风力发电变桨后备电源智能管理系统

风力发电变桨后备电源智能管理系统

作者：黄雅君

来源：《现代电子技术》2010年第06期

摘 要:风电变桨系统工作在特殊的运行环境中,常规电源已无法满足风机正常运行的需要。在此通过比较各种充电策略的优缺点,结合风电变桨后备电源的需要,提出针对风电变桨用密封阀控式铅酸蓄电池的优化充电策略;通过分析各种在线监测方案,设计出一种巧妙的单体电压巡检方案;最后设计出完整的风力发电变桨后备电源智能管理系统,并通过试验,验证了方案的可行性。

关键词:风电变桨;密封阀控式铅酸蓄电池;多阶段充电策略;单体电压巡检 中图分类号:TP274文献标识码:A 文章编号: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

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当前的风电变桨系统中,密封阀控式铅酸蓄电池是应用广泛的后备电源储能设备。在风电运行现场,变桨用蓄电池的故障多,寿命短,据统计,在风力机的寿命周期中,蓄电池通常更换3,4次,蓄电池的费用可达变桨系统的总投资的50%以上,无论从经济效益还是系统运行可靠性角度,后备电源都成了变桨系统中十分薄弱的环节。

这种现象一方面是因为风机处于其特殊的工作环境下,常规充电策略无法保障蓄电池的性能及寿命,往往出现蓄电池“不是用坏的,而是充坏的”的情况;另一方面,变桨系统对后备电源有高电压,大功率的要求,需要多个的蓄电池单体串联使用,在所有表征蓄电池的参数之中,端电压最能体现蓄电池的当前状况,使单体电压巡检也成为了技术难点。因此,一方面要求有精确灵敏的监控系统,实时捕捉将对电源系统产生影响的不断变化着的各种信息;另一方面则要求有与之相匹配的充电策略,能在复杂变化的环境中以高效能满足蓄电池的充电需求。优化的充电策略,以及有效的监控环节,是变桨后备电源智能管理系统的核心。

1 充电策略分析及充电方案的确立

常规充电策略大体可分为恒流充电法和恒压充电法。恒流充电法是保持充电电流强度不变的充电方法,原理图如图1所示。该法控制简单,但充电后期,充电电流多用于电解水,使蓄电池出气过多。

恒压充电法使充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定,如图2所示。该法电解水很少,但充电初期电流过大,对蓄电池寿命造成了很大影响。 图1 恒流充电法 图2 恒压充电法

常规的充电策略无法满足变桨用蓄电池的要求。科学家马斯在20世纪60年代中期对开口蓄电池的充电过程作了大量的试验研究,提出了以最低出气率为前提的,蓄电池可接受的充电曲线。其原理图如图3所示。

如充电电流按这条曲线变化,可缩短充电时间,对电池的容量和寿命影响也较小。但恒流和恒压充电法都无法达到这种效果,而采用多阶段充电法,可以得到与之相近的充电曲线。其原理如图4所示。

图3 最佳充电曲线 图4 多阶段充电法

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如图4所示,该法先对电池进行恒流充电,待电池电压上升到电压阀值后,再分阶段恒压充电,这是一种可以将出气量减到最少的充电方法,因此也最大限度的保护了蓄电池的性能和寿命。 对于多阶段充电法而言,参数的设定是决定其优劣的首要条件,以下是针对变桨用阀控密闭式铅酸蓄电池的充电方案,其原理图如图5所示。 图5 变桨用VRLA的充电方案

如图5所示,整个充电过程共分为4个阶段: (1) 阶段1:涓流充电

。

为防止恒流充电时的大电流灌入损坏蓄电池,当蓄电池的电压低于所设定的门槛电压Uch时,可用小电流Itr 进行充电,使得电池电压会逐渐上升,直到门槛电压Uch。 (2) 阶段2:恒流充电

。

当电池电压超过门槛电压Uch时,用恒定的充电电流Ibuck给蓄电池充电,使蓄电池的电压在这个阶段快速增加,直到过压充电电压Uoc。 (3) 阶段3:过压充电

。

充电,以使蓄电池

蓄电池的电压超过Uoc后,用一个略高于蓄电池额定电压的恒定电压

能量最后达到饱和。充电电流在这个阶段将逐渐减小,直到Ioct,蓄电池将进入浮充状态。 (4) 阶段4:浮充充电

之后)。

给蓄电池充电,来维持蓄电池容量保持不变,同时会提供

的90%,

提供一个带有温度补偿的电压U充电器自动进入恒流充电状态。

2 串联蓄电池单体电压巡检方案

很小的浮充电流,弥补蓄电池自身放电造成的容量损失。此后,如蓄电池电压下降到

串联蓄电池组单体电压巡检是风电变桨系统后备电源在线监测的难点所在。这主要是因为风电变桨后备电源中包含了数量众多的串联连接的蓄电池单体,各单体电池电源端不共地,蓄电池的电位超过一般模拟电路芯片所能承受的电压范围。

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常用的检测方法有电阻网络提取电压法和继电器切换提取电压法。电阻网络提取电压法相对同一参考点,用精密电阻等比例衰减测量各点电压,然后依次相减得到各节电池电压。在实际应用中,发现这种电路具有精度低的缺点[6]。

相比之下,继电器切换提取电压法是相对比较成熟的测试方法。其原理为,当进行电压检测时,由控制器依次使继电器闭合,使对应的蓄电池的阴极接入检测电路地,阳极经缓冲器进入A/D 转换器。原理图如图6所示。 图6 继电器切换提取电压法

该方法原理简单、造价低,但是继电器机械动作慢,使用寿命低等,且当蓄电池数量较多时,需要的继电器也相应增多,使得电路体积大,功耗成本和故障率也较高。

为解决上面问题,我们在继电器切换提取电压法的基础上,采用光耦继电器,结合精密整流电路,设计出风力发电串联蓄电池组电压巡检法。其电路图如图7所示。

图7采用固态继电器来实现蓄电池端电压的采样。在对某个蓄电池单体进行电压检测时,中心控制器选中该单体两端的固态继电器,将其电压信号送入模拟多路选择器之后,经多路选择之后的端电压 对 当 对 若取 则

有

--为负时,有

-

当

有可能是正负两种信号,故采用精密整流电路进行整流,其原理为: 为正时, 有:

。

从而保证整流之后的模拟信号都为正值,这样,只要依次选通各个蓄电池,就能达到电压巡检的目的。在该电压巡检模块中,虽然随着蓄电池数量的增加,所需的光耦继电器也不可避免地增加,但由于光耦继电器的体积比一般机械触点式继电器的小得多,即使采用大量的光耦继电器也不会对整个电压巡检模块的体积有太大的影响且速度和使用寿命也随之达到要求。 图7 风力发电串联蓄电池组电压巡检法

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3 后备电源智能管理系统总体设计

3.1 系统结构分析与设计

基于前面的分析,提出后备电源智能管理系统总体框图如图8所示。 图8 后备电源智能管理系统总体框图

如图5所示,系统包括三相整流电路,直流斩波电路,电压、电流采样电路及环路控制,输出驱动以及温度补偿回路等。总体设计采用双环控制:由电流检测单元、电流误差放大器;输出电压检测单元、电压误差放大器构成电压、电流双闭环控制。考虑到温度对充电电压的影响,采用温度不补偿电路对PWM波进行修正。

根据所设计的充电策略,充电过程依次由涓流充电,恒流充电,过压充电和浮充充电四个阶段组成,用户通过控制最大充电电流Ibulk、过充终止电流Ioct、过充电压Uoc,浮充电压能充电电压

和涓流充电电流

、使

等参数来控制各个阶段的起始和终止。在涓流充电和

恒流充电时,电压环输出饱和,此时电压环为开环,电流环起主导作用。在过压充电和浮充状态时,电压环则闭合起主导作用。在不同的阶段使不同的闭环起主导作用,从而达到恒压、恒流的控制规律。

在线监控系统主要用于完成对温度的监控,温度检测必须考虑到以下几个方面的影响: (1) 温度对系统中芯片的影响。

变桨系统环境温度具有温差较大的特点,而芯片对工作温度范围有其自身的要求,因此,必须检测后备电源的环境温度并确保它处于安全工作范围之内。 (2) 温度对蓄电池容量和使用寿命的影响。

密封阀控式铅酸蓄电池在环境温度为25 ℃时得较长的寿命和较好的放电性能。电池的环境温度每增加10 ℃,电池的寿命会缩短一倍。但当环境温度低于25 ℃的时候,电池容量却会受到影响,环境温度越低,电池放出的容量越少。 (3) 温度对电源充电的影响。

蓄电池充电时,单体电池的充电电压u与温度t的关系表示为: U=[u+3(25-t)]/1 000(3)

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式中:u为单体电池在25 ℃时的充电电压,所以充电电压必须随温度变化做相应的调整,即充电电压必须接受温度补偿。 3.2 系统硬件实现及实验波形

本文以24节串联阀控密闭式铅酸蓄电池为充电对象,采用Freescale公司的MC9S08DZ16型号单片机以及密封铅酸蓄电池的充电专用控制芯片UC3909[5]组成系统MCU核心控制单元。蓄电池单体充电参数为:单体电池额定电压12 V,容量充电电流为2.88 A。充电过程各个阶段的控制参数为[5]: ① 涓流充电: Itr=0.004C=0.0288 A Uch=10.2×24=244.8 V ② 恒流充电:

Ibuck=0.2C=1.44 A;Uoc=15×24=360 V ③ 过压充电:

Uoc=360 V;Ioct=0.05C=0.36 A ④ 浮充充电:

定电压14.5~14.9 V,最大

设计基于MC9S08DZ16和UC3909组成的中心控制单元的控制风力发电变桨后备电源智能管理系统结构图如图9所示。 图9 系统结构图

UC3909控制参数如图10所示。 图10 UC3909控制参数 (1) 输出PWM波频率的设定: 设置

则

7 Hz。

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(2) RS1,RS2,RS3和RS4的设置

RS1,RS2,RS3和RS4用以设置放电终止电压Uch,过电压Uoc以及浮充电压

UREF=2.3 V 基本计算公式[5]如下:

Uoc=UREF×RS1+RS2+RS3//RS4RS3//RS4(5) Uoc=UREF×RS1+RS2+RS3//RS4RS2+RS3//RS4(6)

为了便于计算,设

选择RG1和RG2[5]: 设置采样电阻 基本计算公式如下: Itrck=0.115 V/Rset(8)

已知:Itr=0.004 C=28.8 mA 快速充电电流: Ibulk=0.2 C=1.4 A

代入表达式中,解得:

已知:

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将已知数值代入表达式中,可得: 28.8 mA=(10 μA×RG1)/(0.1 Ω×5) 由上式可得出:

将已知数值代入下式:

可以得出:

选择Rovc1和Rovc2,基本计算公式[5]为:

已知Ioct=0.05 C=0.36 A,得:Rovc1=0.066 66Rovc2 令:Rovc2=100 kΩ 则

实验波形如图11所示,当蓄电池组电压低于电流对蓄电池组进行充电。

图11 大电流充电阶段驱动及电流波形 4 结 语

本文所提出的后备电源智能管理系统设计方案,以密封阀控式铅酸蓄电池为充电对象,设计出适用于风力发电变桨系统用蓄电池的充电策略和单体电压巡检方法。在此基础上,设计出完整的后备电源系统框图,并以24节单体蓄电池串联288 V蓄电池组为变桨后备电源实例,提出了具体的系统方案,最后通过实验,验证了该方案的可行性。

的90%时,电源智能管理系统通过实时监

测蓄电池组的电压并在内部进行逻辑判断,以高占空比的PWM波驱动MOSFET,使得系统以大

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参考文献

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