CN207039207U - 一种风电机组变桨超级电容内阻补偿的充电回路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种风电机组变桨超级电容内阻补偿的充电回路，包括两个分压电阻和电阻，两个分压电阻分别为一号分压电阻和二号分压电阻，一号分压电阻和二号分压电阻之间串联电阻，其特征在于：所述电阻为调压电阻，调压电阻两端并联有内阻检测回路，内阻检测回路与调压电阻并联，内阻检测回路与调压电阻组成的并联电路串联在一号分压电阻和二号分压电阻之间。

Description

一种风电机组变桨超级电容内阻补偿的充电回路

技术领域

本实用新型涉及一种风电机组变桨超级电容内阻补偿的充电回路，属于风电机组运行控制领域。

背景技术

风电是目前技术比较成熟、实用化程度较高、商业开发价值和市场竞争力较强的能源利用形式，近些年获得长足发展，根据国家能源局统计数据，截至2016年9月底，中国风电累计并网装机容量接近1.4亿千瓦。随着规模的快速增长，行业内对机组设备运行可靠性的关注也逐步升温，初步统计，因风电机组故障损失的电量占机组理论发电量的1％～3％，在机组全部故障中，变桨系统发生的缺陷、故障占有相当的比例，其中以变桨变流器、变桨电机、滑环、变桨后备电源损坏比较集中，尤以变桨后备电源最为突出。目前风电机组使用的变桨后备电源主要有两类，一类是电化学电池如铅酸蓄电池，一类是电气类电池如超级电容；铅酸蓄电池具有技术成熟、价格便宜、性能稳定等诸多优点在风电机组变桨系统中得到广泛应用，近年来由于超级电容具有寿命长、充电特性好等优点，其在风电机组变桨系统中的应用范围有扩大的趋势。虽然超级电容有较多优点，但在实际运行时也发生多种原发、继发故障，比如超级电容失配、过热、过充、欠充以及因变桨超级电容欠充引起电压过低报警造成的机组无法启动等故障，深入分析发现原充电电路存在部分设计缺陷。

中国专利200610152556.8公开了一种具有输出电压补偿的充电器电路，包括一交流转直流电路、一输出接口、一充电控制电路以及一补偿电路，其中该交流转直流电路将交流电源转换为一直流电源，该直流电源经该变压器升压后通过该输出接口对电池充电，并利用该充电控制电路提高输出接口的电压以加速对电池充电，再借由该补偿电路进一步补偿被线路损耗的电压。该方案补偿效果有限，对电容出现的问题响应与反应能力有限。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种结构设计合理，维持稳定充电电压的风电机组变桨超级电容内阻补偿的充电回路。

本实用新型解决上述问题所采用的技术方案是：一种风电机组变桨超级电容内阻补偿的充电回路，包括两个分压电阻和电阻，两个分压电阻分别为一号分压电阻和二号分压电阻，一号分压电阻和二号分压电阻之间串联电阻，其特征在于：所述电阻为调压电阻，调压电阻两端并联有内阻检测回路，内阻检测回路与调压电阻并联，内阻检测回路与调压电阻组成的并联电路串联在一号分压电阻和二号分压电阻之间。

所述内阻检测回路为超级电容与超级电容等效串联电阻串联。

一种风电机组变桨超级电容内阻补偿的充电回路的控制方法，其特征在于：依次包括如下步骤：

S1：根据设计选定的分压电阻阻值，按照超级电容等效串联电阻运行范围，选择调压电阻规格参数；

S2：在充电电压设定值环节加入超级电容等效串联电阻影响的修正量，在充电电压设定曲线基础上根据超级电容等效串联电阻变化进行设定值修正；

S3：根据充电电压设定值，计算分压电阻设定值，发送电阻设定值指令，控制调压电阻阻值。

调压电阻接受来自充电控制模块的调节指令，执行调节电阻指令，并将执行结果反馈入控制模块。选用可控调压电阻代替原定值电阻，使得充电电压可调、可控。

调压电阻规格参数是指调压电阻阻值的范围为充电回路两端总电压为且为定值，调压电阻两端总电压设定基准值为超级电容等效串联电阻基准值为超级电容两端的充电电压为调压电阻初值为一号分压电阻为二号分压电阻为则二者之间的关系为：

当发生变化时，由变为此时流过超级电容C的充电电压指令应为：

其中，与的变化方向有关，当较升高且时，增大，直至增大到当较降低且时，减小，直至降低到ζ为调节死区；对应修正后的由下列公式计算而得：

调压电阻阻值范围根据电容内阻实际运行范围结合当地环境条件综合选择。调压电阻阻值调节指令由电路结构及其器件参数，以及电压调节指令计算而得，原理清晰。

一种基于超级电容等效串联电阻的充电电压补充方法，用于控制风电机组变桨超级电容内阻补偿的充电回路，其特征在于：在一个充电周期内，实时检测超级电容等效串联电阻变化，当超级电容等效串联电阻升高超过时增大充电电压；当超级电容等效串联电阻减小超过时降低充电电压。在一个充电周期内，实时检测电容内阻变化，当内阻升高超过一定限值时增大充电电压，防止电源欠充，当内阻减小超过一定限值时降低充电电压，防止电源过充；同时还考虑了电压修正偏差值的上下限，避免过度调节。

本实用新型包括两部分内容，一是将分压电阻由定值电阻改为可控的调压电阻；二是调整控制策略，重新设计控制回路，在控制电路中加入内阻检测回路，根据周期性采集到的超级电容等效串联电阻，作为电源充电电压设定值修正偏差，再根据此电压调节可控调压电阻阻值。通过实时检测超级电容等效串联电阻(内阻)变化，根据当前内阻与基准内阻之间差值进行充电电压修正，从而确保获得电容所需充电电压，内阻升高时适当提高充电电压，保证充电效果；内阻减小时适当降低充电电压，防止过充导致电容超温。本实用新型提出的方法对环境温度以及充电过程中出现的电容内阻变化具有良好的应用效果，实际内阻运行范围较原设计有较大改善，很好地解决了原设计中出现充电完成后电源工作电压偏低以及充电过程中电容温度偏高的情况。

附图说明

图1是本实用新型对比组电动变桨系统典型的超级电容充电回路。

图2是本实用新型实施例1和2的充电电路电气原理示意图。

图3是本实用新型实施例1和2的充电电路控制逻辑原理示意图。

图4是本实用新型实施例1和2的步骤示意图。

图5是本实用新型实施例1和2的实施示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本实用新型作进一步的详细说明，以下实施例是对本实用新型的解释而本实用新型并不局限于以下实施例。为描述形象，调压电阻均描述为可控调压电阻3。

参见图1至图5。

对比组。

图1是电动变桨系统典型的超级电容充电回路，入口电压经R214.4、R214.4.1、R214.5、R214.6电阻分压后，提供满足电源要求的充电电压。一般而言超级电容完成一次放电后，充电回路采取三段式充电法(即先恒流、再恒压最后再恒流)完成充电，超级电容容量和端口电压恢复正常，正常运行时，采取浮充的方式补偿超级电容自放电，但现场实际发现冬季时电源端口电压经常报电压低的故障报警信息，夏季时电容外壳发生过热、鼓胀等情况，分析后发现环境温度以及电容自身温度发生变化引起等效串联内阻变化，冬季时内阻升高，相应的夏季时内阻降低，原充电电压不能适应内阻变化要求，冬季时欠充、夏季时过充。

针对这种情况，目前部分设计单位已经进行了调整，比如根据冬夏季变化，调整充电回路两端即X214.3第1、第7个两个端口的总电压，冬季时适当提高充电电压，夏季时适当降低充电电压，一定程度上改善了充电回路对超级电容5内阻温度特性的不适应性，但充电回路两端总电压调节由变桨变频器实现，由于变频器参数限制，电压调节范围有限且充电回路分压电阻是定值电阻(忽略电阻随温度变化的自然影响)，相对来说超级电容5两端的实际充电电压调整范围较有限，且超级电容5在充电过程中内部温度也会上升引起内阻变化，原电路不能很好地解决内阻变化时对充电电压调整的要求，电路在结构设计上存在一定缺陷。

实施例1。

本实施例为一种风电机组变桨超级电容内阻补偿的充电回路，包括两个分压电阻和电阻，两个分压电阻分别为一号分压电阻1和二号分压电阻2，一号分压电阻1和二号分压电阻2之间串联电阻，电阻为可控调压电阻3，可控调压电阻3两端并联有内阻检测回路，内阻检测回路与可控调压电阻3并联，内阻检测回路与可控调压电阻3组成的并联电路串联在一号分压电阻1和二号分压电阻2之间。内阻检测回路为超级电容5与超级电容等效串联电阻4串联。

本实施例的的控制方法，依次包括如下步骤：

S1：根据设计选定的分压电阻阻值，按照超级电容5等效串联电阻运行范围，选择可控调压电阻3规格参数；

S2：在充电电压设定值环节加入超级电容等效串联4电阻影响的修正量，在充电电压设定曲线基础上根据超级电容等效串联电阻4变化进行设定值修正；

S3：根据充电电压设定值，计算分压电阻设定值，发送电阻设定值指令，控制可控调压电阻3阻值。

可控调压电阻3接受来自充电控制模块的调节指令，执行调节电阻指令，并将执行结果反馈入控制模块。选用可控调压电阻3代替原定值电阻，使得充电可控调压电阻3可控、可调。

可控调压电阻3规格参数是指可控调压电阻3阻值的范围为充电回路两端总电压为且为定值，可控调压电阻3两端总电压设定基准值为超级电容等效串联电阻4基准值为超级电容5两端的充电电压为可控调压电阻3初值为一号分压电阻1为二号分压电阻2为超级电容5容量为C,则 二者之间的关系为：

当发生变化时，由变为此时流过超级电容5的充电电压指令应为：

其中，与的变化方向有关，当较升高且时增大，直至增大到当较降低且时，减小，直至降低到ζ为调节死区；对应修正后的由下列公式计算而得：

可控调压电阻3阻值范围根据超级电容等效串联4实际运行范围结合当地环境条件综合选择。可控调压电阻3阻值调节指令由电路结构及其器件参数，以及电压调节指令计算而得，原理清晰。

一种基于超级电容等效串联电阻的充电电压补充方法，用于控制风电机组变桨超级电容内阻补偿的充电回路：在一个充电周期内，实时检测超级电容等效串联电阻4的阻值变化，当超级电容等效串联电阻4升高超过时增大充电电压；当超级电容等效串联电阻4减小超过时降低充电电压。在一个充电周期内，实时检测超级电容等效串联电阻4变化，当超级电容等效串联电阻4升高超过一定限值时增大充电电压，防止电源欠充，当超级电容等效串联电阻4减小超过一定限值时降低充电电压，防止电源过充；同时还考虑了电压修正偏差值的上下限，避免过度调节。

选择一台机组作为风力发电机组变桨系统作为改造对象，收集整理变桨系统特别是变桨后备电源、充电模块、变桨变流器设计规范、规格参数等技术说明资料；

停止机组运行，在电源正负两个端口安装在线式内阻检测装置，该装置应能与变桨轴控柜控制单元进行通讯，将阻值上传至轴控柜。完成内阻检测装置安装后，重新启动机组，连续运行一年以上，根据检测到的内阻阻值、环境温度的变化范围，结合当地30年温度变化范围，综合确定后备超级电容电源可能的阻值范围。

用可控调压电阻3代替原充电电路中的定值调压电阻，根据阻值范围，参照超级电容5器件充电电压要求，通过公式(2)、(4)计算可控调压电阻3调值范围。可控调压电阻3能执行机构与轴控柜控制模块动作信号相连，执行控制模块调压指令，且执行结果能反馈会控制模块。

重新设计充电控制逻辑，在基准充电电压基础上加入内阻补偿值，当可控调压电阻3偏差基准内阻超过限值时，计算电压调整偏差输入控制逻辑，一个控制周期内计算一次调压指令，向可控调压电阻3发送模拟量指令，并根据可控调压电阻3反馈的电阻值进行后续调节。

实施例2。

宁夏某风场冬夏两季温度相差30℃，测得后备电源外壳冬夏两季温度相差超过50℃，原充电控制模块根据以10月-3月、4月-9月两段为冬夏两季对开关电源输出进行电压微调。安装内阻检测仪，运行一年，以25℃对应下的内阻为基准内阻，按月统计，测得实际内阻在基准上下25％-30％范围内波动。

根据原充电电路，计算可控调压电阻3阻值调整范围在0至1.43倍原标称电阻，据此选择可控调压电阻3阻值调整范围为0至1.5倍原标称电阻，更换充电回路，用可控调压电阻3代替原定值电阻。

设计基于可控调压电阻3的充电控制模块，控制周期选择150ms，死区暂选择在5％，刷新控制程序。连续运行一年，测得实际内阻偏离基准内阻6％以内，未出现电源工作电压偏低以及超级电容温度偏高的情况。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本实用新型结构所作的举例说明。凡依据本实用新型专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本实用新型专利的保护范围内。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本实用新型的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本实用新型的保护范围。

Claims (2)

1.一种风电机组变桨超级电容内阻补偿的充电回路，包括两个分压电阻和电阻，两个分压电阻分别为一号分压电阻和二号分压电阻，一号分压电阻和二号分压电阻之间串联电阻，其特征在于：所述电阻为调压电阻，调压电阻两端并联有内阻检测回路，内阻检测回路与调压电阻并联，内阻检测回路与调压电阻组成的并联电路串联在一号分压电阻和二号分压电阻之间。

2.根据权利要求1所述的风电机组变桨超级电容内阻补偿的充电回路，其特征在于：所述内阻检测回路为超级电容与超级电容等效串联电阻串联。