總體設計采用雙環控制:由電流檢測單元、電流誤差放大器;輸出電壓檢測單元、電壓誤差放大器構成電壓、電流雙閉環控制。考慮到溫度對充電電壓的影響，采用溫度不補償電路對PWM波進行修正。

根據所設計的充電策略，充電過程依次由涓流充電，恒流充電，過壓充電和浮充充電四個階段組成，用戶通過控制最大充電電流Ibulk、過充終止電流Ioct、過充電壓Uoc，浮充電壓Uf、使能充電電壓UT和涓流充電電流IT等參數來控制各個階段的起始和終止。在涓流充電和恒流充電時，電壓環輸出飽和，此時電壓環為開環，電流環起主導作用。在過壓充電和浮充狀態時，電壓環則閉合起主導作用。在不同的階段使不同的閉環起主導作用，從而達到恒壓、恒流的控制規律。

在線監控系統主要用于完成對溫度的監控，溫度檢測必須考慮到以下幾個方面的影響:

(1) 溫度對系統中芯片的影響。

變槳系統環境溫度具有溫差較大的特點，而芯片對工作溫度范圍有其自身的要求，因此，必須檢測后備電源的環境溫度并確保它處于安全工作范圍之內。

(2) 溫度對蓄電池容量和使用壽命的影響。

密封閥控式鉛酸蓄電池在環境溫度為25 ℃時得較長的壽命和較好的放電性能。電池的環境溫度每增加10 ℃，電池的壽命會縮短一倍。但當環境溫度低于25 ℃的時候，電池容量卻會受到影響，環境溫度越低，電池放出的容量越少。

(3) 溫度對電源充電的影響。

蓄電池充電時，單體電池的充電電壓u與溫度t的關系表示為:

U=[u+3(25-t)]/1 000(3)

式中:u為單體電池在25 ℃時的充電電壓，所以充電電壓必須隨溫度變化做相應的調整，即充電電壓必須接受溫度補償。

3.2 系統硬件實現及實驗波形

本文以24節串聯閥控密閉式鉛酸蓄電池為充電對象，采用Freescale公司的MC9S08DZ16型號單片機以及密封鉛酸蓄電池的充電專用控制芯片UC3909[5]組成系統MCU核心控制單元。蓄電池單體充電參數為:單體電池額定電壓12 V，容量C=7.2 Ah，定電壓14.5~14.9 V，最大充電電流為2.88 A。充電過程各個階段的控制參數為[5]:

① 涓流充電:

Itr=0.004C=0.0288 A

Uch=10.2×24=244.8 V

② 恒流充電:

Ibuck=0.2C=1.44 A;Uoc=15×24=360 V

③ 過壓充電:

Uoc=360 V;Ioct=0.05C=0.36 A

④ 浮充充電:

Uf330 V

設計基于MC9S08DZ16和UC3909組成的中心控制單元的控制風力發電變槳后備電源智能管理系統結構圖如圖9所示。

圖9 系統結構圖

UC3909控制參數如圖10所示。

圖10 UC3909控制參數

(1) 輸出PWM波頻率的設定:

f=1/(1.2CTRSET)(4)

設置CT=330 pF;RSET=11.5 kΩ，則f=219 587 Hz。

(2) RS1，RS2，RS3和RS4的設置

RS1，RS2，RS3和RS4用以設置放電終止電壓Uch，過電壓Uoc以及浮充電壓Uf，已知:

Uoc=360 V;Uch=244.8 V;Uf330 V;

UREF=2.3 V

基本計算公式[5]如下:

Uoc=UREF×RS1+RS2+RS3//RS4RS3//RS4(5)

Uoc=UREF×RS1+RS2+RS3//RS4RS2+RS3//RS4(6)

Uf=UREF×RS1+RS2+RS3RS3(7)

為了便于計算，設Rf=RS3//RS4=10 kΩ，代入表達式中，解得:

RS1=155.051 4Rf1.5 MΩ+51 kΩ

RS2=0.4706Rf4.7 kΩ

RS3=1.091 55Rf10 kΩ+910 Ω

RS4=11.9230Rf110 kΩ+9.1 Ω

選擇RG1和RG2[5]:

設置采樣電阻RS=0.1 Ω;Rset=11.5 kΩ

基本計算公式如下:

Itrck=0.115 V/Rset(8)

Itr=(ItrckRG1)/5RS(9)

RG1/RG2=1.851 8IbulkRS(10)

已知:Itr=0.004 C=28.8 mA

快速充電電流:

Ibulk=0.2 C=1.4 A

將已知數值代入表達式中，可得:

28.8 mA=(10 μA×RG1)/(0.1 Ω×5)

由上式可得出:

RG1=1 440 Ω1.2 kΩ+240 Ω

將已知數值代入下式:

RG1/RG2=1.852IbulkRS

可以得出:

RG25.4 kΩ=5.1 kΩ+300 Ω(11)

選擇Rovc1和Rovc2，基本計算公式[5]為:

Rovc1=1.851 8IoctRSRovc2(12)

已知Ioct=0.05 C=0.36 A，得:Rovc1=0.066 66Rovc2

令:Rovc2=100 kΩ

則Rovc1=0.066 66Rovc2=666 6 Ω6.2 kΩ+470 Ω

實驗波形如圖11所示，當蓄電池組電壓低于Uf的90%時，電源智能管理系統通過實時監測蓄電池組的電壓并在內部進行邏輯判斷，以高占空比的PWM波驅動MOSFET，使得系統以大電流對蓄電池組進行充電。

圖11 大電流充電階段驅動及電流波形

4 結 語

本文所提出的后備電源智能管理系統設計方案，以密封閥控式鉛酸蓄電池為充電對象，設計出適用于風力發電變槳系統用蓄電池的充電策略和單體電壓巡檢方法。在此基礎上，設計出完整的后備電源系統框圖，并以24節單體蓄電池串聯288 V蓄電池組為變槳后備電源實例，提出了具體的系統方案，最后通過實驗，驗證了該方案的可行性。

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