李 闖，申 燭，張 波，馬 龍

(中能電力科技開發(fā)有限公司，北京100034)

風電機組變槳系統(tǒng)通過控制葉片槳距角，保證風電機組安全地最大程度利用風能。變槳系統(tǒng)在正常運行時，依靠電網(wǎng)市電工作；當風機出現(xiàn)安全鏈故障或者電網(wǎng)異常時，變槳系統(tǒng)將切換至后備電池順槳，用于制動風機，一旦后備電源無法完成順槳，則極易發(fā)生超速飛車、甚至倒塔的重大事故[1]。因此，風機變槳后備電源性能對風機的安全生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用。

密封閥控式鉛酸蓄電池(VRLA)是風電領域中應用廣泛的變槳后備儲能裝置，由于變槳系統(tǒng)對后備電源有高電壓、大功率的要求，因此需要多個蓄電池單體串聯(lián)使用。廠家承諾的電池壽命為6年，在實際生產(chǎn)中，運行時間超過三年，電池組的失效問題就日趨明顯了。究其原因有：電池使用前，在風電場長時間擱置，導致容量損失；風場環(huán)境復雜多變，高溫或低溫使電池性能變差；電池過充、欠充以及串聯(lián)電池的個體差異加速了電池性能老化[2-4]。因此對蓄電池進行在線監(jiān)測是非常必要的。

目前風機廠家常用的蓄電池在線監(jiān)測方法可歸結(jié)為兩種：一是直接監(jiān)測電池組充放電期間電壓、電流、溫度；二是給電池組增加一個瞬態(tài)放電電路，定期進行放電，測試電池內(nèi)阻[5-6]。由于內(nèi)阻較電壓等參數(shù)與蓄電池的老化程度和剩余容量更加相關(guān)，因此監(jiān)測內(nèi)阻效果更好[3]，但是對于已投產(chǎn)機組增加瞬態(tài)電路比較困難。本系統(tǒng)設計了一套風機變槳后備電源在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)不影響現(xiàn)有變槳控制系統(tǒng)的正常工作，可以準確預判瀕臨故障的蓄電池，避免相關(guān)事故的發(fā)生，同時為蓄電池的維護更換提供科學的依據(jù)，大大減輕了運行人員的工作量。

1 在線監(jiān)測系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)主要由位于風機輪轂的數(shù)據(jù)采集處理設備、位于中控室的集中監(jiān)測系統(tǒng)和兩者之間的通訊鏈路組成，如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)負責采集分析蓄電池狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)打包發(fā)送給集中監(jiān)測系統(tǒng)，每個風機葉片電池柜配備一個數(shù)據(jù)采集處理設備；通訊鏈路包括輪轂至風機機艙的無線通訊(輪轂相對機艙轉(zhuǎn)動)、機艙至塔底的網(wǎng)線通訊和風機至中控室的光纖網(wǎng)絡；集中監(jiān)測系統(tǒng)負責接收解析和保存各采集系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將電池的數(shù)據(jù)信息展示給風場運檢人員，包括電池充放電狀態(tài)、報警信息等，運檢人員還可以通過系統(tǒng)查看電池的歷史數(shù)據(jù)信息，通過界面對前置監(jiān)測系統(tǒng)進行參數(shù)配置。

2 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)

風機每個葉片都配有一個蓄電池柜，柜內(nèi)是三組串聯(lián)的蓄電池，每個數(shù)據(jù)采集設備負責采集對應電池柜內(nèi)三組蓄電池的電壓、電流、柜內(nèi)溫度、槳距角、葉片旋轉(zhuǎn)位置，經(jīng)過計算分析，將結(jié)果發(fā)送至上級監(jiān)控系統(tǒng)。采集數(shù)據(jù)分為快照與實時數(shù)據(jù)兩種，分別源于電池的放電與非放電兩類狀態(tài)。由于放電順槳一般在15 s內(nèi)完成，該階段采樣頻率設定為100 Hz，保存放電前后20 s的數(shù)據(jù)。非放電包括充電和斷路兩種狀態(tài)，采樣頻率小于1 Hz。

2.1 采集設備硬件設計

設備采用32位控制專用DSP(型號TMS320F2812)作為運算核心，內(nèi)含F(xiàn)lash，主頻高達150 MHz，具有數(shù)字信號處理、事件管理和嵌入式控制功能，適用于大批量數(shù)據(jù)處理的場合，硬件系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集硬件總體框圖

為了滿足數(shù)據(jù)處理存儲需求，在DSP外部擴展了512 K× 16bit的SRAM存儲器和8 MB的Flash存儲器。DSP通過16通道12位ADC，采集4組電壓變送器與2組電流傳感器測量的電池組端電壓與電流，由于電流瞬時放電可以達到150 A，因此采用兩組量程200、35 A的傳感器測量同一電流，合成后獲得總電流。葉片槳距角由變槳直流電機的行程折算得到，該行程通過旋轉(zhuǎn)變壓器測量。葉片旋轉(zhuǎn)位置通過電池柜的重力加速度傳感器獲得。設備GPIO接口配置了兩個LED燈，用于調(diào)試與報警指示，此外該接口還負責與溫度、加速度傳感器和時鐘通訊。設備SCIA和SCIB接口分別轉(zhuǎn)換為RS232和RS485接口，以便適應不同的外部通信設備。

2.2 采集設備軟件設計

采集設備軟件的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中：

圖3 數(shù)據(jù)采集軟件設計框圖

(1)MAIN主函數(shù)主要完成系統(tǒng)的自檢及初始化動作，初始化完成后進入無限循環(huán)模塊，在無線循環(huán)中主要做一些比較慢的周期性動作，讀取角度，讀取時鐘及分析計算等；

(2)AD采樣，使用DSP自帶12位AD，最高采樣率為1 kHz，采用中斷方式處理采集數(shù)據(jù)；

(3)SCIA/SCIB串口通訊，采用中斷方式實現(xiàn)，以提高系統(tǒng)效率，中斷服務程序中實現(xiàn)收發(fā)、存儲和標記是否接收到完整指令；

(4)T0定時中斷，用于處理嚴格的周期性事務，但T0的優(yōu)先級較高，慢的周期事務程序部分在MAIN的大循環(huán)中執(zhí)行，這里只標記是否需要執(zhí)行事務；

(5)SPI接口通訊，采用中斷方式實現(xiàn)其與旋轉(zhuǎn)變壓器和Flash模塊的通信，F(xiàn)lash用于存儲順槳過程的采樣及相關(guān)分析數(shù)據(jù)以備上位機請求；

(6)GPIO接口通訊，一方面實現(xiàn)狀態(tài)指示及控制，另一方面由于DSP2812無IIC接口，而加速度傳感器、溫度傳感器和時鐘接口為IIC，因此在軟件中通過GPIO模擬實現(xiàn)IIC接口通信。

除了上述與硬件接口及時鐘主邏輯相關(guān)的任務外，系統(tǒng)還設計了隊列結(jié)構(gòu)用于處理接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，為了使系統(tǒng)具有良好的通用性，系統(tǒng)在傳輸過程中軟件的協(xié)議使用MODBUS協(xié)議。由于快照數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量較大，約為6 MB，遠遠超過了Modbus指令的地址空間，但快照數(shù)據(jù)均不要求單數(shù)據(jù)訪問，因此采用地址空間復用的方式來實現(xiàn)。

3 集中監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)模塊功能

集中監(jiān)控系統(tǒng)軟件功能包括前置采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、實時監(jiān)測模塊、診斷報警模塊、歷史數(shù)據(jù)查詢模塊、系統(tǒng)管理模塊等。集控軟件由C++語言開發(fā)。

前置采集模塊負責所有風機電池柜實時數(shù)據(jù)和快照數(shù)據(jù)采集，并讀取電池柜參數(shù)和執(zhí)行參數(shù)設置。此外模塊還通過Modbus協(xié)議與風電場SCADA通訊，獲取風速等實時數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)存儲模塊負責存儲電池柜的參數(shù)、用戶信息、實時數(shù)據(jù)和快照數(shù)據(jù)。實時數(shù)據(jù)可設置保存時間，超過時間自動清除，以節(jié)約存儲空間。數(shù)據(jù)庫采用MySql5.5。

實時監(jiān)測模塊負責將電池柜實時數(shù)據(jù)在界面上展示。采用樹形控件、表格、網(wǎng)格、曲線圖等多種方式進行實時和快照數(shù)據(jù)的展示。

診斷報警模塊負責計算實時與快照數(shù)據(jù)指標，并將指標與對應閾值進行比較及報警，還具備歷史報警進行查詢與導出功能。

歷史數(shù)據(jù)查詢模塊可查詢歷史快照數(shù)據(jù)，繪制歷史曲線，可以對一個電池柜的歷史多次放電曲線進行縱向比較，也可以在電池柜之間進行橫向比較。

系統(tǒng)管理模塊負責參數(shù)查詢設置和用戶管理：參數(shù)查詢設置可讀取電池柜的所有參數(shù)并保存在數(shù)據(jù)庫中，也可將設置參數(shù)下發(fā)給電池柜；用戶管理功能可添加和刪除用戶，并把用戶權(quán)限分為普通和工程師兩級，工程師除具備監(jiān)視、數(shù)據(jù)查詢和下載功能外，還具備設置風機、電池柜參數(shù)等維護權(quán)限。

3.2 VRLA蓄電池監(jiān)測算法

緊急順槳時，某機型電池柜放電電壓、電流曲線分別如圖4中實線和虛線所示。放電過程分為啟動、工作和恢復三個階段，啟動階段從ts開始，電壓由浮充值陡降至Ub，電流則陡升至It，隨后進入工作階段，電壓不斷上升，直至te順槳完成，此時電壓從Ue瞬間上升恢復至電壓Ur，之后再緩慢上升。

圖4 放電順槳過程

監(jiān)測算法首先對Ub、Ue、It以及三個電池組的分電壓這些直接指標設置閾值進行監(jiān)測；其次對三個電池組的內(nèi)阻及內(nèi)阻之間差異設置閾值進行監(jiān)測，內(nèi)阻較直接指標更準確地反映電池組老化情況，而內(nèi)阻差異則反映老化的不平衡情況，這里利用放電快照數(shù)據(jù)，采用直流法[7]計算內(nèi)阻：

式中：Ie為Ue對應的放電電流；通過放電電量、電機平均轉(zhuǎn)速(順槳速度)、順槳時間等指標來反應整個變槳系統(tǒng)(蓄電池、電機及其傳動軸系和葉片)的運行情況，一旦超出設定閾值，則說明電池性能退化或者順槳阻力異常；此外，系統(tǒng)還要對各個電池組充電電壓進行監(jiān)測，防范過充問題。

4 結(jié)論

本文針對風電機組蓄電池故障檢測與維護的實際需求，設計了一套后備電源在線監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)由風機側(cè)前置設備和風場集中監(jiān)測子系統(tǒng)兩部分組成：前置設備采用DSP技術(shù)，實現(xiàn)了蓄電池放電高頻數(shù)據(jù)采樣與處理；集中監(jiān)測子系統(tǒng)實時接收前置設備上傳的數(shù)據(jù)，采用后備動力系統(tǒng)的綜合監(jiān)測算法對蓄電池性能進行評估，對其故障進行預測與報警。

風機蓄電池組健康狀態(tài)(SOH)的定量化評估可以為蓄電池的維護更換提供定量化依據(jù)，然而由于VRLA蓄電池的放電化學機理和老化機制比較復雜，受到溫度、放電深度、充電情況等多方面影響，因此SOH預測將作為下一步的研究方向。

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