CN105242136B - 风电机组的超级电容检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风电机组的超级电容检测方法和装置，所述方法包括：获取超级电容在无外接电源供电下且风电机组变桨至顺桨状态时的电压；若所述超级电容的电压大于第一预定值，则执行所述超级电容的容值检测操作。本发明实施例在保证风电机组顺桨需求的前提下，检测超级电容的有效能量，使得检测更加具有实际意义。

Description

风电机组的超级电容检测方法和装置

技术领域

本发明涉及风电技术领域，尤其涉及一种风电机组的超级电容检测方法和装置。

背景技术

目前，越来越多的整机厂家选择超级电容作为风力发电机组(简称“风电机组”)的后备电源，后备电源能保证风电机组在安全链断开或者电网断电的情况下，驱动变桨电机，将叶片顺桨到安全位置。因此，超级电容所具备的有效能量关系到整个风力发电机组的安全性和可靠性。

如果能准确评估超级电容的容值，就能准确评估超级电容的有效能量。超级电容的容值除了受到自身特性的影响外，还会受到环境温度、湿度等因素影响，超级电容受到外界因素影响后，容值下降，有效能量减少甚至失效，严重危害风机的安全性和可靠性。因此评估超级电容的容值继而评估超级电容的有效能量十分重要和必要。

但是，通常而言对于不同风电机组，特别是不同机型的风电机组而言，利用超级电容完成顺桨所需的需求能量是不同的，这就意味着对于同一后备电源，即使有效能量相同，也不能确认后备电源就一定能满足当前风电机组顺桨的要求，并且在不能满足当前风电机组顺桨需求的前提下，检测超级电容的有效能量也就失去了意义。

发明内容

本发明实施例提供的一种风电机组的超级电容检测方法和装置，以在保证风电机组顺桨需求的前提下，检测超级电容的有效能量，使得检测更加具有实际意义。

为达到上述目的，本发明实施例提供了一种风电机组的超级电容检测方法，包括：获取超级电容在无外接电源供电下且风电机组变桨至顺桨状态时的电压；若所述超级电容的电压大于第一预定值，则执行所述超级电容的容值检测操作。

本发明实施例还提供了一种风电机组的超级电容检测装置，包括：电压获取模块，用于获取超级电容在无外接电源供电下且风电机组变桨至顺桨状态时的电压；

电容检测模块，用于在所述超级电容的电压大于第一预定值时，执行所述超级电容的容值检测操作。

本发明实施例提供的风电机组的超级电容检测方法和装置，在进行容值检测之前，先对超级电容进行工作电压的检测，当该电压大于第一预定值，即对应电容的储能能够满足风电机组的用电需求时，才进行容值的检测，从而使得对超级电容的检测更加具有实际意义。

附图说明

图1为本发明提供的风电机组的超级电容检测方法一个实施例的流程图；

图2为本发明提供的风电机组的超级电容检测方法另一个实施例的流程图；

图3为本发明提供的风电机组的超级电容检测装置一个实施例的结构框图；

图4为本发明提供的风电机组的超级电容检测装置另一个实施例的结构框图。

附图标记说明：

310-电压获取模块、320-电容检测模块、321-充电控制单元、322-容值计算单元。

具体实施方式

在风力发电领域，变桨系统后备电源的使用方式有两类。一类是只有当电网掉电时，才使用后备电源，本文定义为A类方式；另一类是无论电网掉电与否，系统始终使用后备电源，只不过电网不掉电时，充电器持续地给后备电源充电，如果关断充电器输出，充电器不给后备电源供电，本文定义此方式为B类方式。

本发明技术方案优选对于上述B类方式下后备电源如超级电容进行电容检测(针对A类方式下的超级电容可转换为B类方式工作后再进行检测)，以保证超级电容能够在电网掉电且无充电器充电时，能独立支撑风电机组的用电需求。基于此，本发明的发明构思是在保证超级电容有足够能量满足风电机组需求的前提下，再进一步对超级电容的容值进行计算评估，从而使得对超级电容的检测变得更加具备实际意义。而对超级电容的能量是否满足风电机组的需求的评估，则是通过超级电容的电压来确定。

下面结合附图对本发明实施例的风电机组的超级电容检测方法和装置进行详细描述。

实施例一

图1为本发明提供的风电机组的超级电容检测方法一个实施例的流程图，该方法的执行主体可以为风电机组的变桨系统的控制器。如图1所示，该风电机组的超级电容检测方法包括如下步骤：

S110，获取超级电容在无外接电源(如充电器)供电且风电机组变桨至顺桨状态时的电压。

本实施例中，主要利用超级电容在无外接电源如充电器、电网等提供电能的前提下，仅通过超级电容自身的储能来提供电能使风电机组完成桨叶顺桨的操作后，检测获取超级电容上的电压。为保证风电机组的安全性，可逐一对各桨叶进行顺桨操作，该过程中对于未进行顺桨操作的桨叶置于安全位置如顺桨状态。检测得到的超级电容的电压可作为衡量超级电容储能多少的一个判断依据。当电压较高时，表征超级电容储能较高，反之，表征储能较低。

S120，若超级电容的电压大于第一预定值，则执行超级电容的容值检测操作。

针对超级电容储能多少的判定，应与其所在的风电机组的电能需求相结合才有实际意义。本实施例针对不同型号的风电机组均设置了一个判定机组所需电能的第一预定值，当经过S110获取得到的超级电容的电压大于该第一预定值时，表征当前超级电容的储能能够满足其所在的风电机组的需求。

在超级电容的储能满足其所在风电机组所需电能时，启动执行超级电容的容值检测操作。具体的，可以在对超级进行充电的过程中，对超级电容的容值进行评估计算。本实施例对评估超级电容的容值所采用的方式不做限定。

本发明实施例提供的风电机组的超级电容检测方法，在保证超级电容有足够能量满足风电机组需求的前提下，再进一步对超级电容的容值进行计算评估，从而使得对超级电容的检测变得更加具备实际意义。

实施例二

图2为本发明提供的风电机组的超级电容检测方法另一个实施例的流程图，本实施例可视为图1所示实施例的一种具体实现方式，主要在图1所示实施例的基础上，对S120进行了进一步细化。如图2所示，该风电机组的超级电容检测方法包括如下步骤：

S210，驱动风电机组开桨至预设的工作角度。

S210在上述S110之前执行，即先对欲进行顺桨操作的桨叶进行开桨至预设的工作角度(风电机组正常发电对应的桨距角的角度)，该过程可在超级电容有外接电源供电下进行，如利用充电器对超级电容供电。

本实施例中，采用的充电器类型可为独立的AC/DC充电器。充电器具备通讯功能。具体操作时，风电机组的超级电容检测方法可以在变桨控制器中实现，变桨控制器可通过通讯控制充电器的启动和停止，实现电网输入的切换。变桨控制器也可通过通讯获取充电器的实时的充电电压和电流，以及准确的充电起始和停止时间。

具体地，变桨控制器利用与充电器之间的通信，控制充电器关断和启停，从而控制超级电容在有外接电源供电下，驱动风电机组开桨至预设的工作角度；在无外接电源供电下驱动风电机组变桨至顺桨状态。例如，变桨控制器可先控制桨叶开桨运行至发电位置(比如0度)；然后，变桨控制器通过通讯停止充电器输出向超级电容的供电即控制超级电容与外接电源断开连接；最后，控制当前叶片从发电位置(比如0度)顺桨运行到安全位置(比如90度)，运行速度可选取最高急停速度。

S220，获取超级电容在无外接电源供电下且风电机组变桨至顺桨状态时的电压。S220与前述S110的内容相同。

S230，若超级电容的电压大于第一预定值，则执行超级电容的容值检测操作。S230与前述S120的内容相似。

其中，第一预定值可根据不同机型载荷要求确定，也可再结合考虑低电压穿越要求进行设定。通过设置第一预定值来评估风电机组所需电量要求，方式简单有效，且合理的范围值能切实有效覆盖出当前机型的需求能量。

具体地，本实施例利用超级电容在充电的过程中，加载在超级电容两端的充电电压和充电电流的变化量来执行完成超级电容的容值检测操作，对应步骤如下(S231～233)。

S231，驱动风电机组在预设的安全角度范围内往返变桨，直至超级电容的电压低于第二预定值后，停止驱动风电机组变桨。

为了展宽对超级电容的充电量的幅度，本实施例对超级电容的储能进行部分损耗以降低储能。具体地，可先对超级电容进行充电，待电压充满后，切断超级电容与外接电源的连接，然后通过变桨控制器来控制桨叶在安全角度Φ₁和Φ₂之间往返运行实现耗能。当检测到超级电容的电压低于上述第二预定值U₁，如达到U₁–ΔU时，停止驱动风电机组变桨耗能，并静置Δt时间后开始控制超级电容进入充电状态。

其中，安全角度Φ₁和Φ₂的选取优选限定为50°至90°之间。U₁优选为超级电容额定电压的30％-45％，ΔU和Δt的选取要匹配，即满足风电机组在Δt的静置时间内，超级电容的电压U₁–ΔU能够支撑系统的运行。

为保持超级电容在耗能过程中风电机组的安全，在利用风电机组变桨对超级电容进行耗能时，是逐一对桨叶进行变桨，针对当前未进行变桨的桨叶控制其在安全位置，如顺桨90度位置。如此，当对当前桨叶变桨至超级电容电压低于第二预定值后，立刻停止驱动风电机组变桨，也不会给风电机组带来不安全隐患，使风电机组等待进入超级电容的充电状态。

这里说明，S231仅作为执行超级电容的容值检测操作的预处理步骤，其目的是将超级电容置于待充电状态。

S232，控制超级电容处于充电状态，并周期性监测充电电流和充电电压。

变桨控制器通过与充电器进行通信，控制充电器对超级电容进行充电。同时该充电过程中，变桨控制器还通过与充电器实时通信周期性获取充电器加载在超级电容上的充电电压和充电电流。

选取超级电容在充电过程中所储存能量的变化区间，可以充电电压的连续区间段进行筛选，如充电电压由第二预定值提高至第三预定值期间内，记录相应各预定周期内的充电电压和充电电流作为处理对象。

其中，该第二预定值可为超级电容的额定电压值的30％-45％，第三预定值可为超级电容的额定电压值的70％-85％。

S233，根据超级电容在充电状态时的充电电流和充电电压，计算超级电容的容值。

利用超级电容在充电过程中，充电电压相对于充电电流的变化以及这两个参数与电容容值之间的固有关系，可以评估计算出超级电容的容值。具体地，本实施例给出了利用充电电压和充电电流计算超级电容容值的具体实现方式，对应如下步骤(a1～a2)。

a1，根据：

C_n＝(t_n+1-t_n)*(I_n+I_n+1)/(U_n+1-U_n)/2................................(1)

计算超级电容在各预定周期内的容值，其中，C_n为第n个周期的容值，t_n+1、I_n+1、U_n+1依次为第n+1个周期的时长、充电电流、充电电压，t_n、I_n、U_n依次为第n个周期的时长、充电电流、充电电压。

本实施例将各预定周期按对应的充电时间的先后顺序进行从小到大的周期序数排序，且各周期中，采用恒流进行对超级电容的充电。

a2，根据各预定周期的容值确定超级电容的容值。

通过对各周期容值进行如算数平均或加权求和等方式来确定最终的超级电容的容值，本方案对具体确定方式不做限定。

优选地，本实施中根据：

C_a,n＝(C_n+C_a,n-1)/2................................(2)

计算各预定周期的有效容值，其中，C_a,n为第n个周期的有效容值；C_n为第n个周期的容值，C_a,n-1为第n-1个周期的有效容值；第1个周期的有效容值为C₁；

然后，将各预定周期中的最后一个周期的有效容值确定为超级电容的容值。

进一步地，在评估得到超级电容的容值后，还可将该容值与预设的安全值进行比较，如果低于安全值，则确定超级电容失效。技术人员应对超级电容进行及时更换，如果不低于安全值，则可根据具体评估的容值结果进一步确定之后对超级电容执行检测的执行周期。

本方案针对超级电容执行检测的执行周期示出了如下几种周期的执行触发方式。

在进行变桨系统超级电容能量评估前，触发条件按优先级分为三种。优先级最高的为人工干预式触发；其次为机组待机状态或机组无故障下的非发电状态触发；再次为根据上次检测超级电容的电压和容值结果执行不同的触发检测周期。

其中，人工干预的方式规定为塔底或中控的人机接口(Human MachineInterface，HMI)触发或程序内变量触发。机组待机状态或机组无故障下的非发电状态规定为待机或小风无法发电的状态。根据检测电压和容值执行不同的检测周期的规定为：执行风电机组需求能量检测(对应S110)时，如果该电压低于预设触发值，则按照第一预定周期(如每一周)执行一次检测，如果不是则按照第二预定周期(如每三个月)执行一次；或者，规定进行超级电容有效能量检测时(对应S120)，如果检测得到的容值大于预设标定值(如超级电容的电容额定值)或者小于预设标定值且二者差值低于预设标定值的10％，则按第二预定周期(如每三个月)执行一次检测；如果该差值不低于标定值的10％且低于标定值的20％，则按照第三预定周期(如每一个月)执行一次，如果该差值不低于标定值的20％且低于标定值的30％，则按照第四预定周期(如每两周)执行一次，如果该差值不低于标定值的30％，则认为容值已经失效，建议更换电容。

进一步地，本发明中，在进行超级电容的能量评估前(包括风电机组的所需能量和超级电容的有效能量)前，还需对风电机组进行初始化状态检查。该初始化状态检查应包括机组停机状态判定、叶片处于安全位置状态判定以及超级电容接线检查。其中，超级电容接线检查是指，在进行能量评估前，先切断充电器，检查超级电容电压是否正常，如果正常说明超级电容接线正常。上述初始化状态检查项目全部判断为“是”时，才认为初始化状态检查合格，否则不合格。

本发明实施例提供的风电机组的超级电容检测方法，在图1所示实施例的基础上，示出了利用对超级电容的充电过程中，记录的超级电容的固定储能变化区间段对应的充电电压、充电电流的变化来评估超级电容的容值，最终达到检测超级电容的目的。

实施例三

图3为本发明提供的风电机组的超级电容检测装置一个实施例的结构框图，其中包括：

电压获取模块310，用于获取超级电容在无外接电源供电下且风电机组变桨至顺桨状态时的电压；电容检测模块320，用于在超级电容的电压大于第一预定值时，执行超级电容的容值检测操作。

进一步地，如图4所示，在图3所示实施例的基础上，上述电容检测模块320可包括：充电控制单元321，用于控制超级电容处于充电状态；容值计算单元322，用于周期性监测充电电流和充电电压，并根据超级电容在充电状态时的充电电流和充电电压，计算超级电容的容值。

进一步地，上述容值计算单元322还可包括：数据记录子单元，用于在超级电容的充电电压由第二预定值提高至第三预定值期间内，记录各预定周期内的充电电压和充电电流；周期容值计算子单元，用于根据公式(1)计算超级电容在各预定周期内的容值；容值确定子单元，用于根据公式(2)计算各预定周期内的有效容值，并将各预定周期中的最后一个周期的有效容值确定为超级电容的容值。

进一步地，上述风电机组的超级电容检测装置可集成在风电机组的变桨控制器中。

图2所示方法实施例可通过图4所示的风电机组的超级电容检测装置执行完成，在此对步骤原理不做赘述。

本发明实施例提供的风电机组的超级电容检测装置，在保证超级电容有足够能量满足风电机组需求的前提下，再进一步对超级电容的容值进行计算评估，从而使得对超级电容的检测变得更加具备实际意义。

进一步地，本方案中还利用对超级电容的充电过程中，记录的超级电容的固定储能变化区间段对应的充电电压、充电电流的变化来评估超级电容的容值，最终达到检测超级电容的目的。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，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以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种风电机组的超级电容检测方法，其特征在于，包括：

获取超级电容在无外接电源供电下且风电机组变桨至顺桨状态时的电压；

若所述超级电容的电压大于第一预定值，则执行所述超级电容的容值检测操作，

其中，所述执行所述超级电容的容值检测操作的步骤包括：控制所述超级电容处于充电状态，并周期性监测充电电流和充电电压；根据所述超级电容在充电状态时的充电电流和充电电压，计算所述超级电容的容值，

其中，所述周期性监测充电电流和充电电压的步骤包括：在所述超级电容的充电电压由第二预定值提高至第三预定值期间内，记录各预定周期内的充电电压和充电电流；所述根据所述超级电容在充电状态时的充电电流和充电电压，计算所述超级电容的容值的步骤包括：根据C_n＝(t_n+1-t_n)*(I_n+I_n+1)/(U_n+1-U_n)/2，计算所述超级电容在各预定周期内的容值，其中，C_n为第n个周期的容值，t_n+1、I_n+1、U_n+1依次为所述第n+1个周期的时长、充电电流、充电电压，t_n、I_n、U_n依次为第n个周期的时长、充电电流、充电电压；根据各预定周期的容值确定所述超级电容的容值，

其中，在所述执行所述超级电容的容值检测操作的步骤之后，所述方法还包括：根据所述超级电容的容值确定后期再次对所述超级电容执行检测的执行周期。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取超级电容在无外接电源供电下且风电机组变桨至顺桨状态后的电压的步骤之前还包括：

驱动风电机组开桨至预设的工作角度；

控制所述超级电容与所述外接电源断开连接。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据各预定周期的容值确定所述超级电容的容值的步骤包括：

根据C_a,n＝(C_n+C_a,n-1)/2，计算各预定周期的有效容值，其中，C_a,n为第n个周期的有效容值；C_n为第n个周期的容值，C_a,n-1为第n-1个周期的有效容值；第1个周期的有效容值为C₁；

将所述各预定周期中的最后一个周期的有效容值确定为所述超级电容的容值。

4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，在所述控制所述超级电容处于充电状态的步骤之前还包括：

驱动风电机组在预设安全角度范围内往返变桨，直至所述超级电容的电压低于所述第二预定值后，停止驱动风电机组变桨。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，在所述执行所述超级电容的容值检测操作的步骤之后还包括：

若检测得到的所述超级电容的容值低于预设的安全值，则确定所述超级电容失效；

若检测得到的所述超级电容的容值不低于预设的安全值，则根据所述超级电容的容值以及获取的电压确定后期再次执行所述风电机组的超级电容检测方法的执行周期。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述超级电容的容值以及获取的电压确定后期再次执行所述风电机组的超级电容检测方法的执行周期的步骤包括：

若所述电压低于预设触发值，则所述执行周期为第一预定周期，否则为第二预定周期；或者，

若所述超级电容的容值高于预设标定值，或者小于预设标定值且二者差值低于预设标定值的10％，则所述执行周期为所述第二预定周期；如果所述差值不低于预设标定值的10％且低于预设标定值的20％，则所述执行周期为第三预定周期；如果所述差值不低于预设标定值的20％且低于预设标定值30％，则所述执行周期为第四预定周期。

7.据权利要求1-3、6中任一项所述的方法，其特征在于，触发执行所述风电机组的超级电容检测方法的触发方式包括：人工干预式触发、机组待机状态或机组无故障下的非发电状态触发、根据上次检测超级电容的容值结果触发。

8.一种风电机组的超级电容检测装置，其特征在于，所述装置包括：

电压获取模块，用于获取超级电容在无外接电源供电下且风电机组变桨至顺桨状态时的电压；

电容检测模块，用于在所述超级电容的电压大于第一预定值时，执行所述超级电容的容值检测操作，

其中，所述电容检测模块包括：

充电控制单元，用于控制所述超级电容处于充电状态；

容值计算单元，用于周期性监测充电电流和充电电压，并根据所述超级电容在充电状态时的充电电流和充电电压，计算所述超级电容的容值，

其中，所述容值计算单元包括：

数据记录子单元，用于在所述超级电容的充电电压由第二预定值提高至第三预定值期间内，记录各预定周期的充电电压和充电电流；

周期容值计算子单元，用于根据C_n＝(t_n+1-t_n)*(I_n+I_n+1)/(U_n+1-U_n)/2，计算所述超级电容在各预定周期内的容值，其中，C_n为第n个周期的容值，t_n+1、I_n+1、U_n+1依次为第n+1个周期的时长、充电电流、充电电压，t_n、I_n、U_n依次为第n个周期的时长、充电电流、充电电压；

容值确定子单元，用于根据C_a,n＝(C_n+C_a,n-1)/2计算各预定周期内的有效容值，并将所述各预定周期中的最后一个周期的有效容值确定为所述超级电容的容值；其中，C_a,n为第n个周期的有效容值；C_n为第n个周期的容值，C_a,n-1为第n-1个周期的有效容值；第1个周期的有效容值为C₁，

其中，在所述电容检测模块执行所述超级电容的容值检测操作之后，还根据所述超级电容的容值确定后期再次对所述超级电容执行检测的执行周期。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述装置集成在风电机组的变桨控制器中。