CN101924395A - 一种适用于风力发电机组变桨系统超级电容的充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于风力发电机组变桨系统超级电容的充电方法，设定一个启动阀值、一个终止阀值、启动阀值和终止阀值之间至少一个优化充电阀值，如果超级电容器组端电压小于启动阀值，则投入充电支路，开始充电；当超级电容器组端电压达到第一优化充电阀值时，增大充电电流，如果没有第二优化充电阀值，则继续充电直到超级电容器组端电压达到终止阀值，如果有第二优化充电阀值，则再次增大充电电流，如此依次类推，直到达到最后一个优化充电阀值，增大充电电流继续充电，直到超级电容器组端电压达到终止阀值。上述充电方法效率高。

Description

一种适用于风力发电机组变桨系统超级电容的充电方法

技术领域

本发明涉及一种风力发电变桨系统备用电源充电方法。

背景技术

变桨系统又称变桨距系统，是指通过控制技术改变叶片桨距角以提高风能效率和获得最佳能量输出的系统。电网电压是变桨距系统稳定运行的关键，而电网电压会发生掉电、跌落等现象。为了防止来自电网的电压掉电或跌落，变桨系统需要加装备用电源。当电网电压掉电时由备有电源给变桨距系统提供能量来支撑变桨复位、风机停机的一系列操作，使变桨距系统稳定运行一段时间，以保证风机的安全。

备用电源储能装置一般采用蓄电池和超级电容器。在风电刚起步阶段，由于蓄电池具有能量密度高、原材料丰富、成本低廉、制造技术成熟、可以大规模生产等优点，备有电源采用蓄电池储能。但蓄电池在使用过程中的一些缺点例如寿命短、功率密度小、蓄电池能量管理复杂、充放电效率低、维护成本高等被逐步暴露。而超级电容相对蓄电池具有无可比拟的优越性。

超级电容器优点包括：1）充放电速度快，容量大。超级电容器能够瞬间释放巨大的能量，在系统突然断电时，在极短时间内为系统提供能量；2）寿命长、免维护；3）工作温度范围宽，而且绿色环保；4）能够安全放电，安装简单，结构紧凑，不易老化等。超级电容器的这些优点使得它非常适合作为变桨系统后备电源储能装置。

当前，作为变浆系统后备电源的超级电容器，其充放电电路大多采用BUCK-BOOST电路拓扑。其充电方法多为传统蓄电池的充电方法，仍然包括均充、浮充等阶段，充电效率低下。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于风力发电机组变桨系统超级电容的充电方法，用以解决现有技术充电效率低的问题。

为实现上述目的，本发明的方案是：一种适用于风力发电机组变桨系统超级电容的充电方法，设定一个启动阀值、一个终止阀值、启动阀值和终止阀值之间至少一个优化充电阀值，如果超级电容器组端电压小于启动阀值，则投入充电支路，开始充电；当超级电容器组端电压达到第一优化充电阀值时，增大充电电流，如果没有第二优化充电阀值，则继续充电直到超级电容器组端电压达到终止阀值，如果有第二优化充电阀值，则再次增大充电电流，如此依次类推，直到达到最后一个优化充电阀值，增大充电电流继续充电，直到超级电容器组端电压达到终止阀值。

采用上述充电方法，充电效率高。

所述增大充电电流是通过减少充电电路的电阻实现的。

附图说明

图1是采用本发明方法的系统的电路原理图；

图2是充电流程图；

图3是充电过程电流电压关系图。

具体实施方式

本发明的方法要点在于在充电电流不断减小的过程中，通过切掉充电电路的电阻来增大充电电流。采用本发明的方法的风电变桨备用电源系统如图1所示，直流正负母线之间依次串联接有充电继电器31的触头、第一投切电阻R1、第二投切电阻R2、功率电阻R3、超级电容器组A，第一投切电阻R1、第二投切电阻R2上均并联有投切继电器触头（32，33），功率电阻R3为常设电阻，上述三个电阻与继电器触头共同构成超级电容器组的充电电路；功率电阻R3与超级电容器组串联的部分并联有一个放电继电器触头34，功率电阻R3与放电继电器触头34共同构成超级电容器组的放电电路，功率电阻R3充当限流电阻。超级电容器组A的正端和直流母线的正端之间连接有一个正向功率二极管D，作为风电变桨备用电源系统的馈电支路。上面提到的继电器（31，32，33，34）的线圈与比较电路C的各输出端连接，比较电路C包括对应各继电器触头的比较器，比较器的参考电压根据需要设置。放大电路B的输入端接在超级电容器组A正端，放大电路B输出端连接比较电路C。

充电继电器31的触头是充电开关，当需要充电时，首先要使该触头闭合。第一投切电阻R1的继电器32触头，第二投切电阻R2的继电器33触头，用来调节充电电流大小，触头闭合，对应的投切电阻被短路，充电电流便会增加。反之，触头断开，对应的投切电阻接入充电电路，充电电流便会减小。放电继电器34的触头是放电开关，当需要放电时，要使该触头闭合，而继电器31触头断开。这样，超级电容器组A通过功率电阻R3进行放电。

为了保证超级电容器在充电的同时引起误放电或者超级电容器在放电的同时引起误充电，电路设置了继电器互锁电路。充电继电器31和放电继电器34组成互锁电路。互锁电路又称为先动作优先电路，即以先给出控制信号的那个继电器吸合，而后给出控制信号的另一个继电器被锁定在释放状态。互锁电路的电路连接方式为把充电继电器31的常闭触头接到放电继电器34的线圈回路中，把放电继电器34的常闭触头接到充电继电器31的线圈回路中。当给出控制信号使充电继电器31线圈得电时，充电继电器31的常闭触头断开，即使给出放电继电器34的控制信号，也不能使放电继电器34的线圈得电；当给出控制信号使放电继电器34线圈得电时，放电继电器34的常闭触头断开，即使给出充电继电器31的控制信号，也不能使充电继电器31的线圈得电。通过继电器互锁电路也就保证了超级电容器在充电状态下不至引起误放电或者超级电容器在放电状态下不至引起误充电。

功率二极管D用于超级电容器组A用作后备电源时充当馈电支路。直流母线电压大于超级电容器组A电压时，功率二极管D截止。当电网电压掉电时，直流母线电压迅速下降，当直流母线电压小于超级电容器组A电压时，功率二极管D受正向电压而导通，超级电容器组A通过功率二极管D给直流母线供电，保证变桨系统将叶片旋转到顺桨位置，以维护设备安全。同时超级电容器组A还支撑整个控制系统运转一定时间，以记录必要的数据。功率二极管D也可以连接在直流母线负极与超级电容器组A的负极之间，当然电路需要一些改动，要使功率二极管D导通时能够短路充电支路，具体结构不再赘述。

该系统具有以下优点：

一、   电路结构简单，需要几个电阻和继电器就可以了。而用DC/DC充放电电路需要使用高频开关器件，对高频开关器件需要加复杂的驱动电路。

二、   运行可靠性高。DC/DC充放电电路如果电路设计不理想，容易造成功率开关管短路，开关管短路后，直流母线电压就直接加到了超级电容上，使超级电容承受过电压而损坏。

三、   电路采用接触器控制超级电容充放电，接触器本身不会产生电磁干扰，所以也不会对周围的电子设备有影响。DC/DC充放电电路使用功率开关器件，功率开关器件本身会产生电磁干扰。

四、   功能多，不仅能完成超级电容充电，还具有快速的放电功能。

五、   方便产品系列化。在不同的应用场合，超级电容器耐压不同，一旦超级电容器电压修改，只需要修改电阻阻值就可以了，方便产品系列化。如果采用DC/DC充电电路，则开关器件、电感、电解电容要一起修改。

超级电容器组的充电方法在于，设定一个启动阀值V1，终止阀值V4，两个优化充电阀值（V1<V2，V3<V4）。充电时，每当超级电容器组两端电压大于设定的两个充电优化阀值时，便增大充电电流，直到充电完毕。系统工作过程如图2、图3所示，系统上电后，检测超级电容器组A端电压，当超级电容器组A端电压小于设定启动阀值V1时，控制充电继电器31触头闭合，超级电容器组A开始充电；当检测到超级电容器组A电压大于终止阀值V4（V1< V4）时，控制充电继电器31触头断开，超级电容器组A停止充电；当再次检测到超级电容器组A电压小于启动阀值V1时，控制充电继电器31触头闭合，超级电容器组A再次进入充电状态。在给超级电容器组A充电过程中，当检测到超级电容器组A电压大于第一优化值V2时，控制第一投切继电器32触头吸合，把第一投切电阻R1短接，加快充电速度；当检测到超级电容器组A电压大于第二优化阀值V3（V2< V3< V4）时，控制第二投切继电器33触头吸合，把第二投切电阻R2短接，进一步提高充电速度，继续充电直到电压达到终止阀值V4为止。当超级电容器组A快速放电时，控制放电继电器34触头吸合，超级电容器组A通过功率电阻R3快速放电。设定电压（V1，V2，V3，V4）通过比较电路C中的比较器的参考电压进行设定。

Claims (2)

1.一种适用于风力发电机组变桨系统超级电容的充电方法，其特征在于，设定一个启动阀值、一个终止阀值、启动阀值和终止阀值之间至少一个优化充电阀值，如果超级电容器组端电压小于启动阀值，则投入充电支路，开始充电；当超级电容器组端电压达到第一优化充电阀值时，增大充电电流，如果没有第二优化充电阀值，则继续充电直到超级电容器组端电压达到终止阀值，如果有第二优化充电阀值，则再次增大充电电流，如此依次类推，直到达到最后一个优化充电阀值，增大充电电流继续充电，直到超级电容器组端电压达到终止阀值。

2.根据权利要求1所述的一种适用于风力发电机组变桨系统超级电容的充电方法，其特征在于，所述增大充电电流是通过减少充电电路的电阻实现的。

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