CN113991771B - 变桨系统超级电容充电器预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了变桨系统超级电容充电器预警方法，属于超级电容充电器技术领域，变桨系统包括超级电容、变桨电机、变频器、充电器、电网输入、控制器和数字量信号，变频器用于控制变桨电机运行，充电器用于在电网输入正常时为超级电容充电，控制器用于控制变桨系统运行，控制变频器运行，充电器输出的正极端与超级电容的正极端和变频器的正极端电连接，充电器输出的负极端与超级电容的负极端和变频器的负极端电连接，数字量信号是充电器反馈给控制器的开关量信号，本发明不会对超级电容电压造成过充，不会造成超级电容过电压等安全隐患，不需要对风力发电机进行停机检测，也不需要对充电进行技改或更换，能够有效地降低器件成本和人工成本。

Description

变桨系统超级电容充电器预警方法

技术领域

本发明涉及超级电容充电器技术领域，具体是变桨系统超级电容充电器预警方法。

背景技术

对变桨系统而言，由于变桨系统的充电器和后备电源是变桨系统正常运行、正常收桨的直接供电器件，因此当充电器出现输出故障后，或充电线路开路，或超级电容保险异常，都会导致充电器无法为驱动器及超级电容提供电能。然而，由于充电器的反馈信号只能对充电器输入电压的状态进行检测，而不能检测输出电压，当充电器输出异常后，控制器无法检测到故障，且随着电机调桨、耗能，会使超级电容电压迅速下降，超级电容电压下降到一定程度，一方面会引起驱动器故障，导致叶片发生卡桨；另一方面会导致风力发电机顺桨过程中能量不足，对机组安全造成较大的隐患。

变桨系统充电器的输入侧出现故障后，一般可以通过充电器的反馈信号进行检测；然而当输出侧、充电线路、电容保险异常后，通过充电器的反馈信号无法检测到。而目前检测，只能采用的方法为：

1)、监测超级电容电压值；这种方法只能对超级电容的下降幅度进行检测，即电压低于一定阈值后才触发故障，然而超级电容的耗能，只有在变桨发生调桨时才能消耗使电容电压下降，而多数情况下，风力发电机在风速达到额定风速之前是不进行调桨的，即电容没有耗能，所以这种方法不能及时检测出充电器输出是否异常；另一方面，检测到超级电容电压下降后，往往已经发生了故障，即这种方法不能实现预警；此外，这种方法不能对超级电容的保险进行检测(因为保险熔断后，电容电压是浮动值，而不是0值)；

2)、通过控制变桨调桨，使电机转动消耗电能，从而判断驱动器输出是否异常；这种方法在风力发电机正常调桨时可行，但在控制策略本不该调桨的情况下执行调桨操作，会影响机组的控制尤其会降低发电量，其原因是一般在桨距角为0度时，机组的发电机最大。另一方面，风力发电机的调桨动作需要时刻与风速的变化情况相匹配，而为检测而执行调桨动作，在风速突变时，容易引起控制异常以及风力发电机组振动；

3)、只在调桨时进行检测，其检测周期较短；多数风场而言属于三类风场，可能数天或更长时间处于未调桨状态。

发明内容

本发明的目的在于提供变桨系统超级电容充电器预警方法，它不会对超级电容电压造成过充，不会造成超级电容过电压等安全隐患，不需要对风力发电机进行停机检测，也不需要对充电进行技改或更换，能够有效地降低器件成本和人工成本。

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案：

变桨系统超级电容充电器预警方法，包括使用直流变频器的变桨系统，所述变桨系统包括超级电容、变桨电机、变频器、充电器、电网输入、控制器和数字量信号，所述变频器用于控制变桨电机运行，所述充电器用于在电网输入正常时为超级电容充电，所述控制器用于控制变桨系统运行，并控制变频器运行，所述充电器输出的正极端与超级电容的正极端和变频器的正极端电连接，所述充电器输出的负极端与超级电容的负极端和变频器的负极端电连接，所述数字量信号是充电器反馈给控制器的开关量信号，当充电器工作正常时，此开关量信号为高电平，当充电器发生异常后，此开关量信号为低电平。

作为本发明的一种优选方案，所述充电器的输出端电性连接充电电源。

作为本发明的一种优选方案，所述充电器为超级电容的充电过程为PID控制器控制，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。

作为本发明的一种优选方案，所述PID控制器的具体型号为SK-XMTB223-C3-00-P-T。

作为本发明的一种优选方案，所述充电器的控制一般为PI控制，即Kd＝0，以增量式PI为例，其计算公式为：

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

式(1)中，e(k)是本次偏差，e(k-1)是上次偏差，e(k-2)是上上次偏差，I(k)是PID控制器本次输出的电流值；

由式(1)可知，根据电流值和PID的参数Kp、Ki，可以得知当前的电压差值大小，设上次的电流值为I1，本次的电流值为I2，根据式(1)，可得：

I1＝Kp(e(k)-e(k-1))+Ki(e(k))…………………………………………(2)；

I2＝Kp(e(k+1)-e(k))+Ki(e(k+1))………………………………………(3)；

其中，在本发明所涉及的方法中，e(k-1)＝0，即从充电器(104)开始为超级电容(101)充电时开始检测超级电容(101)的容值；因此，根据式(2)，可计算出偏差值e(k)，根据式(3)和偏差值e(k)，可计算出e(k+1)，即当前的偏差值；I1、I2可由充电器输出采集得到。

作为本发明的一种优选方案，还包括检测方法，其控制和检测方法包括如下步骤：

步骤401，变桨长时间未调桨；

步骤402，电容电压值不高于额定值；

步骤403，变桨控制器通过通信控制充电器的充电额定电压升高一定幅值；

步骤404，检测过程未发生调桨；

步骤405，充电器的充电电流为0；

步骤406，变桨控制器输出充电器预警信息；

步骤407，变桨控制器通过通信控制充电器的充电额定电压恢复到初始值。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤401检测变桨系统是否长时间未调桨，若满足条件，则进入步骤402，若否，则直接进入步骤407。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤403具体是指：通过变频器与充电器之间的通信交互，控制充电器充电的额定电压。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤404中若满足条件则进入步骤405，若否，则直接进入步骤407。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤405若满足条件则进入步骤406，若否，则直接进入步骤407。

相比于现有技术，本发明的优点在于：

(1)本方案中利用充电器充电时的PID控制特性和PID参数，对变桨系统器件运行情况进行在线检测，由于充电器是PID控制，所以微小的电压差值就可以输出微小的电流，且不会对超级电容电压造成过充，不会造成超级电容过电压等安全隐患，检测过程不需要调桨，即变桨电机不需要转动，所以可以检测超级电容保险是否异常，检测过程中，不需要对变桨系统执行调桨动作，不会影响风力发电机的正常运行和控制，检测过程中，不需要改变超级电容的参数，不需要切断充电器，因此不会影响机组安全，在变桨系统充电器出现输出接线松动时或充电器输出出现故障后，可以提前检测并预警，以保持后备电源的能量，防止引起驱动器故障，防止卡桨故障，且由于超级电容的单体电压均设置有较多的余量，因此全部模组电压值升高0.5-2V，不会影响超级电容的安全。

(2)本方案由于超级电容保险熔断或故障后，充电器与超级电容之间相当于开路，因此其充电电流也会为0，所以本方案所涉及的方法还可以识别超级电容电压保险熔断的情况；而这种故障情况，在现场排查故障时很难发现，其原因是：超级电容保险回路位于与驱动器连接的回路，而电压采集是另一条回路，因此有可能出现电压采集正常，但超级电容不能为驱动器和变桨电机提供电能的情况。其次，超级电容电压保险熔断后，即使二者是同一条回路，其采集到的电压值也不是0V，而是一个浮动的电压值。

(3)本方案不需要对风力发电机进行停机检测，也不需要对充电进行技改或更换。因为对充电器进行批量更换，随着机组数量的增多，且每套变桨系统有三个充电器，所以其造成的器件成本和人工成本是非常巨大的，故，采用本方案所述涉及的检测方法能够有效地降低器件成本和人工成本。

附图说明

图1为本发明的变桨系统电源系统结构图。

图2为本发明的现场故障数据曲线。

图3为本发明的充电器特性曲线。

图4为本发明的预警检测流程图。

图中标号说明：

101、超级电容；102、变桨电机；103、变频器；104、充电器；105、电网输入；106、控制器；107、数字量信号。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

如图1所示，变桨系统超级电容充电器预警方法，包括使用直流变频器的变桨系统，变桨系统包括超级电容101、变桨电机102、变频器103、充电器104、电网输入105、控制器106和数字量信号107，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，充电器104输出的正极端与超级电容101的正极端和变频器103的正极端电连接，充电器104输出的负极端与超级电容101的负极端和变频器103的负极端电连接，数字量信号107是充电器104反馈给控制器106的开关量信号，当充电器104工作正常时，此开关量信号为高电平，当充电器104发生异常后，此开关量信号为低电平。

充电器104的输出端电性连接充电电源，当变桨电机102开始运行，充电器104会为超级电容101和变频器103充电提供电能，充电器104为超级电容101的充电过程为PID控制器控制，即输入量是超级电容101预设的电压值，反馈量是超级电容101实际的电压值，输出量为充电电流的大小，PID控制器的具体型号为SK-XMTB223-C3-00-P-T，由于充电器104是PID控制，所以微小的电压差值就可以输出微小的电流，且不会对超级电容101电压造成过充，不会造成超级电容101过电压等安全隐患。

如图2所示，现场运行数据曲线，横坐标为时刻值，纵坐标是各个参数的物理量；其中，曲线A是超级电容电压值，曲线B是叶片角度值，曲线C是驱动器故障字(0值表示驱动器无故障)；从图中可看出，从-200时刻开始，超级电容101电压迅速下降，到400时刻，由于超级电容101电压下降过低，导致叶片发生了卡桨，之后驱动器频繁触发了多次故障，故障根本原因是充电器输出出现异常，导致充电器不能再为超级电容充电，从而导致叶片卡桨，而本实施例中的充电器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101的电压值由于变桨电机102的耗能而下降时，充电器104开始为超级电容101充电，将充电器104的模式设置为维持模式，当风力发电机长时间未调桨时，通过软件控制超级电容101的充电电压提高0.5V或1V(不限于此值)，同时检测充电器104的充电电流，如果充电电流输出正常，则判断充电器输出无故障；如果充电电流异常，则判断充电器发生故障；判断结束后，恢复充电额定电压值。

充电器(104)的控制一般为PI控制，即Kd＝0，以增量式PI为例，其计算公式为：

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

式(1)中，e(k)是本次偏差，e(k-1)是上次偏差，e(k-2)是上上次偏差，I(k)是PID控制器本次输出的电流值；

由式(1)可知，根据电流值和PID的参数Kp、Ki，可以得知当前的电压差值大小，设上次的电流值为I1，本次的电流值为I2，根据式(1)，可得：

I1＝Kp(e(k)-e(k-1))+Ki(e(k))…………………………………………(2)；

I2＝Kp(e(k+1)-e(k))+Ki(e(k+1))………………………………………(3)；

其中，在本发明所涉及的方法中，e(k-1)＝0，即从充电器104开始为超级电容101充电时开始检测超级电容101的容值；因此，根据式(2)，可计算出偏差值e(k)，根据式(3)和偏差值e(k)，可计算出e(k+1)，即当前的偏差值；I1、I2可由充电器104输出采集得到。

如图3所示，充电器特性曲线，横坐标为时间，纵坐标为电压/电流值；其中，曲线E是超级电容电压，曲线F的充电器输出的充电电流，图中所示的额定电压为100V，从图中可知，当超级电容电压接近100V后，充电电流也逐渐降低，在达到100V一定时间后，充电电流值会变为0值；因此，在变桨系统未发生调桨时，由于耗能较少，因此充电器(104)的输出电流会为0值或为很小的值。而实际电压与额定电压设定值大于一定阈值后，充电器(104)会开始为超级电容(101)充电，并输出较大的充电电流。

如图4所示，变桨系统超级电容充电器预警方法，还包括检测方法，其控制和检测方法包括如下步骤：

步骤401，变桨长时间未调桨：将充电器的模式设置为维持模式，当风力发电机长时间未调桨时，通过软件控制超级电容的充电电压提高0.5V或1V(不限于此值)，同时检测充电器的充电电流，如果充电电流输出正常，则判断充电器输出无故障；如果充电电流异常，则判断充电器发生故障；判断结束后，恢复充电额定电压值，用充电器充电时的PID控制特性和PID参数，对变桨系统器件运行情况进行在线检测，检测变桨系统是否长时间未调桨，其目的是检测变桨电机没有耗能，超级电容电压相对稳定，此步骤的目的和意义是：检测变桨电机没有耗能，超级电容(101)电压相对稳定；同时其关键意义还在于，在变桨系统不需要调桨时，进行充电器(104)的检测，并发出告警信息，从而实现预警功能和故障的早期检测，以防止在需要调桨或紧急顺桨时出现异常，与只在调桨时进行检测相比，其优点是：由于多数风场而言属于三类风场，可能数天或更长时间处于未调桨状态，因此可以及时发现异常并发出预警；而与即时控制变桨电机执行调桨动作的方法相比，不需要改变风力发电机的控制策略，尤其不会由于风速突变而导致风力发电机组控制出现异常甚至出现机组振动；

步骤402，电容电压值不高于额定值：在检测前判断电容电压值不高于额定值，目的是防止上次检测后，在超级电容电压升高的情况时，致使超级电容电压再次升高，使超级电容触发过压故障，以保证超级电容的安全性；

步骤403，当变桨控制器判断检测条件满足后，变桨控制器通过通信控制充电器的充电额定电压升高一定幅值，此步骤具体是指，通过变频器103与充电器104之间的通信交互，控制充电器104充电的额定电压，例如，原额定电压为100V，可升高为100.5V；原额定电压为85V，可升高为85.5V，其中，升高的幅值不限于0.5V，还可以是1V，2V；按参数设置需综合考虑超级电容电压恢复初始额定值的时间长短，以保证下一次检测的实时性；

步骤404，检测过程未发生调桨：此步骤的目的是进一步检测变桨系统的工作状态，步骤404中若满足条件则进入步骤405，若否，则直接进入步骤407；

步骤405，充电器的充电电流为0：步骤405若满足条件则进入步骤406，若否，则直接进入步骤407，充电器的充电电流为0，则判断充电器输出、充电电流或超级电容保险出现异常，此时发出预警信息；如果充电电流不为0，则判断充电器及充电回路工作正常；

步骤406，变桨控制器输出充电器预警信息；

步骤407，变桨控制器通过通信控制充电器的充电额定电压恢复到初始值，此步骤的目的是，使超级电容电压可以迅速恢复到初始电压值，一方面方便按时间间隔进行下一次的检测。

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，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.变桨系统超级电容充电器预警方法，包括使用直流变频器的变桨系统，其特征在于：所述变桨系统包括超级电容(101)、变桨电机(102)、变频器(103)、充电器(104)、电网输入(105)、控制器(106)和数字量信号(107)，所述变频器(103)用于控制变桨电机(102)运行，所述充电器(104)用于在电网输入(105)正常时为超级电容(101)充电，所述控制器(106)用于控制变桨系统运行，并控制变频器(103)运行，所述充电器(104)输出的正极端与超级电容(101)的正极端和变频器(103)的正极端电连接，所述充电器(104)输出的负极端与超级电容(101)的负极端和变频器(103)的负极端电连接，所述数字量信号(107)是充电器(104)反馈给控制器(106)的开关量信号，当充电器(104)工作正常时，此开关量信号为高电平，当充电器(104)发生异常后，此开关量信号为低电平；

所述充电器(104)的输出端电性连接充电电源；

所述充电器(104)为超级电容(101)的充电过程为PID控制器控制，即输入量是超级电容(101)预设的电压值，反馈量是超级电容(101)实际的电压值，输出量为充电电流的大小；

所述PID控制器的具体型号为SK-XMTB223-C3-00-P-T；

所述充电器(104)的控制为PI控制，即Kd＝0，以增量式PI控制，其计算公式为：

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

式(1)中，e(k)是本次偏差，e(k-1)是上次偏差，e(k-2)是上上次偏差，I(k)是PID控制器本次输出的电流值；

由式(1)可知，根据电流值和PID的参数Kp、Ki，可以得知当前的电压差值大小，设上次的电流值为I1，本次的电流值为I2，根据式(1)，可得：

I1＝Kp(e(k)-e(k-1))+Ki(e(k))…………………………………………(2)；

I2＝Kp(e(k+1)-e(k))+Ki(e(k+1))………………………………………(3)；

其中，e(k-1)＝0，即从充电器(104)开始为超级电容(101)充电时开始检测超级电容(101)的容值；因此，根据式(2)，可计算出偏差值e(k)，根据式(3)和偏差值e(k)，可计算出e(k+1)，即当前的偏差值；I1、I2可由充电器(104)输出采集得到；

步骤401，将充电器的模式设置为维持模式，当风力发电机数天未调桨时，通过软件控制超级电容的充电电压提高0.5V或1V(不限于此值)，同时检测充电器的充电电流；

充电电流输出正常时，则判断充电器输出无故障；

充电电流异常时，则判断充电器发生故障，判断结束后，恢复充电额定电压值，用充电器充电时的PID控制特性和PID参数，对变桨系统器件运行情况进行在线检测，检测变桨系统是否数天未调桨，其目的是检测变桨电机没有耗能，超级电容电压相对稳定。

步骤402，超级电容电压值不高于额定值：在检测前判断电容电压值不高于额定值，目的是防止上次检测后，在超级电容电压升高的情况时，致使超级电容电压再次升高，使超级电容触发过压故障，以保证超级电容的安全性。

步骤403，变桨控制器通过通信控制充电器的充电额定电压升高一定幅值；

步骤404，检测过程未发生调桨；

步骤405，充电器的充电电流为0时，则判断充电器输出、充电电流或超级电容保险出现异常，此时发出预警信息；

充电电流不为0时，则判断充电器及充电回路工作正常；

步骤406，变桨控制器输出充电器预警信息；

步骤407，变桨控制器通过通信控制充电器的充电额定电压恢复到初始值。

2.根据权利要求1所述的变桨系统超级电容充电器预警方法，其特征在于：所述步骤401检测变桨系统是否长时间未调桨，若满足条件，则进入步骤402，若否，则直接进入步骤407。

3.根据权利要求2所述的变桨系统超级电容充电器预警方法，其特征在于，所述步骤403具体是指：通过变频器(103)与充电器(104)之间的通信交互，控制充电器(104)充电的额定电压。

4.根据权利要求3所述的变桨系统超级电容充电器预警方法，其特征在于：所述步骤404中若满足条件则进入步骤405，若否，则直接进入步骤407。

5.根据权利要求4所述的变桨系统超级电容充电器预警方法，其特征在于：所述步骤405若满足条件则进入步骤406，若否，则直接进入步骤407。