CN109298245B - 变桨系统中超级电容的检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种变桨系统中超级电容的检测方法和装置，方法包括：获取变桨系统中充电器在利用PID算法控制向超级电容充电的充电起始时刻及后续过程中的输出电流，PID算法采用的控制输入量为超级电容的给定电压值和实际电压值之间的电压偏差，给定电压值为固定值，在充电起始时刻的电压偏差为0；根据输出电流以及PID算法的控制逻辑计算电压偏差，并将电压偏差的变化量作为超级电容在充电过程中实际电压的变化量；根据超级电容在充电过程中的实际电压的变化量以及相应时间段内的输出电流计算超级电容的容值。本发明提供的方案，能够快速、方便、准确的检测风电机组的变桨系统中超级电容的容值，并且检测过程无需停机，可实现在线检测。

Description

变桨系统中超级电容的检测方法和装置

技术领域

本发明涉及风电技术领域，尤其涉及一种变桨系统中超级电容的检测方法和装置。

背景技术

风力发电机组(简称“风电机组”)正常运行时，当风速超过机组额定风速时，为了控制功率输出，变桨系统通过控制叶片的桨距角使风轮的转速保持恒定。当风机发生故障时，变桨系统会执行紧急收桨功能，实现气动刹车，保障机组安全。变桨系统在有电网正常供电的情况下，是依靠电网来工作；当电网发生故障时(比如电网掉电或低电压穿越)，变桨系统需要有后备电源来供电进行收桨操作，为了防止重大事故的发生，严格监控后备电源的性能至关重要。

超级电容功率密度高(可达300W/KG～5000W/KG，相当于普通电池的5～10倍)、充电速度快(充电10秒～10分钟可达到其额定容量的95％以上)、循环寿命长(>50万次)、工作温度范围宽(-40℃～+70℃)等优点，非常适用于风电机组变桨系统严酷的工作环境。

但是，超级电容的单体击穿、开路，电参数变化(包括电容量超差、损耗角正切值增大、绝缘性能下降或漏电流上下漂升等)，环境湿度，使用时间长短等因素，都会导致超级电容的容值下降，有效能量减少甚至失效，严重危害风电机组的安全性和可靠性。所以对超级电容的容值的检测，十分重要和必要。而对超级电容的容值检测的精度如果不高，会触发机组误报警，引起不必要的停机，或造成超级电容不必要的浪费，所以对容值检测精度的要求也十分必要。

目前，针对风电机组中变桨系统的超级电容的检测方法存在如下几种：

1)风电机组停机模式下，切断充电器的输出，通过电机等耗能设备消耗超级电容的能量，之后再接通充电器为超级电容充电，在充电过程中测试超级电容的容值；这种方法由于要先切断充电器的输出，所以必须要在停机模式下测试，不能实现在线检测(风电机组运行时检测)；此外，这种方法不利于实现自动测试，因为自动测试只能采用定时测量的方法，自动测量时间一到，所有的风电机组全部脱网进行容值检测，一方面会影响发电量，另一方面由于风电机组的批量脱网，还可能会引起电网波动；而手动测试模式下，由于要切断充电器，为安全起见，一般为三个叶片逐个测试，所以整个测试时间较长，一般需要15分钟，对整个风电场而言，发电量损失不容小视；

2)风电机组在运行过程中，直接切断充电器一段时间的输出，等待超级电容下降一定数值后，再接通充电器为超级电容充电；这种方法的缺点是：由于检测超级电容的目的是为了监测超级电容的性能，而在不知道超级电容性能的情况下，切断充电器，对风电机组的安全有一定的隐患；

3)使用放电装置，由人工对超级电容进行放电检测，这种方法需要停机且需要测试人员登上风电机组进行测试，其人工成本和时间成本都较高。

发明内容

本发明实施例提供的一种变桨系统中超级电容的检测方法和装置，能够快速、方便、准确的检测风电机组的变桨系统中超级电容的容值，并且检测过程无需停机，可实现在线检测。

为达到上述目的，本发明实施例提供了一种变桨系统中超级电容的检测方法，包括：

获取变桨系统中充电器在利用PID算法控制向超级电容充电的充电起始时刻及后续过程中的输出电流，所述PID算法采用的控制输入量为所述超级电容的给定电压值和实际电压值之间的电压偏差，所述给定电压值为固定值，在所述充电起始时刻的所述电压偏差为0；

根据所述输出电流以及所述PID算法的控制逻辑计算所述电压偏差，并将所述电压偏差的变化量作为所述超级电容在充电过程中实际电压的变化量；

根据所述超级电容在充电过程中的实际电压的变化量以及相应时间段内的所述输出电流计算所述超级电容的容值。

本发明实施例还提供了一种变桨系统中超级电容的检测装置，包括：

电流获取模块，用于获取变桨系统中充电器在利用PID算法控制向超级电容充电的充电起始时刻及后续过程中的输出电流，所述PID算法采用的控制输入量为所述超级电容的给定电压值和实际电压值之间的电压偏差，所述给定电压值为固定值，在所述充电起始时刻的所述电压偏差为0；

电压计算模块，用于根据所述输出电流以及所述PID算法的控制逻辑计算所述电压偏差，并将所述电压偏差的变化量作为所述超级电容在充电过程中实际电压的变化量；

电容计算模块，用于根据所述超级电容在充电过程中的实际电压的变化量以及相应时间段内的所述输出电流计算所述超级电容的容值。

本发明实施例的变桨系统中超级电容的检测方法和装置，基于充电器在向超级电容进行控制充电时所采用的控制过程及PID算法，获取用于计算超级电容的容值所需要的计算参数，包括超级电容在充电过程中的电压的变化量以及对应时段内的充电电流，然后基于这些计算参数计算容值。由于该方案中借助了充电器控制超级电容的PID算法及相应的控制装置，不需要额外设置检测装置去检测超级电容的电压、电流值，降低了检测成本。由于借助了充电器的充电控制装置及PID算法，因此在计算精度上也更加准确，并且检测过程无需停机，可实现在线检测。

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，而并不认为是对本申请的限制。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为本发明实施例提供的变桨系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的变桨系统中超级电容在充电过程中的参数变化图；

图3为本发明实施例提供的变桨系统中超级电容的检测方法流程图一；

图4为本发明实施例提供的变桨系统中超级电容的检测方法流程图二；

图5为本发明实施例提供的变桨系统中超级电容的检测装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

图1为本发明实施例提供的变桨系统的结构示意图，结构中包括超级电容101、变桨电机102、变频器103、充电器104、电网输入侧105、控制器106；

其中，超级电容101的作用是电网输入侧发生异常时，继续为变频器103提供电源；变频器103用于控制变桨电机102运行；充电器104用于在电网输入105正常时，为超级电容101充电；控制器106用于控制变桨系统运行，并控制变频器103运行，控制器106与充电器104以通信的方式进行数据交互。

如图中所示，充电器104的输出的“+”端与超级电容101的“+”端、变频器103的“+”端电连接；充电器104的输出的“-”端与超级电容101的“-”端、变频器103的“-”端电连接；

其中，充电器104的工作原理为：充电器104实时监测超级电容101的电压值，并与预设的电压值进行比较，当超级电容的电压值由于变桨电机102的耗能而下降，低于预设电压值时，充电器104开始为超级电容101充电，其充电过程为PID(Proportion IntegrationDifferentiation，比例积分微分)控制，即输入量是超级电容预设的电压值，反馈量是超级电容实际的电压值，输出量为充电电流的大小。

如图2所示，为图1所示的变桨系统在控制器104控制向超级电容充电时，超级电容的参数的变化图。如中所示，超级电容101在充电过程中，其充电电流是呈阶梯型变化的，在第k个采样点对应的输出电流I(k)为充电器104以预设的电压值，即给定电压值(固定值)与相应时刻下超级电容101的实际电压值之间的偏差e(k)作为控制输入量，经PID控制后输出至超级电容101上的充电电流。在第k个采样点到第k+1个采样点所经历的Δt内，即I(k)的持续时间内，超级电容101的给定电压值与实际电压值之间的偏差从e(k)变化为e(k+1)，而由于给定电压值为固定值，因此该偏差的变化量即为超级电容101在Δt内实际电压值的变化量。基于Δt内，经PID控制所输出的充电电流，以及超级电容101的实际电压值的变化量可以计算超级电容101的容值。更上位的说，如果能在变桨系统中充电器在利用PID算法控制向超级电容充电的充电起始时刻及后续过程中的某个时间段内获取到的电压偏差的变化量情况以及相应时段内电流值的情况，就可以利用求解电容的定义公式得到电容101的容值。

下面通过多个实施例来进一步说明本申请的技术方案。

图3为本发明实施例提供的变桨系统中超级电容的检测方法流程图一，该方法的执行主体可以为变桨系统中的控制器。如图3所示，该方法包括如下步骤：

S310，获取变桨系统中充电器在利用PID算法控制向超级电容充电的充电起始时刻及后续过程中的输出电流，PID算法采用的控制输入量为超级电容的给定电压值和实际电压值之间的电压偏差，其中，给定电压值为固定值，在充电起始时刻的电压偏差为0。

结合图1和图2所示的变桨系统的结构，以及充电器通过PID算法控制向超级电容充电的原理过程，本实施例所适用的PID算法，其输出量是作为充电电流的输出电流，输入控制量为超级电容的给定电压值和实际电压值之间的电压偏差，而采用的具体PID算法的形式并不做限定，例如可以采用但不局限于PID算法中的增量式PI算法。

在利用PID控制通过充电器向超级电容充电的控制过程中，输出电流可以通过监测PID控制的输出端口得到。

S320，根据输出电流以及PID算法的控制逻辑计算电压偏差，并将电压偏差的变化量作为超级电容在充电过程中实际电压的变化量。

在PID控制过程中，作为输入控制量的电压偏差，是通过给定电压值和超级电容的实际电压值在PID控制的闭环反馈中计算得到的，从外部只能看到输入的给定电压值和输出电流值。因此，要想计算电压偏差的变化量还需要从电压偏差(输入)、PID算法(逻辑处理)和输出电流(输出)之间的关系进行计算。

具体地，在采集到充电器控制超级电容进行充电的输出电流后，可以利用已知的PID算法，反推出作为输入控制量的电压偏差，然后将电压偏差的变化量作为超级电容在充电过程中的实际电压值的变化量。

S330，根据超级电容在充电过程中的实际电压的变化量以及相应时间段内的输出电流计算超级电容的容值。

在得到超级电容在充电过程中的一段时间内的充电电流(上述输出电流)以及该时间段内电容的实际电压变化量后，就可以根据电容的定义式，计算超级电容的容值。

本实施例提供的变桨系统中超级电容的检测方法，通过获取变桨系统中充电器在利用PID算法控制向超级电容充电的充电起始时刻及后续过程中的输出电流；然后根据输出电流以及PID算法的控制逻辑计算PID算法的输入控制量，即电压偏差，然后将电压偏差的变化量作为超级电容在充电过程中实际电压的变化量；最后根据超级电容在充电过程中的实际电压的变化量以及相应时间段内的输出电流计算超级电容的容值，从而提高计算超级电容的容值的准确性和计算效率。并且检测过程无需停机，可实现在线检测。

实施例二

图4为本发明实施例提供的变桨系统中超级电容的检测方法流程图二，该方法可视为图3所示方法的一种具体实现方式。如图4所示，该方法包括如下步骤：

S410，获取充电器在利用PID算法控制向超级电容充电过程中的各输出电流值，以及每个输出电流值的持续时间。该步骤可视为步骤S310的细化内容。

具体地，结合图2中所示的超级电容在充电过程中的参数变化，在获取PID算法输出的用于超级电容充电的电流时，可对输出电流值进行统计，以得到各输出电流值，以及其对应的持续时间。例如图2中对于输出电流值I(k)其对应的持续时间为Δt。

S420，利用PID算法的控制逻辑，计算超级电容充电过程中的各输出电流值在其对应的持续时间内，超级电容对应的电压偏差，并将持续时间内电压偏差的变化量作为超级电容在该持续时间内的实际电压的变化量。该步骤可视为步骤S320的细化内容。

具体地，结合图2中所示的超级电容在充电过程中的参数变化，在得到每个输出电流值后，利用PID算法的控制逻辑，反推出产生该输出电流值的电压偏差。例如图2中，I(k)对应的电压偏差为e(k)，I(k+1)对应的电压偏差为e(k+1)，因此在I(k)对应的持续时间Δt内，超级电容的电压偏差从e(k)变化为e(k+1)。该电压偏差的变化量即为超级电容在持续时间Δt内实际电压值的变化量。

S430，根据：

C＝IΔt/ΔU…………………………………………………(1)

计算超级电容的容值C；其中，I为超级电容充电过程中的一个持续时间内的输出电流值，Δt为该输出电流值的持续时间，ΔU为该持续时间内超级电容的实际电压的变化量。

例如，结合图2中所示的参数，上述(1)可为：

C＝I(k)Δt/[e(k+1)-e(k)]………………………………………(2)

具体地，结合图2所示的参数，以PID算法为增量式PI算法为例，对上述计算电容的容值的过程进行说明如下：

充电器的充电控制采用PI控制，即微分系数Kd＝0，以增量式PI为例，其PID算法的公式为：

I(k)＝Kp(e(k)-e(k-1))+Ki(e(k))+0*(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))…………(3)

由式(3)可知，在已知输出电流值I(k)和PI的参数：比例系数Kp、积分系数Ki，可以反推出当前的电压偏差e(k)。

首先根据式(3)可得图2中：

I(k)＝Kp(e(k)-e(k-1))+Ki(e(k))；…………………………………(4)

I(k+1)＝Kp(e(k+1)-e(k))+Ki(e(k+1))；……………………………(5)

反推出：

e(k)＝[I(k)+Kp(e(k-1))]/(Kp+Ki)…………………………………(6)

e(k+1)＝[I(k+1)+Kp(e(k))]/(Kp+Ki)………………………………(7)

从式(6)、(7)可以分析出，如果想得到第k+1个电压偏差e(k+1)还需要已知第k个电压偏差e(k)的具体值，而如果想得到第k个电压偏差e(k)还需要已知第k-1个电压偏差e(k-1)的具体值，依此类推，只要知道充电起始时刻的电压偏差e(0)的具体值就可以按上述公式迭代计算任一电压偏差e(k)的值。由于在充电器在对超级电容初始充电时，超级电容上的电流为0，实际的电压值即为给定电压值，所以初始时刻的电压偏差e(0)＝0，本方法也是从充电器开始为超级电容充电时开始检测超级电容的容值。

根据超级电容的容值、电量、电压的关系，即上述公式(1)可以得出超级电容的容值为：

C＝I(k)Δt/{[I(k+1)+Kp(e(k))]/(Kp+Ki)-e(k)}…………(8)

其中，式(8)中的[I(k+1)+Kp(e(k))]/(Kp+Ki)-e(k)即为图2中Δt对应的超级电容实际电压值的变化量，即e(k+1)-e(k)；式(8)中的Δt是I(k)的持续时间。

本发明实施例的变桨系统中超级电容的检测方法，在图3所示方法的基础上，对各步骤内容进行了细化，并以增量式的PI算法作为充电器向超级电容充电的PID算法为例，详细阐述了超级电容的容值的检测过程。增量式的PI算法简单，方便计算容值。

实施例三

图5为本发明实施例提供的变桨系统中超级电容的检测装置的结构示意图，该检测装置用于执行上述实施例中所示的方法步骤。如图5所示，该检测装置包括：

电流获取模块510，用于获取变桨系统中充电器在利用PID算法控制向超级电容充电的充电起始时刻及后续过程中的输出电流，PID算法采用的控制输入量为所述超级电容的给定电压值和实际电压值之间的电压偏差，给定电压值为固定值，在充电起始时刻的所述电压偏差为0；

电压计算模块520，用于根据输出电流以及PID算法的控制逻辑计算电压偏差，并将电压偏差的变化量作为超级电容在充电过程中实际电压的变化量；

电容计算模块530，用于根据超级电容在充电过程中的实际电压的变化量以及相应时间段内的所述输出电流计算所述超级电容的容值。

进一步地，上述电流获取模块510具体用于，

获取充电器在利用PID算法控制向超级电容充电过程中的各输出电流值，以及每个输出电流值的持续时间。

进一步地，上述电压计算模块520具体用于，

利用PID算法的控制逻辑，计算超级电容充电过程中的各输出电流值在其对应的持续时间内，超级电容对应的电压偏差，并将持续时间内电压偏差的变化量作为所述超级电容在该持续时间内的实际电压的变化量。

进一步地，上述电容计算模块530具体用于，

根据：

C＝IΔt/ΔU

计算超级电容的容值C；其中，I为超级电容充电过程中的一个持续时间内的输出电流值，Δt为该输出电流值的持续时间，ΔU为该持续时间内超级电容的实际电压的变化量。

进一步地，上述PID算法为增量式PI算法；

相应的，电容计算模块530具体用于，

根据：

C＝I(k)Δt/{[I(k+1)+Kp(e(k))]/(Kp+Ki)-e(k)}

计算超级电容的容值C；其中，I(k)、I(k+1)依次为超级电容充电过程中第k、k+1个输出电流值，Δt为I(k)的持续时间，e(k)为I(k)对应的电压偏差，Kp、Ki依次为增量式PI算法中的比例系数和积分系数；

[I(k+1)+Kp(e(k))]/(Kp+Ki)-e(k)为Δt内超级电容的实际电压的变化量。

本发明实施例的变桨系统中超级电容的检测装置，通过获取变桨系统中充电器在利用PID算法控制向超级电容充电过程中的输出电流；然后根据输出电流以及PID算法的控制逻辑计算PID算法的输入控制量，即电压偏差，然后将电压偏差的变化量作为超级电容在充电的充电起始时刻及后续过程中实际电压的变化量；最后根据超级电容在充电过程中的实际电压的变化量以及相应时间段内的输出电流计算超级电容的容值，从而提高计算超级电容的容值的准确性和计算效率。，并且检测过程无需停机，可完全实现在线检测。

进一步地，在拓展的实施方式中，对各步骤内容进行了细化，并以增量式的PI算法作为充电器向超级电容充电的PID算法为例，详细阐述了超级电容的容值的检测过程。增量式的PI算法简单，方便计算容值。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种变桨系统中超级电容的检测方法，其特征在于，包括：

获取变桨系统中充电器在利用PID算法控制向超级电容充电的充电起始时刻及后续过程中的输出电流，所述PID算法采用的控制输入量为所述超级电容的给定电压值和实际电压值之间的电压偏差，所述给定电压值为固定值，在所述充电起始时刻的所述电压偏差为0；

根据所述输出电流以及所述PID算法的控制逻辑反推出所述电压偏差，并将所述电压偏差的变化量作为所述超级电容在充电过程中实际电压的变化量；

根据所述超级电容在充电过程中的实际电压的变化量以及相应时间段内的所述输出电流计算所述超级电容的容值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取变桨系统中充电器在利用PID算法控制向超级电容充电的充电起始时刻及后续过程中的输出电流，包括：

获取所述充电器在利用PID算法控制向所述超级电容充电过程中的各输出电流值，以及每个所述输出电流值的持续时间。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述输出电流以及所述PID算法的控制逻辑反推出所述电压偏差，并将所述电压偏差的变化量作为所述超级电容在充电过程中实际电压的变化量，包括：

利用所述PID算法的控制逻辑，计算所述超级电容充电过程中的各所述输出电流值在其对应的所述持续时间内，所述超级电容对应的所述电压偏差，并将所述持续时间内所述电压偏差的变化量作为所述超级电容在该持续时间内的实际电压的变化量。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述超级电容在充电过程中的实际电压的变化量以及相应时间段内的所述输出电流计算所述超级电容的容值，包括：

根据：

C＝IΔt/ΔU

计算所述超级电容的容值C；其中，I为所述超级电容充电过程中的一个持续时间内的所述输出电流值，Δt为该输出电流值的持续时间，ΔU为该持续时间内所述超级电容的实际电压的变化量。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述PID算法为增量式PI算法；

所述根据所述超级电容在充电过程中的实际电压的变化量以及相应时间段内的所述输出电流计算所述超级电容的容值，包括：

根据：

C＝I(k)Δt/{[I(k+1)+Kp(e(k))]/(Kp+Ki)-e(k)}

计算所述超级电容的容值C；其中，I(k)、I(k+1)依次为所述超级电容充电过程中第k、k+1个输出电流值，Δt为所述I(k)的持续时间，e(k)为所述I(k)对应的电压偏差，Kp、Ki依次为所述增量式PI算法中的比例系数和积分系数；

所述[I(k+1)+Kp(e(k))]/(Kp+Ki)-e(k)为所述Δt内超级电容的所述实际电压的变化量。

6.一种变桨系统中超级电容的检测装置，其特征在于，包括：

电流获取模块，用于获取变桨系统中充电器在利用PID算法控制向超级电容充电的充电起始时刻及后续过程中的输出电流，所述PID算法采用的控制输入量为所述超级电容的给定电压值和实际电压值之间的电压偏差，所述给定电压值为固定值，在所述充电起始时刻的所述电压偏差为0；

电压计算模块，用于根据所述输出电流以及所述PID算法的控制逻辑反推出所述电压偏差，并将所述电压偏差的变化量作为所述超级电容在充电过程中实际电压的变化量；

电容计算模块，用于根据所述超级电容在充电过程中的实际电压的变化量以及相应时间段内的所述输出电流计算所述超级电容的容值。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述电流获取模块具体用于，

获取所述充电器在利用PID算法控制向所述超级电容充电过程中的各输出电流值，以及每个所述输出电流值的持续时间。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述电压计算模块具体用于，

利用所述PID算法的控制逻辑，计算所述超级电容充电过程中的各所述输出电流值在其对应的所述持续时间内，所述超级电容对应的所述电压偏差，并将所述持续时间内所述电压偏差的变化量作为所述超级电容在该持续时间内的实际电压的变化量。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述电容计算模块具体用于，

根据：

C＝IΔt/ΔU

计算所述超级电容的容值C；其中，I为所述超级电容充电过程中的一个持续时间内的所述输出电流值，Δt为该输出电流值的持续时间，ΔU为该持续时间内所述超级电容的实际电压的变化量。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述PID算法为增量式PI算法；

所述电容计算模块具体用于，

根据：

C＝I(k)Δt/{[I(k+1)+Kp(e(k))]/(Kp+Ki)-e(k)}

计算所述超级电容的容值C；其中，I(k)、I(k+1)依次为所述超级电容充电过程中第k、k+1个输出电流值，Δt为所述I(k)的持续时间，e(k)为所述I(k)对应的电压偏差，Kp、Ki依次为所述增量式PI算法中的比例系数和积分系数；

所述[I(k+1)+Kp(e(k))]/(Kp+Ki)-e(k)为所述Δt内超级电容的所述实际电压的变化量。

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