CN103023112B - 风力发电机组变桨系统的后备电源充电装置及充电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了风力发电机组变桨系统的后备电源充电装置，包括铅酸蓄电池、充电电路、EMI滤波器、辅助电源、电流采集装置、电压采集装置、温度采集装置、PWM驱动电路、MSP430芯片；电流采集装置、电压采集装置、温度采集装置将采集到的信号传输给MSP430芯片，MSP430将信号传输给PWM驱动电路，PWM驱动电路将信号传输给充电电路，EMI滤波器将信号传输给充电电路和辅助电源，辅助电源将信号传输给MSP430芯片。还公开了风力发电机组变桨系统的后备电源充电方法，采用变电压变电流波浪式正负零脉冲电流，脉冲电流幅值和PWM信号的频率均固定,PWM占空比可调,能够在较短的时间内充进更多的电量,避免由于长期浮充带来的内阻增大，还具有保护电池极板，提高蓄电池的充电接受能力。

Description

风力发电机组变桨系统的后备电源充电装置及充电方法
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种风力发电机组变桨系统的后备电源充电装置及充电方法。
背景技术
目前变速变桨已经成为风力发电机组主要控制方式，变桨系统可以在额定风速以上，控制风力发电机组的叶片节距角随风速的大小进行自动调节。一方面减少风力对风机的冲击，同时保证发电机功率输出的稳定，获取最大的能量。然而，在大风或者突然断电情况下，变桨系统必须依靠后备电源的电量驱动电机，以保证机组的安全，后备电源电量不足或者损坏将会造成严重后果。根据统计，风电行业变桨系统电池后备电源主要采用铅酸蓄电池，寿命一般在2年左右，故障及寿命较短的原因包括充电电流过大损坏电池、长期浮充造成电池内阻增大等，如何提高蓄电池寿命和可靠性对风力发电机组的安全运行具有重要意义。
目前风电行业中对铅酸蓄电池充电方法主要是阶段充电法，包括二阶段充电法和三阶段充电法。
1)二阶段法采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法,首先,以恒电流充电至预定的电压值,然后,改为恒电压完成剩余的充电。一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压。
2)三阶段充电法在充电开始和结束时采用恒电流充电,中间用恒电压充电.当电流衰减到预定值时,由第二阶段转换到第三阶段。这种方法可以将出气量减到最少,但作为一种快速充电方法使用,受到一定的限制，即不能在短时间内充很大的电量，容易造成长期浮充内阻增大的问题，电池极板容易老化。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种风力发电机组变桨系统的后备电源充电装置及充电方法，它根据蓄电池特性，将充电进行分阶段充电、不仅有恒压恒流充电方式，还有变电压变电流波浪式正负零脉冲充电方式，采用合适的恒流恒压充电数值，避免大电流造成的电解液的气化损失同时，获得较高的充电速度；采用变电压变电流波浪式正负零脉冲电流，脉冲电流幅值和PWM信号的频率均固定,PWM占空比可调,能够在较短的时间内充进更多的电量,提高蓄电池的充电接受能力，即充电效率；避免了由于长期浮充带来的内阻增大的问题，保护电池极板，提高蓄电池寿命。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
风力发电机组变桨系统的后备电源充电装置，包括铅酸蓄电池、充电电路、EMI滤波器、辅助电源、电流采集装置、电压采集装置、温度采集装置、PWM驱动电路、MSP430芯片；所述铅酸蓄电池为所述电流采集装置、电压采集装置、温度采集装置和充电电源充电，所述电流采集装置、电压采集装置、温度采集装置将采集到的信号传输给MSP430芯片，所述MSP430将信号传输给PWM驱动电路，PWM驱动电路将信号传输给充电电路，所述EMI滤波器将信号传输给充电电路和辅助电源，所述辅助电源将信号传输给MSP430芯片。
所述风力发电机组变桨系统的后备电源充电装置所采用的充电方法，将风力发电机组变桨系统后备电源分为三组，每组采用轮询充电，每个充电周期又分为3个阶段，每个阶段分别采用恒流、恒压、变电压变电流波浪式正负零脉冲，3个阶段互相衔接组成一个充电周期。
所述风力发电机组变桨系统的后备电源充电装置所采用的充电方法，主要分为如下步骤：
步骤（1）：开始，以C/2电流对蓄电池进行恒流充电；C根据蓄电池容量获得，如电池容量350AH，充电电流C取容量的1/100，即3.5A；
步骤（2）：判断单体蓄电池电压是否达到0.3VAC；如果是就进入步骤（3）；如果否就返回步骤（1）；
步骤（3）：以充电电压V对蓄电池进行恒压充电；充电电压V根据蓄电池类型获得，对于目前行业通用的12V铅酸蓄电池，通常选取充电电压V取值为13.8V；
步骤（4）：判断充电电流是否降至C/4；如果是就进入步骤（5）；如果否就返回步骤（3）；
步骤（5）：以C/4电流对蓄电池进行恒流充电；
步骤（6）：判断单体蓄电池电压是否达到1.3V；如果是就进入步骤（7）；如果否就返回步骤（5）；
步骤（7）：以变电压变电流波浪式正负零脉冲电流对蓄电池进行负脉冲充电；
步骤（8）：判断单体蓄电池电压是否达到2.4V；如果是就结束，如果否就返回步骤（7）。
本发明的有益效果：
1、采用合适的恒流恒压充电数值，避免大电流造成的电解液的气化损失同时，获得较高的充电速度；
2、采用变电压变电流波浪式正负零脉冲电流，脉冲电流幅值和PWM信号的频率均固定,PWM占空比可调,能够在较短的时间内充进更多的电量,提高蓄电池的充电接受能力，即充电效率；避免了由于长期浮充带来的内阻增大的问题，保护电池极板，提高蓄电池寿命。
附图说明
图1为本发明风力发电机组变桨系统充电电路图；
图2为本发明风力发电机组变桨系统充电流程图；
图3为本发明风力发电机组变桨系统充电方法的示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，风力发电机组变桨系统的后备电源充电装置，包括铅酸蓄电池、充电电路、EMI滤波器、辅助电源、电流采集装置、电压采集装置、温度采集装置、PWM驱动电路、MSP430芯片；所述铅酸蓄电池为所述电流采集装置、电压采集装置、温度采集装置和充电电源充电，所述电流采集装置、电压采集装置、温度采集装置将采集到的信号传输给MSP430芯片，所述MSP430将信号传输给PWM驱动电路，PWM驱动电路将信号传输给充电电路，所述EMI滤波器将信号传输给充电电路和辅助电源，所述辅助电源将信号传输给MSP430芯片。
工作流程：在电池后备电源充电器中采用MSP430芯片为核心对整个充电电路进行控制，控制电路将采集到的电压、温度、电流送给MSP430芯片进行比对，从而对主电路发送不同的PWM驱动电路中设定的充电方式通过控制充电器输出的充电电流，来实现3个阶段不同方式充电的目的。
所述风力发电机组变桨系统的后备电源充电装置所采用的充电方法，主要分为如下步骤：
步骤（1）：开始，以C/2电流对蓄电池进行恒流充电；充电电流C根据蓄电池容量获得，如蓄电池容量350AH，充电电流C取蓄电池容量的1/100，即3.5A；
步骤（2）：判断单体蓄电池电压是否达到0.3VAC；如果是就进入步骤（3）；如果否就返回步骤（1）；
步骤（3）：以充电电压V对蓄电池进行恒压充电；充电电压V根据蓄电池类型获得，对于目前行业通用的12V铅酸蓄电池，通常选取充电电压V取值为13.8V；
步骤（4）：判断充电电流是否降至C/4；如果是就进入步骤（5）；如果否就返回步骤（3）；
步骤（5）：以C/4电流对蓄电池进行恒流充电；
步骤（6）：判断单体蓄电池电压是否达到1.3V；如果是就进入步骤（7）；如果否就返回步骤（5）；
步骤（7）：以变电压变电流波浪式正负零脉冲电流对蓄电池进行负脉冲充电；
步骤（8）：判断单体蓄电池电压是否达到2.4V；如果是就结束，如果否就返回步骤（7）。
如图2所示，本发明所述的一种风力发电机组变桨系统的电池后备电源充电方法，将变桨系统后备电源分为三组，每组采用轮询充电，每个充电周期又分为3个阶段，每个阶段分别采用恒流、恒压、变电压变电流波浪式正负零脉冲的充电方式，3个阶段互相衔接组成一个充电周期。
如图3中的充电电流曲线，在三个相互衔接的充电阶段中，充电电流依次从C/2、C/4到最终充电结束；图3中的充电电压曲线，充电电压依次从额定电压V、1.1V、1.3V到根据负脉冲充电，直至充电结束。
首先采用C/2的恒定电流对蓄电池进行预充电，当单体蓄电池电压达到0.3V，然后进入阶段I；
阶段I中，用额定电压V对蓄电池进行充电，随着充电的不断进行，充电电流不断减小，直至电流降低到C/4时，改用C/4的电流对蓄电池进行充电，进入充电阶段II；
在充电阶段II中，随着充电的不断进行，蓄电池电压不断升高，当电压达到1.3V时，进入阶段III；
在阶段III中，将充电电流由恒流转为变电压变电流波浪式正负零脉冲电流，电流通过改变充电电流的曲线使得其更贴近于最佳充电效率曲线，提高充电效率，减小了蓄电池内阻，直至单体蓄电池电压达到2.4V，充电停止。
表1
阀控铅酸蓄电池 初始恒定充电电流 恒定充电电压 充电时间
充电速度 2A 11.5V 26h
充电速度 2.5A 11.5V 25h
充电速度 3A 11.5V 19h
充电速度 3.5A 11.5V 13h
充电速度 4A 11.5V 14h
充电速度 4.5A 11.5V 22h
充电速度 5A 11.5V 25h
充电速度 2A 13.8V 24h
充电速度 2．5A 13.8V 23h
充电速度 3A 13.8V 16h
充电速度 3.5A 13.8V 10h
充电速度 4A 13.8V 12h
充电速度 4.5A 13.8V 19h
充电速度 5A 13.8V 21h
试验数据表1所示，可得在充电电压取C=3.5A，充电电压为V=13.8V时充电时间为10h，效率最高。
表2
通过表2数据可得，在C与V值选定情况下，当初始充电电流选取C/2、恒压充电截止电流选取C/4、采用变电压变电流波浪式正负零脉冲电流时，充电效率最高为85％。
表3
阀控铅酸蓄电池 二阶段充电方法 三阶段充电方法 本发明充电方法
循环寿命 260h 350h >500h
充电速度 30h 25h 10h
通过表3可知，本发明充电方法相比传统二阶段充电方法、三阶段充电方法在对阀控铅酸蓄电池的循环寿命、充电速度上具有优势。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (1)

1.风力发电机组变桨系统的后备电源充电装置所采用的充电方法，
所述装置包括铅酸蓄电池、充电电路、EMI滤波器、辅助电源、电流采集装置、电压采集装置、温度采集装置、PWM驱动电路、MSP430芯片；所述铅酸蓄电池为所述电流采集装置、电压采集装置、温度采集装置和充电电源充电，所述电流采集装置、电压采集装置、温度采集装置将采集到的信号传输给MSP430芯片，所述MSP430将信号传输给PWM驱动电路，PWM驱动电路将信号传输给充电电路，所述EMI滤波器将信号传输给充电电路和辅助电源，所述辅助电源将信号传输给MSP430芯片；
其特征是，将风力发电机组变桨系统后备电源分为三组，每组采用轮询充电，每个充电周期又分为3个阶段，每个阶段分别采用恒流、恒压、变电压变电流波浪式正负零脉冲，3个阶段互相衔接组成一个充电周期；所述方法分为如下步骤：
步骤(1)：开始，以C/2电流对蓄电池进行恒流充电；C是充电电流；C根据蓄电池容量获得；
步骤(2)：判断单体蓄电池电压是否达到0.3V；如果是就进入步骤(3)；如果否就返回步骤(1)；
步骤(3)：以充电电压V对蓄电池进行恒压充电；充电电压V根据蓄电池类型获得；
步骤(4)：判断充电电流是否降至C/4；如果是就进入步骤(5)；如果否就返回步骤(3)；
步骤(5)：以C/4电流对蓄电池进行恒流充电；
步骤(6)：判断单体蓄电池电压是否达到1.3V；如果是就进入步骤(7)；如果否就返回步骤(5)；
步骤(7)：以变电压变电流波浪式正负零脉冲电流对蓄电池进行负脉冲充电；
步骤(8)：判断单体蓄电池电压是否达到2.4V；如果是就结束，如果否就返回步骤(7)；
在三个相互衔接的充电阶段中，充电电流依次从C/2、C/4到最终充电结束；充电电压依次从额定电压V、1.1V、1.3V到根据负脉冲充电，直至充电结束；首先采用C/2的恒定电流对蓄电池进行预充电，当单体蓄电池电压达到0.3V，然后进入阶段I；阶段I中，用额定电压V对蓄电池进行充电，随着充电的不断进行，充电电流不断减小，直至电流降低到C/4时，改用C/4的电流对蓄电池进行充电，进入充电阶段II；在充电阶段II中，随着充电的不断进行，蓄电池电压不断升高，当电压达到1.3V时，进入阶段III；在阶段III中，将充电电流由恒流转为变电压变电流波浪式正负零脉冲电流，电流通过改变充电电流的曲线使得其更贴近于最佳充电效率曲线，直至单体蓄电池电压达到2.4V，充电停止。
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