CN217788515U - 一种海上风机蓄电池检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种海上风机蓄电池检测装置，包括设置蓄电池内部和外部均设置传感器模块；与蓄电池串联的K1断路器，蓄电池通过直流母线连接换流器，换流器通过导线连接风机的用电单元；控制模块的输入端连接传感器模块，控制模块的输出端分别连接声光报警模块、断电回路；断电回路连接K1断路器；控制模块与陆上集控中心通信连接。蓄电池检测装置可以对蓄电池的外部环境参数以及内部运行参数进行检测，并对蓄电池的工作进行控制，可以有效保护保护蓄电池，延长其使用寿命，减少更换次数。

Description

一种海上风机蓄电池检测装置

技术领域

本实用新型涉及海上风电领域，尤其涉及一种海上风机蓄电池检测装置。

背景技术

近年来，风力发电作为新能源领域中技术最成熟、最具规模化开发条件和商业化发展前景的发电方式，获得了迅猛发展。随着风电机组从陆地延伸到海上，海上风力发电正成为新能源领域发展的重点。

蓄电池是一种通过充放电实现电能和化学能之间相互转换的储能装置。在海上风电机组中，蓄电池是重要的辅助设备之一，作为风机的后备电源广泛使用。在极端情况下，如遭遇台风、雷击、地震等因素，导致海上风机断电，则需要蓄电池作为后备电源给风机变桨系统和偏航系统供电，及时调整到安全状态，保证海上风机在极端情况下的生存能力。

由于海上风机长期服役于恶劣的海洋环境之中，海上空气潮湿且含有盐分，易对机舱内的蓄电池造成腐蚀和损坏，且随着蓄电池使用时间增加，容易发生电池老化、寿命缩短等问题，甚至发生蓄电池故障、失效等情况。蓄电池一旦出现故障，轻则电池设备自身损坏，重则可能导致风机超速，叶片断裂、风电机组倒塌等重大事故。蓄电池的健康状态关系到海上风机在极端情况下的安全，因此为了保证后备电源供电的可靠性和连续性，对海上风机蓄电池环境参数和运行参数的安全检测显得尤为重要。

但是目前海上风机使用的蓄电池保护技术多为失压保护，即检测到蓄电池电压低于额定工作电压后自动切断电源的保护方法，蓄电池保护技术功能和结构较为单一，检测范围不够广泛，且蓄电池保护技术尚未考虑到海上风机所面临的恶劣环境。

实用新型内容

针对现有技术中存在的不足，本申请提出了一种海上风机蓄电池检测装置，适用于海上风电机组蓄电池的检测和保护。该装置通过传感器模块可实现蓄电池的外部环境参数：盐雾、湿度和内部运行参数：温度、电压、内阻及电流等参数的检测；将检测到的信号远程传输到陆上集控中心的客户端，便于维护人员实时掌握蓄电池的工作状态。本装置还具有断电保护和异常报警等功能；可以有效保护保护蓄电池，延长其使用寿命，减少更换次数。当蓄电池出现异常时，及时将其脱离用电设备。等蓄电池的各项指标回归正常后，再恢复其作为后备电源的功能。

本实用新型所采用的技术方案如下：

一种海上风机蓄电池检测装置，包括，

传感器模块，所述在蓄电池内部和外部均设置传感器模块；

与蓄电池串联的K1断路器，所述蓄电池通过直流母线连接换流器，所述换流器通过导线连接风机的用电单元；

控制模块，所述控制模块的输入端连接传感器模块，所述控制模块的输出端分别连接声光报警模块、断电回路；所述断电回路连接K1断路器；所述控制模块与陆上集控中心通信连接。

进一步，所述传感器模块包括盐雾传感器、湿度传感器、温度传感器、电压传感器、内阻传感器和电流传感器，所述盐雾传感器、湿度传感器安装在蓄电池外部；所述温度传感器、电压传感器、内阻传感器和电流传感器均设置在蓄电池内部。

进一步，所述控制模块采用STM32F103ZET6芯片。

进一步，所述控制模块通过串口连接远程终端单元RTU，所述远程终端单元RTU与海上风机SCADA服务器之间使用Modbus TCP协议进行网络通信，所述海上风机SCADA服务器与通过光纤连接陆上集控中心。

进一步，所述声光报警信息由所述控制模块经通信传输过程传入陆上集控中心，引发陆上的监控主机同步报警。

进一步，所述声光报警模块包括声报警单元和光报警单元。

进一步，所述光报警单元采用红、绿双色高亮LED灯构成报警指示灯。

进一步，所述声报警单元包括蜂鸣器。

进一步，所述报警指示灯个数与传感器模块检测对象数量一致，每个检测对象对应一个报警指示灯。

进一步，蓄电池的正极通过K1断路器与一根直流母线相连，蓄电池的负极与另一根直流母线相连，两根直流母线之间连接有换流器。

进一步，检测装置配备电池，电池通过导线分别连接传感器模块、控制模块。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型所设计的海上风机蓄电池检测装置，自带备用电池，因此检测装置可不依赖海上风机和蓄电池而独立工作，即使是在蓄电池发生故障而不能保证对检测装置正常供电的情况下，使得该检测装置仍能继续工作，提高检测装置的可靠性。

2、本实用新型所设计的海上风机蓄电池检测装置，针对海上环境专门开展盐雾和湿度等环境参数检测，避免腐蚀引起的蓄电池失效破坏。

3、本实用新型所设计的海上风机蓄电池检测装置，可对蓄电池自身的状态进行有效的检测，进而获取海上风机蓄电池的实际工作状态以便给控制模块下达相关保护指令提供数据依据。

4、本实用新型所涉及的海上风机蓄电池检测装置，智能检测蓄电池工作状态，可以提前预警，管理可控，保障其安全可靠运行，增加了蓄电池的使用寿命，减少更换次数，保证海上风机在极端情况下的生存能力。

附图说明

图1为海上风机蓄电池检测结构示意图；

图2为海上风机蓄电池检测装置工作流程图；

图3为数据采集传输示意图；

图中，1、蓄电池，2、传感器模块，3、控制模块，4、声光报警模块，5、通信传输，6、陆上集控中心，7、换流器，8、K1断路器，9、断电回路。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示的一种海上风机蓄电池检测装置，包括传感器模块2、控制模块3、声光报警模块4、换流器7、K1断路器8和断电回路9等多个单元。具体如下：

一、传感器模块2

由于海上风机处于高盐雾、高湿度的海洋环境中，该环境下金属的表面氧化层易发生电化学反应，使得蓄电池表面金属和电子元件易受到腐蚀影响其使用；此外，蓄电池在工作状态时的内部温度、电压、内阻和电流更是直接影响到蓄电池的工作性能、输出能力和使用寿命。因此，海上风机蓄电池的正常运行，需要一套准确的智能检测系统用以检测以上影响蓄电池安全稳定运行的因素。

1、盐雾

盐雾是悬浮在大气中雾化的氯离子，由于风吹和海水之间互相拍打，使得氯离子漂浮于大气之中，水分蒸发氯离子化为盐粒，随风流动形成盐雾。盐雾是电气设备腐蚀和线路故障的导火索，针对海上风机蓄电池，盐雾的危害性体现在盐雾中的微小水滴在金属外壳表面形成一层含有氯离子的水膜，易导致外壳发生电化学反应，造成强烈腐蚀。

2、湿度

湿度对蓄电池设备的的影响主要是关于绝缘强度、霉菌生长和金属腐蚀。当湿度偏高时，绝缘材料的表面附着大量空气中的水分，使得绝缘电阻降低，泄露电流极大增加，造成绝缘击穿；海洋湿度较大，给霉菌的增长提供了良好的繁殖环境，长期以往，会腐蚀电路；此外当相对湿度达到一定数值，金属的腐蚀会急速增长。

3、温度

蓄电池在充放电过程中会在正极和负极中产生大量的热量，当蓄电池使用时间过长时，如不及时引走热量，则会使得蓄电池内部温度升高，出现热失控。该现象对蓄电池的破坏性较为严重，蓄电池壳体发生严重变形、胀裂，最终导致蓄电池彻底失效。

4、电压

根据蓄电池维护要求及放电特性得知，在电压降到限值工作低电压时，如继续放电，会降低蓄电池容量，缩短蓄电池寿命，甚至直接导致蓄电池损坏而报废。蓄电池的工作电压体现了蓄电池的放电特性，检测电压可以判断蓄电池是否过度放电，有利于电池的长期使用。

5、内阻

内阻作为电池的内部参数，与电池的健康状态有着极为密切的联系，随着容量状态的下降而增高，当蓄电池处于失效模式，蓄电池的内阻通常较大。这些规律体现出蓄电池的内阻与其容量有很好的相关性，借此可判断电池的优劣运行状态。

6、电流

蓄电池对负载供电时在放电回路中形成的电流为放电电流，蓄电池容量一定时，其放电电流和放电时间成反比，电流越小，放电时间越长，当放电电流过大，蓄电池端电压在短时间内降到极小值从而也会导致蓄电池失效。

基于上述影响因素，本装置的传感器模块2包括盐雾传感器、湿度传感器、温度传感器、电压传感器、内阻传感器和电流传感器，其中，盐雾传感器、湿度传感器安装在蓄电池1外部，用于检测蓄电池1所处环境的盐雾和湿度；温度传感器、电压传感器、内阻传感器和电流传感器均设置在蓄电池1内部，用于分别检测蓄电池1内部的温度、电压、内阻及电流信息。各个传感器均通过信号线连接控制模块3，将测得的相关数据传入控制模块3中进行分析。

二、控制模块

控制模块3接收传感器模块2采集到的数据，并根据数据进行判断，控制其他各单元的工作。控制模块3通过信号线连接声光报警模块4，用于控制声光报警模块4的工作启停；声光报警模块4还与陆上集控中心6之间通讯连接；控制模块3通过断电回路9连接K1断路器8，用于控制蓄电池1所在电路的通断。

1、声光报警模块4包括声报警单元和光报警单元，置于检测装置中，当检测参数出现异常时，控制模块3对声光报警模块4下达的控制指令经通信传输传入到陆上集控中心，由陆上的监控主机与检测装置进行同步声光报警。

声报警单元：采用压电式蜂鸣器进行报警，由三极管放大电流，驱动蜂鸣器发出声音。当检测到运行隐患，外界盐雾、湿度和蓄电池温度、电压指标不正常时，电路导通，三极管工作在放大状态，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声报警。

光报警单元：采用红、绿双色高亮LED灯构成报警指示灯，置于半透明圆柱形灯罩内，可均匀发出红、绿、黄(红绿合成)3种颜色的光，分别代表不同的警示信息，用以提醒工作人员蓄电池的工作状态。其报警原理为：6个LED灯，分别代表上述6个检测参数的状态，借助46位串入并出移位寄存器进行控制。通过I/O口模拟串行总线，定时把编码数据锁存显示,报警器就呈现出灯光闪烁或持续的发光状态，以达到警示的作用。

2、通信传输5过程如图3所示，控制模块3采用异步串行通信接口UART串口连接远程终端单元RTU(Remote Terminal Unit)，再从RTU依次传输到海上风机SCADA服务器、陆上集控中心。

在本实施例中，控制模块3具体采用STM32F103ZET6芯片作为处理器。传感器模块1采集的信号通过STM32F103ZET6芯片的SPI接口传输到A/D转换中进行模数转换，数据输出则通过STM32F103ZET6芯片的UART串口进以实现，通过STM32F103ZET6芯片的UART串口连接远程终端单元RTU(Remote Terminal Unit)，再从RTU依次传输到海上风机SCADA服务器、陆上集控中心。具体地，控制模块3与RTU采用异步串行通信接口UART串口进行通信，数据输出端口用RS-232和RS-485。采用数据传输线实现信息传输，传输速度能够满足需求并且成本低，结构简单，实现容易，适合风机现场设备蓄电池检测装置与风机RTU的通信；而风机RTU到SCADA服务器之间的信息传输使用的是远动规约中的Modbus TCP协议进行网络通信，有效地实现信息实时稳定传输。随后，各风机SCADA数据通过光纤向海上升压站汇聚，最后通过海底电缆向陆上集控中心汇入进行储存和分析。

3、控制模块3通过断电回路9控制蓄电池正极输出回路中的K1断路器8的断开闭合，来实现对蓄电池1的断电保护功能。在蓄电池1连接的母线上接入换流器7，实现直流电和交流电之间的互换。在本实施例中，断电回路9具体是由线路、合闸线圈和分闸线圈构成，当检测装置检测到参数指标异常时，控制模块3给断电回路9下达控制指令，给分闸线圈通电，使得断路器8的主触头断开，蓄电池停止向负载供电。

三、供电单元

本申请除了风机的后备电源(蓄电池1)之外，本检测装置也配备电池，检测装置的电池通过导线分别连接传感器模块2、控制模块3等测装置中需要用电的单元，并为这些单元供电；本检测装置通过配备电池，可以不依赖海上风机和蓄电池而独立工作，即使是蓄电池发生故障而不能保证对检测装置正常供电的情况下，使得该检测装置仍能继续工作。

另外，蓄电池1的正极通过K1断路器8与一根直流母线相连，蓄电池1的负极与另一根直流母线相连，两根直流母线之间连接有换流器7；其中，K1断路器8通过断电回路9连接控制模块3，用于接收控制模块3的控制指令，实现对K1断路器8断开、闭合的控制。

由于蓄电池1为直流电源，通过与直流母线相连的换流器7换流，将直流电转换为交流电以供上述风机变桨系统和偏航系统等用电单元使用。

四、本装置的工作原理

海上风机蓄电池检测保护方案是在蓄电池1与负载之间增加蓄电池检测装置，对蓄电池1自身以及所处环境进行检测。同时为达到安全保护的作用，需在蓄电池1的输出回路中加一个K1断路器8。在蓄电池1向负载输出供电时，由检测装置对蓄电池的参数进行检测，由于蓄电池在高盐雾、高湿度的环境下容易腐蚀，故应避免在该环境下工作，同时要注意蓄电池运行时温度过高，电压过低，内阻和电流过大的情况，要及时切断电池供电回路。

另外，本申请所设计的安全检测装置还可以对蓄电池进行分级监控、保护，检测参数设定两级保护门限值。控制模块的具体工作流程如图2所示。

1、当电网故障导致海上风机断电时，需要由蓄电池1提供后备电源；则通过该1检测装置实时检测蓄电池1的相关参数，对检测参数设定两个保护门限值，不同检测参数的保护限值相异。当蓄电池在任意一个参数上达到具体数值从而导致蓄电池1自身设备出现严重故障时，把该值设为对应参数的二级设定限值；当参数尚未达到却又临近二级设定限值时，蓄电池可短时间内续航工作，令各参数的二级设定限值按照90％的比例设为一级设定限值。当所有检测参数处于正常工作范围即一级保护限值以下时，给断路器K1的合闸线圈持续供电，使得断路器的主触头闭合，蓄电池处于正常输出的工作状态。以蓄电池1温度为例，蓄电池1的温度达到50℃的时候，蓄电池1会出现严重故障，因此将50℃设置为温度对应的二级设定限值；故该温度的90％设为一级保护限值。其他如电压、内阻、电流、盐雾、湿度按照上述方法设置设定限值。

2、当检测参数达到一级设定限值时，控制盒发出相关指令，触发报警模块的蜂鸣器，LED灯由代表正常工作时的绿光向黄光转变，进行报警提示。并延时100秒向K1的分闸线圈供电，断开K1，切断电池电源与负载的回路。

3、在延时的100秒内，如果检测参数超过一级设定限值并且提高到二级设定限值时，立即断开K1，禁止蓄电池输出，蜂鸣器发声报警，灯光由黄色向红色转变。

4、若在设定时长(延时的100秒)快结束时，即临界切断电源时间点时的检测参数尚未达到二级设定限值，且负载急需用电时，可人工操作复位按钮，给合闸线圈通电，接通K1断路器，使得蓄电池处于紧急供电的工作状态，直至检测参数达到二级设定限值，断路器自行关断。

5、检测到电网故障解除或者蓄电池电量不足时断开K1断路器，直至电网再次故障且蓄电池电量充足方重新接通开关使得蓄电池发挥后备电源的作用。

上述控制方法，均可以通过在芯片中通过设置温度、电压、内阻、电流、盐雾、湿度对应的阈值实现判断。

以上实施例仅用于说明本实用新型的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本实用新型的内容并据以实施，本实用新型的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本实用新型所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种海上风机蓄电池检测装置，其特征在于，包括，

传感器模块(2)，所述在蓄电池(1)内部和外部均设置传感器模块(2)；

与蓄电池(1)串联的K1断路器(8)，所述蓄电池(1)通过直流母线连接换流器(7)，所述换流器(7)通过导线连接风机的用电单元；

控制模块(3)，所述控制模块(3)的输入端连接传感器模块(2)，所述控制模块(3)的输出端分别连接声光报警模块(4)、断电回路(9)；所述断电回路(9)连接K1断路器(8)；所述控制模块(3)与陆上集控中心(6)通信连接。

2.根据权利要求1所述的一种海上风机蓄电池检测装置，其特征在于，所述传感器模块(2)包括盐雾传感器、湿度传感器、温度传感器、电压传感器、内阻传感器和电流传感器，所述盐雾传感器、湿度传感器安装在蓄电池(1)外部；所述温度传感器、电压传感器、内阻传感器和电流传感器均设置在蓄电池(1)内部。

3.根据权利要求1所述的一种海上风机蓄电池检测装置，其特征在于，所述控制模块(3)采用STM32F103ZET6芯片。

4.根据权利要求3所述的一种海上风机蓄电池检测装置，其特征在于，所述控制模块(3)通过串口连接远程终端单元RTU，所述远程终端单元RTU与海上风机SCADA服务器之间使用Modbus TCP协议进行网络通信，所述海上风机SCADA服务器与通过光纤连接陆上集控中心。

5.根据权利要求1所述的一种海上风机蓄电池检测装置，其特征在于，所述声光报警模块(4)包括声报警单元和光报警单元。

6.根据权利要求5所述的一种海上风机蓄电池检测装置，其特征在于，所述光报警单元采用红、绿双色高亮LED灯构成报警指示灯。

7.根据权利要求5所述的一种海上风机蓄电池检测装置，其特征在于，所述声报警单元包括蜂鸣器。

8.根据权利要求6所述的一种海上风机蓄电池检测装置，其特征在于，所述报警指示灯个数与传感器模块(2)检测对象数量一致，每个检测对象对应一个报警指示灯。

9.根据权利要求1所述的一种海上风机蓄电池检测装置，其特征在于，蓄电池(1)的正极通过K1断路器(8)与一根直流母线相连，蓄电池(1)的负极与另一根直流母线相连，两根直流母线之间连接有换流器(7)。

10.根据权利要求1所述的一种海上风机蓄电池检测装置，其特征在于，检测装置配备电池，电池通过导线分别连接传感器模块(2)、控制模块(3)。

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