摘 要:風(fēng)電變槳系統(tǒng)工作在特殊的運(yùn)行環(huán)境中，常規(guī)電源已無(wú)法滿足風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行的需要。在此通過(guò)比較各種充電策略的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合風(fēng)電變槳后備電源的需要，提出針對(duì)風(fēng)電變槳用密封閥控式鉛酸蓄電池的優(yōu)化充電策略;通過(guò)分析各種在線監(jiān)測(cè)方案，設(shè)計(jì)出一種巧妙的單體電壓巡檢方案;最后設(shè)計(jì)出完整的風(fēng)力發(fā)電變槳后備電源智能管理系統(tǒng)，并通過(guò)試驗(yàn)，驗(yàn)證了方案的可行性。

關(guān)鍵詞:風(fēng)電變槳;密封閥控式鉛酸蓄電池;多階段充電策略;單體電壓巡檢

中圖分類號(hào):TP274文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)06-203-04

Intelligent Management System of Back-up Power Supply for Pitch Master

HUANG Yajun

(School of Electronic and Electric Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai，200240，China)

Abstract:Placed in special environment，the conventional power supply has been unable to meet needs of the system of pitch master.Comparing advantages and disadvantages of the various charging strategies，an optimized charging strategy for the VRLA matching the need of battery in pitch master is introduced，a variety of online detection programs are analysed，it brings forward a smart module for voltage detecting for series-connected batteries.A complete intelligent management system for back-up power supply for the pith master is designed，and feasibility of the program through experiment is verified.

Keywords:pitch master;VRLA;multi-stage charging strategy;voltage detecting

0 引 言

當(dāng)前的風(fēng)電變槳系統(tǒng)中，密封閥控式鉛酸蓄電池是應(yīng)用廣泛的后備電源儲(chǔ)能設(shè)備。在風(fēng)電運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)，變槳用蓄電池的故障多，壽命短，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在風(fēng)力機(jī)的壽命周期中，蓄電池通常更換3，4次，蓄電池的費(fèi)用可達(dá)變槳系統(tǒng)的總投資的50%以上，無(wú)論從經(jīng)濟(jì)效益還是系統(tǒng)運(yùn)行可靠性角度，后備電源都成了變槳系統(tǒng)中十分薄弱的環(huán)節(jié)。

這種現(xiàn)象一方面是因?yàn)轱L(fēng)機(jī)處于其特殊的工作環(huán)境下，常規(guī)充電策略無(wú)法保障蓄電池的性能及壽命，往往出現(xiàn)蓄電池“不是用壞的，而是充壞的”的情況;另一方面，變槳系統(tǒng)對(duì)后備電源有高電壓，大功率的要求，需要多個(gè)的蓄電池單體串聯(lián)使用，在所有表征蓄電池的參數(shù)之中，端電壓最能體現(xiàn)蓄電池的當(dāng)前狀況，使單體電壓巡檢也成為了技術(shù)難點(diǎn)。因此，一方面要求有精確靈敏的監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)捕捉將對(duì)電源系統(tǒng)產(chǎn)生影響的不斷變化著的各種信息;另一方面則要求有與之相匹配的充電策略，能在復(fù)雜變化的環(huán)境中以高效能滿足蓄電池的充電需求。優(yōu)化的充電策略，以及有效的監(jiān)控環(huán)節(jié)，是變槳后備電源智能管理系統(tǒng)的核心。

1 充電策略分析及充電方案的確立

常規(guī)充電策略大體可分為恒流充電法和恒壓充電法。恒流充電法是保持充電電流強(qiáng)度不變的充電方法，原理圖如圖1所示。該法控制簡(jiǎn)單，但充電后期，充電電流多用于電解水，使蓄電池出氣過(guò)多。

恒壓充電法使充電電源的電壓在全部充電時(shí)間里保持恒定，如圖2所示。該法電解水很少，但充電初期電流過(guò)大，對(duì)蓄電池壽命造成了很大影響。

圖1 恒流充電法

圖2 恒壓充電法

常規(guī)的充電策略無(wú)法滿足變槳用蓄電池的要求?？茖W(xué)家馬斯在20世紀(jì)60年代中期對(duì)開(kāi)口蓄電池的充電過(guò)程作了大量的試驗(yàn)研究，提出了以最低出氣率為前提的，蓄電池可接受的充電曲線。其原理圖如圖3所示。

如充電電流按這條曲線變化，可縮短充電時(shí)間，對(duì)電池的容量和壽命影響也較小。但恒流和恒壓充電法都無(wú)法達(dá)到這種效果，而采用多階段充電法，可以得到與之相近的充電曲線。其原理如圖4所示。

圖3 最佳充電曲線

圖4 多階段充電法

如圖4所示，該法先對(duì)電池進(jìn)行恒流充電，待電池電壓上升到電壓閥值后，再分階段恒壓充電，這是一種可以將出氣量減到最少的充電方法，因此也最大限度的保護(hù)了蓄電池的性能和壽命。

對(duì)于多階段充電法而言，參數(shù)的設(shè)定是決定其優(yōu)劣的首要條件，以下是針對(duì)變槳用閥控密閉式鉛酸蓄電池的充電方案，其原理圖如圖5所示。

圖5 變槳用VRLA的充電方案

如圖5所示，整個(gè)充電過(guò)程共分為4個(gè)階段:

(1) 階段1:涓流充電(T0~T1)。

為防止恒流充電時(shí)的大電流灌入損壞蓄電池，當(dāng)蓄電池的電壓低于所設(shè)定的門檻電壓Uch時(shí)，可用小電流Itr 進(jìn)行充電，使得電池電壓會(huì)逐漸上升，直到門檻電壓Uch。

(2) 階段2:恒流充電(T1~T2)。

當(dāng)電池電壓超過(guò)門檻電壓Uch時(shí)，用恒定的充電電流Ibuck給蓄電池充電，使蓄電池的電壓在這個(gè)階段快速增加，直到過(guò)壓充電電壓Uoc。

(3) 階段3:過(guò)壓充電(T2~T3)。

蓄電池的電壓超過(guò)Uoc后，用一個(gè)略高于蓄電池額定電壓的恒定電壓Uf充電，以使蓄電池能量最后達(dá)到飽和。充電電流在這個(gè)階段將逐漸減小，直到Ioct，蓄電池將進(jìn)入浮充狀態(tài)。

(4) 階段4:浮充充電(T3之后)。

提供一個(gè)帶有溫度補(bǔ)償?shù)碾妷篣f給蓄電池充電，來(lái)維持蓄電池容量保持不變，同時(shí)會(huì)提供很小的浮充電流，彌補(bǔ)蓄電池自身放電造成的容量損失。此后，如蓄電池電壓下降到Uf的90%，充電器自動(dòng)進(jìn)入恒流充電狀態(tài)。

2 串聯(lián)蓄電池單體電壓巡檢方案

串聯(lián)蓄電池組單體電壓巡檢是風(fēng)電變槳系統(tǒng)后備電源在線監(jiān)測(cè)的難點(diǎn)所在。這主要是因?yàn)轱L(fēng)電變槳后備電源中包含了數(shù)量眾多的串聯(lián)連接的蓄電池單體，各單體電池電源端不共地，蓄電池的電位超過(guò)一般模擬電路芯片所能承受的電壓范圍。

常用的檢測(cè)方法有電阻網(wǎng)絡(luò)提取電壓法和繼電器切換提取電壓法。電阻網(wǎng)絡(luò)提取電壓法相對(duì)同一參考點(diǎn)，用精密電阻等比例衰減測(cè)量各點(diǎn)電壓，然后依次相減得到各節(jié)電池電壓。在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)這種電路具有精度低的缺點(diǎn)[6]。

相比之下，繼電器切換提取電壓法是相對(duì)比較成熟的測(cè)試方法。其原理為，當(dāng)進(jìn)行電壓檢測(cè)時(shí)，由控制器依次使繼電器閉合，使對(duì)應(yīng)的蓄電池的陰極接入檢測(cè)電路地，陽(yáng)極經(jīng)緩沖器進(jìn)入A/D 轉(zhuǎn)換器。原理圖如圖6所示。

圖6 繼電器切換提取電壓法

該方法原理簡(jiǎn)單、造價(jià)低，但是繼電器機(jī)械動(dòng)作慢，使用壽命低等，且當(dāng)蓄電池?cái)?shù)量較多時(shí)，需要的繼電器也相應(yīng)增多，使得電路體積大，功耗成本和故障率也較高。

為解決上面問(wèn)題，我們?cè)诶^電器切換提取電壓法的基礎(chǔ)上，采用光耦繼電器，結(jié)合精密整流電路，設(shè)計(jì)出風(fēng)力發(fā)電串聯(lián)蓄電池組電壓巡檢法。其電路圖如圖7所示。

圖7采用固態(tài)繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)蓄電池端電壓的采樣。在對(duì)某個(gè)蓄電池單體進(jìn)行電壓檢測(cè)時(shí)，中心控制器選中該單體兩端的固態(tài)繼電器，將其電壓信號(hào)送入模擬多路選擇器之后，經(jīng)多路選擇之后的端電壓Ui有可能是正負(fù)兩種信號(hào)，故采用精密整流電路進(jìn)行整流，其原理為:

對(duì)A1:當(dāng)Ui為正時(shí)， 有:

Um=-(R2/R1)Ui(1)

當(dāng)Ui為負(fù)時(shí)，有Um=0。

對(duì)A2:

Uo=-(R5/R3)Um-(R5/R4)Ui(2)

若取:R2/R1=1; R5/R3=2; R5/R4=1

則: Ui>0，有:Uo=Ui; Ui<0，有:Uo=-Ui

從而保證整流之后的模擬信號(hào)都為正值，這樣，只要依次選通各個(gè)蓄電池，就能達(dá)到電壓巡檢的目的。在該電壓巡檢模塊中，雖然隨著蓄電池?cái)?shù)量的增加，所需的光耦繼電器也不可避免地增加，但由于光耦繼電器的體積比一般機(jī)械觸點(diǎn)式繼電器的小得多，即使采用大量的光耦繼電器也不會(huì)對(duì)整個(gè)電壓巡檢模塊的體積有太大的影響且速度和使用壽命也隨之達(dá)到要求。

圖7 風(fēng)力發(fā)電串聯(lián)蓄電池組電壓巡檢法

3 后備電源智能管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

基于前面的分析，提出后備電源智能管理系統(tǒng)總體框圖如圖8所示。

圖8 后備電源智能管理系統(tǒng)總體框圖

如圖5所示，系統(tǒng)包括三相整流電路，直流斬波電路，電壓、電流采樣電路及環(huán)路控制，輸出驅(qū)動(dòng)以及溫度補(bǔ)償回路等。總體設(shè)計(jì)采用雙環(huán)控制:由電流檢測(cè)單元、電流誤差放大器;輸出電壓檢測(cè)單元、電壓誤差放大器構(gòu)成電壓、電流雙閉環(huán)控制?？紤]到溫度對(duì)充電電壓的影響，采用溫度不補(bǔ)償電路對(duì)PWM波進(jìn)行修正。

根據(jù)所設(shè)計(jì)的充電策略，充電過(guò)程依次由涓流充電，恒流充電，過(guò)壓充電和浮充充電四個(gè)階段組成，用戶通過(guò)控制最大充電電流Ibulk、過(guò)充終止電流Ioct、過(guò)充電壓Uoc，浮充電壓Uf、使能充電電壓UT和涓流充電電流IT等參數(shù)來(lái)控制各個(gè)階段的起始和終止。在涓流充電和恒流充電時(shí)，電壓環(huán)輸出飽和，此時(shí)電壓環(huán)為開(kāi)環(huán)，電流環(huán)起主導(dǎo)作用。在過(guò)壓充電和浮充狀態(tài)時(shí)，電壓環(huán)則閉合起主導(dǎo)作用。在不同的階段使不同的閉環(huán)起主導(dǎo)作用，從而達(dá)到恒壓、恒流的控制規(guī)律。

在線監(jiān)控系統(tǒng)主要用于完成對(duì)溫度的監(jiān)控，溫度檢測(cè)必須考慮到以下幾個(gè)方面的影響:

(1) 溫度對(duì)系統(tǒng)中芯片的影響。

變槳系統(tǒng)環(huán)境溫度具有溫差較大的特點(diǎn)，而芯片對(duì)工作溫度范圍有其自身的要求，因此，必須檢測(cè)后備電源的環(huán)境溫度并確保它處于安全工作范圍之內(nèi)。

(2) 溫度對(duì)蓄電池容量和使用壽命的影響。

密封閥控式鉛酸蓄電池在環(huán)境溫度為25 ℃時(shí)得較長(zhǎng)的壽命和較好的放電性能。電池的環(huán)境溫度每增加10 ℃，電池的壽命會(huì)縮短一倍。但當(dāng)環(huán)境溫度低于25 ℃的時(shí)候，電池容量卻會(huì)受到影響，環(huán)境溫度越低，電池放出的容量越少。

(3) 溫度對(duì)電源充電的影響。

蓄電池充電時(shí)，單體電池的充電電壓u與溫度t的關(guān)系表示為:

U=[u+3(25-t)]/1 000(3)

式中:u為單體電池在25 ℃時(shí)的充電電壓，所以充電電壓必須隨溫度變化做相應(yīng)的調(diào)整，即充電電壓必須接受溫度補(bǔ)償。

3.2 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)波形

本文以24節(jié)串聯(lián)閥控密閉式鉛酸蓄電池為充電對(duì)象，采用Freescale公司的MC9S08DZ16型號(hào)單片機(jī)以及密封鉛酸蓄電池的充電專用控制芯片UC3909[5]組成系統(tǒng)MCU核心控制單元。蓄電池單體充電參數(shù)為:單體電池額定電壓12 V，容量C=7.2 Ah，定電壓14.5~14.9 V，最大充電電流為2.88 A。充電過(guò)程各個(gè)階段的控制參數(shù)為[5]:

① 涓流充電:

Itr=0.004C=0.0288 A

Uch=10.2×24=244.8 V

② 恒流充電:

Ibuck=0.2C=1.44 A;Uoc=15×24=360 V

③ 過(guò)壓充電:

Uoc=360 V;Ioct=0.05C=0.36 A

④ 浮充充電:

Uf330 V

設(shè)計(jì)基于MC9S08DZ16和UC3909組成的中心控制單元的控制風(fēng)力發(fā)電變槳后備電源智能管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

UC3909控制參數(shù)如圖10所示。

圖10 UC3909控制參數(shù)

(1) 輸出PWM波頻率的設(shè)定:

f=1/(1.2CTRSET)(4)

設(shè)置CT=330 pF;RSET=11.5 kΩ，則f=219 587 Hz。

(2) RS1，RS2，RS3和RS4的設(shè)置

RS1，RS2，RS3和RS4用以設(shè)置放電終止電壓Uch，過(guò)電壓Uoc以及浮充電壓Uf，已知:

Uoc=360 V;Uch=244.8 V;Uf330 V;

UREF=2.3 V

基本計(jì)算公式[5]如下:

Uoc=UREF×RS1+RS2+RS3//RS4RS3//RS4(5)

Uoc=UREF×RS1+RS2+RS3//RS4RS2+RS3//RS4(6)

Uf=UREF×RS1+RS2+RS3RS3(7)

為了便于計(jì)算，設(shè)Rf=RS3//RS4=10 kΩ，代入表達(dá)式中，解得:

RS1=155.051 4Rf1.5 MΩ+51 kΩ

RS2=0.4706Rf4.7 kΩ

RS3=1.091 55Rf10 kΩ+910 Ω

RS4=11.9230Rf110 kΩ+9.1 Ω

選擇RG1和RG2[5]:

設(shè)置采樣電阻RS=0.1 Ω;Rset=11.5 kΩ

基本計(jì)算公式如下:

Itrck=0.115 V/Rset(8)

Itr=(ItrckRG1)/5RS(9)

RG1/RG2=1.851 8IbulkRS(10)

已知:Itr=0.004 C=28.8 mA

快速充電電流:

Ibulk=0.2 C=1.4 A

將已知數(shù)值代入表達(dá)式中，可得:

28.8 mA=(10 μA×RG1)/(0.1 Ω×5)

由上式可得出:

RG1=1 440 Ω1.2 kΩ+240 Ω

將已知數(shù)值代入下式:

RG1/RG2=1.852IbulkRS

可以得出:

RG25.4 kΩ=5.1 kΩ+300 Ω(11)

選擇Rovc1和Rovc2，基本計(jì)算公式[5]為:

Rovc1=1.851 8IoctRSRovc2(12)

已知Ioct=0.05 C=0.36 A，得:Rovc1=0.066 66Rovc2

令:Rovc2=100 kΩ

則Rovc1=0.066 66Rovc2=666 6 Ω6.2 kΩ+470 Ω

實(shí)驗(yàn)波形如圖11所示，當(dāng)蓄電池組電壓低于Uf的90%時(shí)，電源智能管理系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池組的電壓并在內(nèi)部進(jìn)行邏輯判斷，以高占空比的PWM波驅(qū)動(dòng)MOSFET，使得系統(tǒng)以大電流對(duì)蓄電池組進(jìn)行充電。

圖11 大電流充電階段驅(qū)動(dòng)及電流波形

4 結(jié) 語(yǔ)

本文所提出的后備電源智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，以密封閥控式鉛酸蓄電池為充電對(duì)象，設(shè)計(jì)出適用于風(fēng)力發(fā)電變槳系統(tǒng)用蓄電池的充電策略和單體電壓巡檢方法。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出完整的后備電源系統(tǒng)框圖，并以24節(jié)單體蓄電池串聯(lián)288 V蓄電池組為變槳后備電源實(shí)例，提出了具體的系統(tǒng)方案，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該方案的可行性。

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