CN103795127A - 具有在线监测功能的风力发电机变桨电池充电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有在线监测功能的风力发电机变桨电池充电系统。该系统包括：充电模块，与电池相连接，用于将交流电经过功率变换转换向电池充电；温度检测模块，与电池相连接，用于检测电池的温度；内阻检测模块，与充电模块相连接，用于检测电池充电完成后的内阻；处理模块，与充电模块、温度检测模块和内阻检测模块分别相连接；以及告警模块，与处理模块相连接，用于在电池异常时产生告警信号。通过本发明，能够在充电的同时及时监测到电池的异常状态，从而能够避免电池故障而造成风力发电机不能正常收浆。

Description

具有在线监测功能的风力发电机变桨电池充电系统

技术领域

本发明涉及风力发电机技术领域，具体而言，特别涉及具有在线监测功能的风力发电机变桨电池充电系统。

背景技术

随着不可再生能源在世界范围内面临枯竭的窘境，为满足工业化生产和人类生活所需，人们对太阳能、风力、水力这些可再生资源的关注和利用已日渐提升。其中，风力发电是一种已经发展相对成熟的能源开发技术，尤其在高原、沿海等地区有着广泛的普及和应用。

目前风力发电机变桨系统的备用电源大多采用铅酸蓄电池组，由于变浆系统在收浆时铅酸电池以3C-5C的电流放电，在使用一段时间后铅酸电池就会出现不同程度的损坏，若没有及时发现落后电池则会造成不能正常收浆的事故，致使整台风力发电机损坏或报废，从而造成巨大的经济损失。

针对现有技术中存在的上述问题，目前尚未提出有效的解决方法。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种具有在线监测功能的风力发电机变桨电池充电系统，以解决现有技术中由于没有及时发现落后电池而造成风力发电机不能正常收浆的问题。

依据本发明的具有在线监测功能的风力发电机变桨电池充电系统包括：充电模块,与电池相连接，用于将交流电经过功率变换转换向电池充电；温度检测模块，与电池相连接，用于检测电池的温度；内阻检测模块，与充电模块相连接，用于检测电池充电完成后的内阻；处理模块，与充电模块、温度检测模块和内阻检测模块分别相连接；以及告警模块，与处理模块相连接，用于在电池异常时产生告警信号。

进一步地，充电模块包括:交流输入电路,用于接入交流电；功率变换电路，与交流输入电路相连接，用于通过功率变换将交流电转换为电池的输入电压；充电输出电路，与功率变换电路相连接，用于输出电池的输出电压；以及检测电路，与交流输入电路、功率变换电路和充电输出电路分别相连接，用于根据输入电压和输出电压的状态实时控制功率变换电路，其中，当检测到输入电压变高或输出电压变高时，控制功率变换电路减小PWM的占空比，当检测到输入电压变低或输出电压变低时，控制功率变换电路增大PWM的占空比。

进一步地，处理模块还用于在检测电路检测到输入电压和输出电压同步降低时，控制告警模块产生电池输出断线的告警信号。

进一步地，内阻检测模块包括：正弦交流恒流源电路，用于产生正弦交流恒流激励信号；激励信号耦合电路，与正弦交流恒流源电路和电池相连接，用于将正弦交流恒流激励信号接入电池两端；接收信号耦合电路，与电池相连接，用于输出正弦交流恒流激励信号在电池上产生的交流电压降；以及接收信号匹配电路和处理电路，与接收信号耦合电路相连接，用于根据交流电压降获得与电池的内阻成比例的直流信号，其中，处理模块用于根据直流信号计算电池的内阻。

进一步地，正弦交流恒流源电路包括：正弦波信号发生器，用于产生正弦波信号；功率放大电路，用于输出正弦交流恒流激励信号；恒流控制与驱动电路，第一端与正弦波信号发生器相连接，第二端与功率放大电路相连接，用于把从正弦交流恒流激励信号中得到的反馈信号与正弦波信号相比较，以调节正弦交流恒流激励信号的电流保持恒定；以及功率信号反馈电路，第一端与功率放大电路相连接，第二端与恒流控制与驱动电路相连接，用于从正弦交流恒流激励信号中获取反馈信号至恒流控制与驱动电路。

进一步地，温度检测模块包括：温度探头，用于检测电池的温度；温度电压转换电路，与温度探头相连接，用于将温度转换成和温度成比例的直流电压信号，其中，处理模块用于根据直流电压信号计算电池的温度值。

进一步地，处理模块还用于在温度检测模块检测到的温度超出第一预设范围值时，控制告警模块产生温度探头断线的告警信号。

进一步地，该系统还包括：强制告警控制模块，与充电模块和告警模块相连接，用于检测输出电压，并在输出电压低于预设电压时，控制告警模块产生告警信号。

进一步地，该系统还包括：通讯模块，与处理模块相连接，用于将处理模块得到的电池的实时状态信息上传至远程监控系统。

进一步地，该系统用于向变桨风力发电机的一个扇叶所用的电池组进行充电、或者用于向变桨风力发电机的多个扇叶所用的电池组进行充电，其中，当系统用于向多个扇叶所用的电池组进行充电时，对其中一个扇叶所用电池组的充电时间达到预设时间后，自动切换为向下一个扇叶所用的电池组充电。

通过本发明，提供了一种具有在线监测功能的风力发电机变桨电池充电系统，该系统中的充电模块与电池相连接，将交流电经过功率变换转换为电池充电时所需电压进行充电，在充电中，通过温度检测模块、内阻检测模块分别检测电池的温度以及内阻，并将这些检测值送入处理模块进行分析处理，最终根据分析处理结果控制告警模块在电池异常时产生告警信号，从而能够实时在线对电池进行有效的监测，及时发现电池异常或落后并报警，解决了现有技术中由于没有及时发现落后电池而造成风力发电机不能正常收浆的问题。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是根据本发明实施例的具有在线监测功能的风力发电机变桨电池充电系统的框图；

图2是根据本发明实施例的充电模块的原理示意图；

图3是根据本发明实施例的内阻检测模块的原理示意图；

图4是根据本发明实施例的内阻检测模块中的正弦交流恒流源电路的原理示意图；

图5是根据本发明实施例的正弦交流恒流源电路中恒流控制与驱动电路的原理示意图；

图6是根据本发明实施例的温度检测模块的原理示意图；以及。

图7是根据本发明实施例的强制告警控制模块的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。需要指出的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

图1是根据本发明第一实施例的具有在线监测功能的风力发电机变桨电池充电系统的框图，如图1所示，该系统包括充电模块10、温度检测模块20、内阻检测模块30、处理模块50和告警模块60。

其中，充电模块10与被测的电池40相连接，将外接交流电经过功率变换，向电池40充电，在电池40放电过程中、或者在电池40的电量低于预设电量时，对电池40进行充电。温度检测模块20与被测的电池40相连接，实时检测电池40的当前温度。内阻检测模块30与充电模块10相连接，在电池40完成一次充电后，经由充电模块10检测电池40的充电参数，从而检测到电池40充电完成后的内阻。

处理模块50可以为单片机处理模块，与充电模块10、温度检测模块20、内阻检测模块30分别相连接，集中控制上述的各个模块。上述各模块将检测到的电池40的参数分别输入至处理模块50，处理模块50根据接收到的参数进行相应的计算和处理，例如设置各个参数对应的保护范围或极限值，在接收到的参数值超出保护范围或极限值时，确定电池40处于落后或异常的工作状态，并及时控制与之相连接的告警模块60，以使告警模块60在电池40异常时产生告警信号。该告警模块60可以指示当前的工作状态，通过告警模块60可以快速的排查故障，并通过干接点传送到远程控制中心。

采用该实施例提供的具有在线监测功能的风力发电机变桨电池充电系统，在电池工作的过程中，通过温度检测模块、内阻检测模块分别检测电池的温度、内阻，并将这些检测值送入处理模块进行分析处理，最终根据分析处理结果控制告警模块在电池异常时产生告警信号，从而能够实时在线对电池进行有效的监测，及时发现电池异常并报警，进而及时发现电池故障，进行更换或检修，保证了风力发电机的正常收浆。

优选地，如图1所示，该系统还包括强制告警控制模块70。该强制告警控制模块70通过硬件逻辑电路实现，不受处理模块50控制的影响，与充电模块10和告警模块60分别相连接，用于检测电池40的输出电压，也即电池40放电时的工作电压，在该输出电压低于预设电压时，直接控制告警模块60产生告警信号。

采用该优选实施例，强制告警控制模块70检测当前电池的输出电压，当输出电压低于一定电压时延时强制告警模块60告警，不受处理模块50控制的影响，即使处理模块50发生故障，在电池的输出不符合收桨要求时，仍然能够及时报警，进一步保证了安全收桨的可靠性。

进一步优选地，强制告警控制模块70的详细电路示意图如图7所示，检测当前的输出电压，当输出电压采样低于告警基准1时比较器开路输出，+5V通过电阻给电池充电，当电池电压高于告警基准2时送低电平信号给告警模块60强制告警模块60告警。

采用该优选实施例，电路布置简单可靠。

优选地，如图1所示，该系统还包括通讯模块80。该通讯模块80与处理模块50相连接，用于将处理模块50得到的电池的实时状态信息以及故障记录上传至远程监控系统，同时，用户也可在远程监控系统设置各个保护值和设定值，如内阻报警值、温度报警值、输出电压、输出电流等等，通过通讯模块80将其传送至处理模块50，以供处理模块50进行处理，进而对各个值进行设置或更改。此外，通讯模块80可保存一段时间内的故障数据，以供用户适时巡查，分析故障，并可将一段时间内的数据生成数据曲线，以预知电池的参数变化趋势，例如，电池内阻的变化趋势。

采用该优选实施例，通过通讯模块的设置，使得电池在线监测系统能够实时将监测到的信息传递至远程监控系统，同时也可接收到远程监控系统设置的保护值和设定值，从而使得电池在线监测系统能够灵活得对不同变桨系统中的电池进行监测。

以下针对图1所示实施例中的各模块进行进一步的说明，需要说明的是，以下对各模块的说明只是本发明中所采用的优选实施方式，并不构成对本发明的不当限定。

图2是根据本发明实施例的充电模块的原理示意图，如图2所示，充电模块包括交流输入电路11、功率变换电路12、充电输出电路13和检测电路14。

其中，交流输入电路11用于接入交流电；功率变换电路12与交流输入电路11相连接，通过功率变换将交流电转换为电池充电需要的输入电压；充电输出电路13与功率变换电路12相连接，用于在电池放电时输出电池的输出电压；检测电路14与交流输入电路11、功率变换电路12和充电输出电路13分别相连接，使得整个充电模块形成一个闭环控制电路，由检测电路14根据输入电压和输出电压的状态实时控制功率变换电路12，具体地，当检测到输入电压变高或输出电压变高时，控制功率变换电路12减小PWM的占空比达到输出的稳定，当检测到输入电压变低或输出电压变低时，控制功率变换电路12增大PWM的占空比达到输出的稳定。

在图1所示实施例的具有在线监测功能的风力发电机变桨电池充电系统中使用上述充电模块，能够自动、实时调整电池的输出，从而保证了输出的稳定性，进一步保证了安全收桨的可靠性。

优选地，可以通过PC上位机连接通讯模块，从而可通过PC上位机发通讯命令设置当前充电输出电路的输出电压和输出电流，从而调整充电输出的电压和电流以适用于不同变桨场合的应用。

采用该优选实施例，可根据变桨要求控制和调整电池的输出，使得电池的应用场合不受限制，能够灵活适应放电要求。

优选地，检测电路14可将检测到的输入电压和输出电压传输至处理模块，在处理模块一端，当检测电路14检测到输入电压和输出电压同步降低时，确定为电池的输出断线，进而控制告警模块产生电池输出断线的告警信号。

采用该优选实施例，可在电池断线时及时输出告警信号，避免输出电压降低而导致风力发电机不能正常收桨。

图3是根据本发明实施例的内阻检测模块的原理示意图，如图3所示，内阻检测模块包括正弦交流恒流源电路31、激励信号耦合电路32、接收信号耦合电路33和接收信号匹配电路和处理电路34。

其中，正弦交流恒流源电路31用于产生正弦交流恒流激励信号；激励信号耦合电路32与正弦交流恒流源电路31和被测电池相连接，以将正弦交流恒流激励信号接入电池两端；电池两端接入正弦交流恒流激励信号后，会产生交流电压降，接收信号耦合电路33与电池相连接，将正弦交流恒流激励信号在电池上产生的交流电压降输出；接收信号匹配电路和处理电路34与接收信号耦合电路33相连接，用于根据交流电压降获得与电池的内阻成比例的直流信号，并将该直流信号输入至处理模块50，以使处理模块50根据直流信号计算电池的内阻。

进一步地，正弦交流恒流源电路如图4所示，是一个闭环控制的电流负反馈电路，具体地，正弦交流恒流源电路包括正弦波信号发生器311、功率放大电路312、恒流控制与驱动电路313和功率信号反馈电路314。

其中，正弦波信号发生器311产生一个频率稳定、对称、失真度低的1KHz左右正弦波信号，通过功率放大电路312将正弦波信号进行功率放大，转化为正弦交流恒流激励信号输出；在输出的过程中，通过恒流控制与驱动电路313对正弦交流恒流激励信号进行调节，调节的过程是把从正弦交流恒流激励信号中得到的反馈信号与正弦波信号相比较，从而调节正弦交流恒流激励信号的电流保持恒定，具体可采用如图5所示的电路结构，比较器的两路信号分别自正弦波信号发生器和功率信号取样，比较后的调节信号输出至功率放大电路；功率信号反馈电路314一端与功率放大电路312相连接，另一端与恒流控制与驱动电路313相连接，将功率放大电路312输出的正弦交流恒流激励信号获取反馈信号，闭环反馈至恒流控制与驱动电路313进行调节。

在图1所示实施例的具有在线监测功能的风力发电机变桨电池充电系统中使用上述内阻检测模块，在正弦交流恒流源电路产生正弦交流恒流激励信号后，通过激励信号耦合电路把正弦交流恒流激励信号接入被测电池两端，避免风力发电机变桨电池电压高产生的问题，正弦交流恒流激励信号在电池两端产生的交流电压降信号，通过接收信号耦合电路把交流电压降取出再送入接收信号匹配和信号处理电路，在接收信号匹配和处理电路中，进行阻抗匹配、放大、滤波、与激励信号进行相乘、相关处理以有效抑制干扰和噪声的影响，再经过低通滤波获得和电池内阻成比例的直流信号，送入处理模块计算出最终的电池内阻。

图6是根据本发明实施例的温度检测模块的原理示意图，如图6所示，温度检测模块包括温度探头21和温度电压转换电路22。

其中，温度探头21用于检测电池的温度，温度电压转换电路22与温度探头21相连接，以将温度探头检测到的温度转换成和温度成比例的直流电压信号，并将直流电压信号传送至处理模块50，以使处理模块50根据直流电压信号计算电池的温度值。在实际应用中，可以根据电池的温度大小进行各个级别保护，并且保护点可以通过通讯模块进行设置，当处理模块50计算得到的温度值处于不同的保护点时，处理模块50控制告警模块进行相应的报警。

优选地，处理模块还用于在温度检测模块检测到的温度超出第一预设范围值时，控制告警模块产生温度探头断线的告警信号，其中，该处的第一预设范围为温度探头连接时的正常范围，超出这一范围确定温度探头断线，例如，第一预设范围值为-20℃至70℃。

需要说明的是，以上的实施例或优选实施例中，系统可对变桨风力发电机的一个扇叶所用的电池组进行充电，也可向变桨风力发电机的多个扇叶所用的电池组进行充电，其中，当系统向多个扇叶所用的电池组进行充电时，例如对三个扇叶所用的电池组进行充电时，首先对第一个扇叶所用电池组充电15分钟，15分钟以后，自动切换为向第二个扇叶所用的电池组充电15分钟，然后再自动切换为向第三个扇叶所用的电池组充电15分钟，然后再次向第一个扇叶所用电池组充电，以此类推，达到通过一个充电系统对三个电池组进行自动切换的轮回充电。电池类型可以为铅酸蓄电池、锂电池等。

从以上各实施例的描述中，可以看出，本发明的具有在线监测功能的风力发电机变桨电池充电系统用于把电池作为风力发电机变桨备用电源的风力发电机系统，主要作用是实现变桨电池的在线监测、充电和控制，并进一步可将电池相关参数信息传输给远程监控系统，做到提前预警，从而保证风机的安全收桨，进一步提高风力发电机变桨系统的可靠性。并且通过将内阻检测、充电和充电控制合为一体，即减小了空间占有率又去掉了繁琐的外部接线，在充电维护的同时，就进行了内阻检测，通过通讯设置各个保护值和设定值可以灵活的应用于不同的变桨系统中。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种具有在线监测功能的风力发电机变桨电池充电系统，其特征在于，包括：

充电模块,与电池相连接，用于将交流电经过功率变换转换向所述电池充电；

温度检测模块，与所述电池相连接，用于检测所述电池的温度；

内阻检测模块，与所述充电模块相连接，用于检测所述电池充电完成后的内阻；

处理模块，与所述充电模块、所述温度检测模块和所述内阻检测模块分别相连接；以及

告警模块，与所述处理模块相连接，用于在所述电池异常时产生告警信号。

2.根据权利要求1所述的具有在线监测功能的风力发电机变桨电池充电系统，其特征在于，所述充电模块包括:

交流输入电路,用于接入交流电；

功率变换电路，与所述交流输入电路相连接，用于通过功率变换将所述交流电转换为所述电池的输入电压；

充电输出电路，与所述功率变换电路相连接，用于输出所述电池的输出电压；以及

检测电路，与所述交流输入电路、所述功率变换电路和所述充电输出电路分别相连接，用于根据所述输入电压和所述输出电压的状态实时控制所述功率变换电路，其中，当检测到所述输入电压变高或所述输出电压变高时，控制所述功率变换电路减小PWM的占空比，当检测到所述输入电压变低或所述输出电压变低时，控制所述功率变换电路增大PWM的占空比。

3.根据权利要求2所述的具有在线监测功能的风力发电机变桨电池充电系统，其特征在于，所述处理模块还用于在所述检测电路检测到所述输入电压和所述输出电压同步降低时，控制所述告警模块产生所述电池输出断线的告警信号。

4.根据权利要求1所述的具有在线监测功能的风力发电机变桨电池充电系统，其特征在于，所述内阻检测模块包括：

正弦交流恒流源电路，用于产生正弦交流恒流激励信号；

激励信号耦合电路，与所述正弦交流恒流源电路和所述电池相连接，用于将所述正弦交流恒流激励信号接入所述电池两端；

接收信号耦合电路，与所述电池相连接，用于输出所述正弦交流恒流激励信号在所述电池上产生的交流电压降；以及

接收信号匹配电路和处理电路，与所述接收信号耦合电路相连接，用于根据所述交流电压降获得与所述电池的内阻成比例的直流信号，

其中，所述处理模块用于根据所述直流信号计算所述电池的内阻。

5.根据权利要求4所述的具有在线监测功能的风力发电机变桨电池充电系统，其特征在于，所述正弦交流恒流源电路包括：

正弦波信号发生器，用于产生正弦波信号；

功率放大电路，用于输出所述正弦交流恒流激励信号；

恒流控制与驱动电路，第一端与所述正弦波信号发生器相连接，第二端与所述功率放大电路相连接，用于把从所述正弦交流恒流激励信号中得到的反馈信号与所述正弦波信号相比较，以调节所述正弦交流恒流激励信号的电流保持恒定；以及

功率信号反馈电路，第一端与所述功率放大电路相连接，第二端与所述恒流控制与驱动电路相连接，用于从所述正弦交流恒流激励信号中获取反馈信号至所述恒流控制与驱动电路。

6.根据权利要求1所述的具有在线监测功能的风力发电机变桨电池充电系统，其特征在于，所述温度检测模块包括：

温度探头，用于检测所述电池的温度；

温度电压转换电路，与所述温度探头相连接，用于将所述温度转换成和所述温度成比例的直流电压信号，

其中，所述处理模块用于根据所述直流电压信号计算所述电池的温度值。

7.根据权利要求6所述的具有在线监测功能的风力发电机变桨电池充电系统，其特征在于，所述处理模块还用于在所述温度检测模块检测到的温度超出第一预设范围值时，控制所述告警模块产生所述温度探头断线的告警信号。

8.根据权利要求2所述的具有在线监测功能的风力发电机变桨电池充电系统，其特征在于，所述系统还包括：

强制告警控制模块，与所述充电模块和所述告警模块相连接，用于检测所述输出电压，并在所述输出电压低于预设电压时，控制所述告警模块产生告警信号。

9.根据权利要求1所述的具有在线监测功能的风力发电机变桨电池充电系统，其特征在于，所述系统还包括：

通讯模块，与所述处理模块相连接，用于将所述处理模块得到的所述电池的实时状态信息上传至远程监控系统。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的具有在线监测功能的风力发电机变桨电池充电系统，其特征在于，所述系统用于向变桨风力发电机的一个扇叶所用的电池组进行充电、或者用于向变桨风力发电机的多个扇叶所用的电池组进行充电，其中，当所述系统用于向多个扇叶所用的电池组进行充电时，对其中一个扇叶所用电池组的充电时间达到预设时间后，自动切换为向下一个扇叶所用的电池组充电。

Images