探析变桨系统后备电池在线监测及电压均衡系统以及方法

李明阳 莫文宏

摘 要：本文对在线监测变桨系统后备电池状態的必要性进行分析，并对变桨系统后备电池在线监测及电压均衡系统设计要点加以阐述，希望能为排除变桨系统后备电池故障、均衡电压等目的实现提供有效建议。

关键词：变桨系统;后备电池;电压均衡;蓄电池组

引言：电动变桨是现阶段风机机组主要采用的变桨方式，当故障问题在风机运行中发生，其中蓄电池组所储存的备用电源则会支撑顺浆停机操作，为风机运行安全提供基础保障。传统监测系统及技术手段存在明显不足，无法确保风机运行安全，如何在线监测实现变桨系统后备电池，是目前各相关人员需要考虑的问题。

1.在线监测变桨系统后备电池状态的必要性分析

变桨系统是大型风电机组控制和保护的重要执行装置，对机组安全、稳定、高效运行具有十分重要的作用。稳定的变桨控制已成为当前大型风电机组控制和保护技术领域研究的热点。通常情况下，风机出现故障问题或者突发停电，蓄电池组中原有储存的电能将协助相关设备完成顺浆停机操作，为风机安全运行提供基础保障。通过对以往监测系统应用情况调研和分析，发现普遍存在对蓄电池组的各项参数获取不精准问题，尤其是处于浮充状态条件下的蓄电池组的各项参数获取，各项数据分析显示，电压高低与电池剩余容量没有直接关联，因此，电压的高低值不能作为对电池剩余容量判断的依据。当浮充电压处于不均衡状态条件时，均是电池充量过头或未充满情况的表现，电池功能失去效用，其使用期限被缩减的同时，也会为后期变桨系统运行埋下安全隐患[1]。碍于风电机组特殊性构造，具备远程监测控制功能的系统设计显得尤为重要，应提升对变桨系统后备电池状态在线监测与均衡电压重视程度，结合目前变桨系统后备电池实际功能效用发挥，制定变桨系统后备电池在线监测及电压均衡系统与相关操作方法的设计策略，为确保风电机组运行提供安全保障，切实解决蓄电池组使用期限过短问题。

2.变桨系统后备电池在线监测及电压均衡系统设计要点

2.1在线监测及电压均衡系统总体设计框架

在线监测及电压均衡系统由数据采集处理单元、集中监测单元以及二者质检通信链路构成。在线监测及电压均衡系统总体设计框架。

变桨系统后备电池状态数据采集和分析由系统中的数据采集处理单位负责，并将所收集到的相关数据打包传输给集中监测单元，其中数据采集处理设备在各个风机叶片电池柜均有配置;由轮毂至风机机舱的无线通讯、机舱至塔底的网线通讯和风机至中控室的光纤网等部分构成数据采集处理单元与集中监测单元二者通信链路;系统所发送的数据均有集中监测单元负责接收与解析并做好最后数据保存，运检人员可通过在线监测及电压均衡系统所展示的变桨系统后备电池状态数据，如变桨系统后备电池放电情况、报警数据等，其中在线监测及电压均衡系统也能将变桨系统后备电池的历史数据提供给运检人员，运检人员只需在系统界面即可完成对变桨系统后备电池在线监测及电压均衡系统的参数设置操作。

2.1数据采集处理单元设计

数据采集处理设备将对应电池柜内的变桨系统后备电池相关数据进行采集与处理后，将其处理结果直接向上级监控系统传输，鉴于对变桨系统后备电池的放电与非放电两种状态综合考虑，采集数据也被划分为两个类别，分别是实时数据和快照数据。

针对数据采集处理设备硬件设计，数据采集处理设备运算核心选用32位控制专用DSP，该硬件具有可处理数字信号、管理事件等功能特点，在处理大批量数据方面有着明显优势。数据采集处理单元硬件设计框架。

在数据采集设备硬件设计引入一定规格存储器，其目的扩展数据处理存储空间，可对电压变送器和电流传感器测量的电池组端电压与电流同时采集。

2.2传感器单元硬件设计

变桨系统后备电池在线监测及电压均衡系统中除了由变桨驱动、变桨电机、备用蓄电池组模块等几个部分构成以外，同时也包括传感器单元，采用分布式方法对多个传感器在备用蓄电池组模块中进行安装，负责对每块蓄电池组的阐述进行采集并向MCU传送[2]。

（1）MCU负责分析所接收到的各项参数，待分析环节结束后，直接将分析结果向现场监控主机或充放电控制模块传输;（2）当有异常情况出现时，现场监控主机则会将异常信号发送给变桨控制模块，及时进行处理;（3）根据分析结果所显示的信息，借助充放电控制模块均衡各蓄电池组之间的电压，将其控制在基本标准电压限值范围区间内;（4）传感器单元将各参数传输给MCU，MCU需要先根据电池组实际温度数据，并利用温度补偿公式对浮充电压加以计算，再对电池组的电压参数进行分析。温度补偿公式：Vtc=Vn-TcN（T-25）;（5）变桨系统后备电池在线监测及电压均衡系统中的远程监控主机，基于总线或无线信号，与现场监控主机相互连接;（6）利用通信链路，各蓄电池组各项参数被系统中传感器获取，并传输至MCU。传感器单元硬件设计电路。

碍于MCU功能单一性，若想确保上述目的均能实现，需要配置一套变桨系统后备电池在线监测及电压均衡的方法，具体操作如下：

（1）蓄电池单体电压、内阻、温度参数等相关数据信息由传感器单元中多个传感器负责采集并向MCU传输;（2）基于温度补偿公式，结合电池组温度参数，分析所接收到的各项参数，对浮充电呀进行确定;（3）对电池组的电压参数深入分析，确认电压数值是否与规定偏差标准要求相一致，若存在不一致情况，即可判定该蓄电池组出现损坏问题，将故障信号发送给现场监控主机，若信息一致，则需要进一步确认其电压值是否达到基本标准电压范围区间内。当电压值未达到基本标准范围区间，运检人员应执行对蓄电池组的充放电操作，将电压恢复到基本标准电压范围区间;当电压值达到基本标准范围区间内，监控主机接收蓄电池组各项参数，MCU将依次完成对蓄电池组的上述监测工序，从而达到故障排除、均衡电压以及各项参数收集目的。

2.3集中监控单元设计

集中监控由几个关键监控模块组成，如现场监控、远程监控、实时监控等，发挥着报警信号诊断、历史数据查询、系统管理以及数据存储等多样性功能作用。将数据采集设备所传送的数据信息进行分析、处理和保存，为开展在线监测变桨系统后备电池状态工作提供参考依据，综合监测变桨系统后备电池剩余容量，实时掌握蓄电池组工作性能，精准预测故障，将报警信号高效化传输上级系统单元。其中测量数据可实时显示，也可以输送后台数据库存储、分析和处理，显示蓄电池工作性能状态;及时发现落后单体电池，分析蓄电池的实效趋势，实时掌握蓄电池组的运行状态，确保变桨系统后备电池使用可靠且无故障运行。设计变桨系统后备电池在线监测及电压均衡系统，实现了对多组蓄电池组的在线监测，大大降低系统成本，为变桨系统后备电池在线监测工作落实提供了经济性及技术性的保障，从而达到有效预防电池失效目的，降低此方面情况对变桨系统稳定运行的负面影响。

结束语：综上所述，相较于传统监测技术，此项技术手段和监测方法，在排除蓄电池组故障与维护风机运行安全方面具有明显优势，有效性应用，不仅能够均能蓄电池组中各个电池电压，也能确保待机条件下各单位蓄电池的浮充电压始终保持一致，实现有效延长变桨系统后备电池使用期限，减少后期运检成本投入。

参考文献：

[1] 伍钊宏. 风力发电机组变桨系统探析[J]. 通信电源技术，2020，37（17）：200-201，204. DOI：10.19399/j.cnki.tpt.2020.17.066.

[2] 田文强. 浅谈风机变桨系统及原理[J]. 卷宗，2019（23）：340.