風電機組變槳后備VRLA電源在線監測系統

李 闖，申 燭，張 波，馬 龍

(中能電力科技開發有限公司，北京100034)

風電機組變槳系統通過控制葉片槳距角，保證風電機組安全地最大程度利用風能。變槳系統在正常運行時，依靠電網市電工作；當風機出現安全鏈故障或者電網異常時，變槳系統將切換至后備電池順槳，用于制動風機，一旦后備電源無法完成順槳，則極易發生超速飛車、甚至倒塔的重大事故[1]。因此，風機變槳后備電源性能對風機的安全生產起著至關重要的作用。

密封閥控式鉛酸蓄電池(VRLA)是風電領域中應用廣泛的變槳后備儲能裝置，由于變槳系統對后備電源有高電壓、大功率的要求，因此需要多個蓄電池單體串聯使用。廠家承諾的電池壽命為6年，在實際生產中，運行時間超過三年，電池組的失效問題就日趨明顯了。究其原因有：電池使用前，在風電場長時間擱置，導致容量損失；風場環境復雜多變，高溫或低溫使電池性能變差；電池過充、欠充以及串聯電池的個體差異加速了電池性能老化[2-4]。因此對蓄電池進行在線監測是非常必要的。

目前風機廠家常用的蓄電池在線監測方法可歸結為兩種：一是直接監測電池組充放電期間電壓、電流、溫度；二是給電池組增加一個瞬態放電電路，定期進行放電，測試電池內阻[5-6]。由于內阻較電壓等參數與蓄電池的老化程度和剩余容量更加相關，因此監測內阻效果更好[3]，但是對于已投產機組增加瞬態電路比較困難。本系統設計了一套風機變槳后備電源在線監測系統，該系統不影響現有變槳控制系統的正常工作，可以準確預判瀕臨故障的蓄電池，避免相關事故的發生，同時為蓄電池的維護更換提供科學的依據，大大減輕了運行人員的工作量。

1 在線監測系統總體設計

系統主要由位于風機輪轂的數據采集處理設備、位于中控室的集中監測系統和兩者之間的通訊鏈路組成，如圖1所示。

圖1 監測系統總體結構

數據采集處理系統負責采集分析蓄電池狀態數據，并將數據打包發送給集中監測系統，每個風機葉片電池柜配備一個數據采集處理設備；通訊鏈路包括輪轂至風機機艙的無線通訊(輪轂相對機艙轉動)、機艙至塔底的網線通訊和風機至中控室的光纖網絡；集中監測系統負責接收解析和保存各采集系統發送的數據，并將電池的數據信息展示給風場運檢人員，包括電池充放電狀態、報警信息等，運檢人員還可以通過系統查看電池的歷史數據信息，通過界面對前置監測系統進行參數配置。

2 數據采集處理系統

風機每個葉片都配有一個蓄電池柜，柜內是三組串聯的蓄電池，每個數據采集設備負責采集對應電池柜內三組蓄電池的電壓、電流、柜內溫度、槳距角、葉片旋轉位置，經過計算分析，將結果發送至上級監控系統。采集數據分為快照與實時數據兩種，分別源于電池的放電與非放電兩類狀態。由于放電順槳一般在15 s內完成，該階段采樣頻率設定為100 Hz，保存放電前后20 s的數據。非放電包括充電和斷路兩種狀態，采樣頻率小于1 Hz。

2.1 采集設備硬件設計

設備采用32位控制專用DSP(型號TMS320F2812)作為運算核心，內含Flash，主頻高達150 MHz，具有數字信號處理、事件管理和嵌入式控制功能，適用于大批量數據處理的場合，硬件系統總體框圖如圖2所示。

圖2 數據采集硬件總體框圖

為了滿足數據處理存儲需求，在DSP外部擴展了512 K× 16bit的SRAM存儲器和8 MB的Flash存儲器。DSP通過16通道12位ADC，采集4組電壓變送器與2組電流傳感器測量的電池組端電壓與電流，由于電流瞬時放電可以達到150 A，因此采用兩組量程200、35 A的傳感器測量同一電流，合成后獲得總電流。葉片槳距角由變槳直流電機的行程折算得到，該行程通過旋轉變壓器測量。葉片旋轉位置通過電池柜的重力加速度傳感器獲得。設備GPIO接口配置了兩個LED燈，用于調試與報警指示，此外該接口還負責與溫度、加速度傳感器和時鐘通訊。設備SCIA和SCIB接口分別轉換為RS232和RS485接口，以便適應不同的外部通信設備。

2.2 采集設備軟件設計

采集設備軟件的整體結構如圖3所示，其中：

圖3 數據采集軟件設計框圖

(1)MAIN主函數主要完成系統的自檢及初始化動作，初始化完成后進入無限循環模塊，在無線循環中主要做一些比較慢的周期性動作，讀取角度，讀取時鐘及分析計算等；

(2)AD采樣，使用DSP自帶12位AD，最高采樣率為1 kHz，采用中斷方式處理采集數據；

(3)SCIA/SCIB串口通訊，采用中斷方式實現，以提高系統效率，中斷服務程序中實現收發、存儲和標記是否接收到完整指令；

(4)T0定時中斷，用于處理嚴格的周期性事務，但T0的優先級較高，慢的周期事務程序部分在MAIN的大循環中執行，這里只標記是否需要執行事務；

(5)SPI接口通訊，采用中斷方式實現其與旋轉變壓器和Flash模塊的通信，Flash用于存儲順槳過程的采樣及相關分析數據以備上位機請求；

(6)GPIO接口通訊，一方面實現狀態指示及控制，另一方面由于DSP2812無IIC接口，而加速度傳感器、溫度傳感器和時鐘接口為IIC，因此在軟件中通過GPIO模擬實現IIC接口通信。

除了上述與硬件接口及時鐘主邏輯相關的任務外，系統還設計了隊列結構用于處理接收和發送數據，為了使系統具有良好的通用性，系統在傳輸過程中軟件的協議使用MODBUS協議。由于快照數據的數據量較大，約為6 MB，遠遠超過了Modbus指令的地址空間，但快照數據均不要求單數據訪問，因此采用地址空間復用的方式來實現。

3 集中監控系統

3.1 系統模塊功能

集中監控系統軟件功能包括前置采集模塊、數據存儲模塊、實時監測模塊、診斷報警模塊、歷史數據查詢模塊、系統管理模塊等。集控軟件由C++語言開發。

前置采集模塊負責所有風機電池柜實時數據和快照數據采集，并讀取電池柜參數和執行參數設置。此外模塊還通過Modbus協議與風電場SCADA通訊，獲取風速等實時數據。

數據存儲模塊負責存儲電池柜的參數、用戶信息、實時數據和快照數據。實時數據可設置保存時間，超過時間自動清除，以節約存儲空間。數據庫采用MySql5.5。

實時監測模塊負責將電池柜實時數據在界面上展示。采用樹形控件、表格、網格、曲線圖等多種方式進行實時和快照數據的展示。

診斷報警模塊負責計算實時與快照數據指標，并將指標與對應閾值進行比較及報警，還具備歷史報警進行查詢與導出功能。

歷史數據查詢模塊可查詢歷史快照數據，繪制歷史曲線，可以對一個電池柜的歷史多次放電曲線進行縱向比較，也可以在電池柜之間進行橫向比較。

系統管理模塊負責參數查詢設置和用戶管理：參數查詢設置可讀取電池柜的所有參數并保存在數據庫中，也可將設置參數下發給電池柜；用戶管理功能可添加和刪除用戶，并把用戶權限分為普通和工程師兩級，工程師除具備監視、數據查詢和下載功能外，還具備設置風機、電池柜參數等維護權限。

3.2 VRLA蓄電池監測算法

緊急順槳時，某機型電池柜放電電壓、電流曲線分別如圖4中實線和虛線所示。放電過程分為啟動、工作和恢復三個階段，啟動階段從ts開始，電壓由浮充值陡降至Ub，電流則陡升至It，隨后進入工作階段，電壓不斷上升，直至te順槳完成，此時電壓從Ue瞬間上升恢復至電壓Ur，之后再緩慢上升。

圖4 放電順槳過程

監測算法首先對Ub、Ue、It以及三個電池組的分電壓這些直接指標設置閾值進行監測；其次對三個電池組的內阻及內阻之間差異設置閾值進行監測，內阻較直接指標更準確地反映電池組老化情況，而內阻差異則反映老化的不平衡情況，這里利用放電快照數據，采用直流法[7]計算內阻：

式中：Ie為Ue對應的放電電流；通過放電電量、電機平均轉速(順槳速度)、順槳時間等指標來反應整個變槳系統(蓄電池、電機及其傳動軸系和葉片)的運行情況，一旦超出設定閾值，則說明電池性能退化或者順槳阻力異常；此外，系統還要對各個電池組充電電壓進行監測，防范過充問題。

4 結論

本文針對風電機組蓄電池故障檢測與維護的實際需求，設計了一套后備電源在線監測系統，系統由風機側前置設備和風場集中監測子系統兩部分組成：前置設備采用DSP技術，實現了蓄電池放電高頻數據采樣與處理；集中監測子系統實時接收前置設備上傳的數據，采用后備動力系統的綜合監測算法對蓄電池性能進行評估，對其故障進行預測與報警。

風機蓄電池組健康狀態(SOH)的定量化評估可以為蓄電池的維護更換提供定量化依據，然而由于VRLA蓄電池的放電化學機理和老化機制比較復雜，受到溫度、放電深度、充電情況等多方面影響，因此SOH預測將作為下一步的研究方向。

[1] 康建.風力發電機變槳系統[J].電器工業，2011(7)：52-57.

[2] 楊建鋒，潘磊，王建中，等.風電機組變槳后備電源問題探討[J].風能，2013(1)：88-90.

[3] 樊磊明，荊麗，謝少洲.淺談風力發電廠風機變槳電池的維護[J].科技情報開發與經濟，2011，21(22)：212-214.

[4]范高鋒，趙海翔，戴慧珠.變電站蓄電池性能遠程在線監測系統研制[J].電源技術，2010，34(7)：710-712.

[5] 黃雅君.風力發電變槳后備電源智能管理系統[J].現代電子技術，2010(6)：203-210.

[6] 王德貴，王慶峰，李飛，等.風機變槳蓄電池在線監控系統：中國，201110456208[P].2011-12-31.

[7] 張邦洋.蓄電池維護中的電池內阻測試[J].通信電源技術，2002 (2)：26-29.