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CN104198946A - 一种风电变桨系统的辅助混合电池容量检测系统及方法 - Google Patents

一种风电变桨系统的辅助混合电池容量检测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风电变桨系统的辅助混合电池容量检测系统及方法，所述系统包括可编程逻辑控制器PLC、锂动力电池组电量检测模块、超级电容组电量检测模块、结果显示模块和数据储存装置。所述方法如下：可编程逻辑控制器PLC控制着混合电池的充电状态，控制着各个电量检测模块的工作过程。锂动力电池组电量检测模块和超级电容组电量检测模块检测完成后，将检测得到的数据输出给PLC。PLC把各个电量检测模块传输来的数据进行计算处理，处理结果通过PLC中的通信模块RS232C输出给显示模块。结果显示模块将混合电池的各种数据显示出来，包括电池各个模块容量及总的电池容量，老化程度等。最后，数据储存装置把各项数据储存起来，以便日后对混合电池进行分析。

Description

一种风电变桨系统的辅助混合电池容量检测系统及方法
技术领域
本发明涉及一种风电变桨系统的辅助混合电池容量检测系统及方法。
背景技术
随着风力发电产业技术的不断发展和成熟，风力发电机中的变桨系统的重要性越来越突出，它可以通过控制技术改变叶片的桨距角，控制风机转速，是整个机组的第一刹车系统。
变桨系统日常工作都是从电网电源取电，后备电池只是处于浮充状态，只有在电网电源丢失的情况下，变桨系统才从后备电池中取电工作，这就意味着如果后备电池出现老化等故障，那么变桨系统就无法在电网电源丢失情况下工作。近些年，“飞车”事故时常发生，其原因主要是由于备用电池的老化等原因，使风力发电机不能安全顺浆，无法保证它的可靠停机，所以对变桨系统后备电池性能的监测，是风机运行和维护的一项重要内容。
现在后备电池多以锂电池或超级电容为主，锂动力电池充电时间长，易老化；超级电容寿命短。所以现在开始试用混合电池，其性能优良，可以完成极其复杂的时序与组合逻辑电路功能。而现有技术中，在风机不停机的情况下直接检测混合电池容量的方法却很少。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的缺陷提供一种风电变桨系统的辅助混合电池容量检测系统及方法，以方便快捷高效为主，可以在风机正常运行时快速测出后备混合电池的实时电容量和老化程度。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种风电变桨系统的辅助混合电池容量检测系统包括：可编程逻辑控制器PLC、锂动力电池组电量检测模块、超级电容组电量检测模块、结果显示模块和数据储存装置，其中可编程逻辑控制器PLC通过锂动力电池组电量检测模块检测锂动力电池组的运行状态，可编程逻辑控制器PLC通过超级电容组电量检测模块检测超级电容组的运行状态，可编程逻辑控制器PLC分别控制锂动力电池组和超级电容组的充电状态，可编程逻辑控制器PLC把锂动力电池组电量检测模块、超级电容组电量检测模块传输来的检测数据进行计算处理后，通过通信模块RS232C输出给结果显示模块显示并存储至数据储存装置。
所述锂动力电池组电量检测模块包括第一至第三开关、第一至第二电流表、变阻箱和第一显示模块电池，其中锂动力电池组的正极分别接第一至第三开关的一端，第三开关的另一端串接第一显示模块电池后分别接第一至第二电流表的一端，第二开关的另一端串接变阻箱后接第一电流表的另一端，锂动力电池组的负极接第二电流表的另一端，第一开关和第二电流表的另一端接风电系统变桨系统。
所述超级电容组电量检测模块包括第五至第七开关、第二显示模块电池、电压表和第三电流表，超级电容组的一端分别接第五开关、电压表和第七开关的一端，第七开关的另一端串接第二显示模块电池后分别接第六开关和第三电流表的一端，电压表的另一端与第六开关的另一端连接，超级电容组的另一端与第三电流表的另一端连接，第五开关的另一端和第三电流表的一端接风电系统变桨系统。
一种风电变桨系统的辅助混合电池容量检测系统的检测方法如下：采用可编程逻辑控制器PLC通过锂动力电池组电量检测模块检测锂动力电池组的运行状态，采用可编程逻辑控制器PLC通过超级电容组电量检测模块检测超级电容组的运行状态，采用可编程逻辑控制器PLC分别控制锂动力电池组和超级电容组的充电状态，采用可编程逻辑控制器PLC把锂动力电池组电量检测模块、超级电容组电量检测模块传输来的检测数据进行计算处理后输出给结果显示模块显示并存储至数据储存装置。
所述锂动力电池组电量检测模块的检测方法如下：正常工作时，第二、第三开关断开，第一开关闭合；检测时第一开关断开，首先，混合电池充电系统对锂动力电池组进行充电，第二开关处于闭合状态，第三开关断开，此时锂动力电池组与变阻箱的电压相等，采用可编程逻辑控制器PLC控制变阻箱，调节阻值大小，使第二电流表的示数I2等于第一电流表示数I1，则变阻箱阻值大小R与锂动力电池组内阻r相等；根据锂电池内阻与锂电池容量的关系得出锂动力电池组的电容量Q1；锂动力电池组的内阻变化得到锂动力电池组的老化程度S1。
当锂动力电池组处于充满状态，先闭合第三开关，第二开关断开，对第一显示模块电池组充电。
所述超级电容组电量检测模块的检测方法如下：正常工作时，第六、第七开关断开，第五开关闭合；检测时，第五开关断开，第六开关闭合，第七开关断开，此时，当超级电容进行短暂的充电时，采用可编程逻辑控制器PLC中的计时器记录充电的时间T，电压表和第三电流表同时实时测出U1＝U’，I3＝I’，已知q＝CU，q＝IT，其中：得到：CU＝IT，C＝IT/U，由此得到超级电容的电容C，则超级电容组的容量Q2＝(CU2)/2,同时超级电容组的老化程度S2由电容的变化得到。
若超级电容组处于充满状态，先闭合第七开关，断开第六开关，对第二显示模块电池组充电。
本发明用于检测混合电池的容量和电池的老化程度，系统组成简单，操作方便，可对风电系统的后备电池进行定时监测，提供混合电池的电池容量和健康状况，且该系统不需要进行人为的干预，由程序本身自动完成，不需要额外的测量仪器，节约成本，大大的提高了风力机的利用率，不会影响风机的发电量。该系统采用PLC作为控制器，可靠性高，抗干扰能力强，更适用于机舱内恶劣环境，且体积小，重量轻，能耗小，节省机舱空间，系统的设计、建造工作量小，便于维护和修改。
附图说明
图1是整个混合电池容量检测系统的结构图。
图2是整个混合电池容量检测系统检测流程图。
图3是锂动力电池组测量模块的结构图。
图4是超级电容组测量模块的结构图。
具体实施方案
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
图1给出本系统的结构，该系统由可编程逻辑控制器PLC、锂动力电池组电量检测模块、超级电容组电量检测模块、结果显示模块和数据储存装置，其中可编程逻辑控制器PLC通过锂动力电池组电量检测模块检测锂动力电池组的运行状态，可编程逻辑控制器PLC通过超级电容组电量检测模块检测超级电容组的运行状态，可编程逻辑控制器PLC分别控制锂动力电池组和超级电容组的充电状态，可编程逻辑控制器PLC把锂动力电池组电量检测模块、超级电容组电量检测模块传输来的检测数据进行计算处理后，通过通信模块RS232C输出给结果显示模块。结果显示模块将混合电池的各项数据显示出来，包括锂动力电池组的容量Q1，内阻r，锂动力电池组老化程度S1，超级电容组的容量Q2，超级电容组老化程度S2，混合电池的总容量Q，混合电池老化程度S。最后，数据储存装置把各项数据储存起来，以便日后对混合电池进行分析。
其中，可编程逻辑控制器PLC为SIMATIC S7-1200，CPU为1211C,新的模块化SIMATICS7-1200控制器是西门子公司新推出产品的核心，可实现简单却高度精确的自动化任务，同时，SIMATIC S7-1200控制器实现了模块化和紧凑型设计，更加有效节省风机内部空间，非常适用于本系统。
图2是整个混合电池容量检测系统检测流程图。检测开始后，锂动力电池组电量测量模块与超级电容组电量测量模块同时工作。流程图的左半部为锂动力电池组电量检测的流程，流程图的右半部为超级电容组电量检测的流程，其具体过程在图3图4的说明中具体说明。两部分的电量测量结束后，可编程逻辑控制器PLC把锂动力电池组电量检测模块、超级电容组电量检测模块传输来的检测数据进行计算处理后，通过通信模块RS232C输出给结果显示模块显示并存储至数据储存装置。
图3是锂动力电池组电量检测模块的示意图，包括第一至第三开关K1-K3、第一至第二电流表A1-A2、变阻箱和第一显示模块电池，其中锂动力电池组的正极分别接第一至第三开关K1-K3的一端，第三开关K3的另一端串接第一显示模块电池后分别接第一至第二电流表A1-A2的一端，第二开关K2的另一端串接变阻箱后接第一电流表A1的另一端，锂动力电池组的负极接第二电流表A2的另一端，第一开关K1和第二电流表A2的另一端接风电系统变桨系统。所述电阻箱、电流表精确度足够高，充分保证测量精度；且所述电阻箱根据电流表示数，由PLC调节阻值大小。
正常工作时，第二、第三开关K2、K3断开，第一开关K1闭合；检测时第一开关K1断开，首先，混合电池充电系统对锂动力电池组进行充电，第二开关K2处于闭合状态，第三开关K3断开，此时锂动力电池组与变阻箱的电压相等，采用可编程逻辑控制器PLC控制变阻箱，调节阻值大小，使第二电流表A2的示数等于第一电流表A1示数，变阻箱阻值大小与锂动力电池组内阻r相等；根据锂电池内阻与锂电池容量的关系得出锂动力电池组的电容量Q1；锂动力电池组的内阻变化得到锂动力电池组的老化程度S1。
当锂动力电池组处于充满状态，先闭合第三开关K3，第二开关K2断开，对第一显示模块电池组充电。
在自动调节变阻箱阻值大小时，用到了可编程逻辑控制器PLC中的脉宽调制技术，在此中断中，PWM波的频率足够高，确保旋钮开关的步值足够小，采用PI调节，保证阻值调节的精确度。
图4是超级电容组电量检测模块的示意图，包括第五至第七开关K5-K7、第二显示模块电池、电压表V和第三电流表A3，超级电容组的一端分别接第五开关K5、电压表V和第七开关K7的一端，第七开关K7的另一端串接第二显示模块电池后分别接第六开关K6和第三电流表A3的一端，电压表V的另一端与第六开关K6的另一端连接，超级电容组的另一端与第三电流表A3的另一端连接，第五开关K5的另一端和第三电流表A3的一端接风电系统变桨系统。
正常工作时，第六、第七开关K6、K7断开，第五开关K5闭合；检测时，第五开关K5断开，第六开关K6闭合，第七开关K7断开，此时，当超级电容进行短暂的充电时，采用可编程逻辑控制器PLC中的计时器记录充电的时间T，电压表V和第三电流表A3同时实时测出U1＝U’，I3＝I’，已知q＝CU，q＝IT，其中：得到：CU＝IT，C＝IT/U，由此得到超级电容的电容C，则超级电容组的容量Q2＝(CU2)/2,同时超级电容组的老化程度S2由电容的变化得到。
若超级电容组处于充满状态，先闭合第七开关K7，断开第六开关K6，对第二显示模块电池组充电。

Claims (8)

1.一种风电变桨系统的辅助混合电池容量检测系统，其特征在包括：可编程逻辑控制器PLC、锂动力电池组电量检测模块、超级电容组电量检测模块、结果显示模块和数据储存装置，其中可编程逻辑控制器PLC通过锂动力电池组电量检测模块检测锂动力电池组的运行状态，可编程逻辑控制器PLC通过超级电容组电量检测模块检测超级电容组的运行状态，可编程逻辑控制器PLC分别控制锂动力电池组和超级电容组的充电状态，可编程逻辑控制器PLC把锂动力电池组电量检测模块、超级电容组电量检测模块传输来的检测数据进行计算处理后,通过通信模块RS232C输出给结果显示模块显示并存储至数据储存装置。
2.根据权利要求1所述的风电变桨系统的辅助混合电池容量检测系统，其特征在于：所述锂动力电池组电量检测模块包括第一至第三开关(K1-K3)、第一至第二电流表(A1-A2)、变阻箱和第一显示模块电池，其中锂动力电池组的正极分别接第一至第三开关(K1-K3)的一端，第三开关(K3)的另一端串接第一显示模块电池后分别接第一至第二电流表(A1-A2)的一端，第二开关(K2)的另一端串接变阻箱后接第一电流表(A1)的另一端，锂动力电池组的负极接第二电流表(A2)的另一端，第一开关(K1)和第二电流表(A2)的另一端接风电系统变桨系统。
3.根据权利要求1所述的风电变桨系统的辅助混合电池容量检测系统，其特征在于：所述超级电容组电量检测模块包括第五至第七开关(K5-K7)、第二显示模块电池、电压表(V)和第三电流表(A3)，超级电容组的一端分别接第五开关(K5)、电压表(V)和第七开关(K7)的一端，第七开关(K7)的另一端串接第二显示模块电池后分别接第六开关(K6)和第三电流表(A3)的一端，电压表(V)的另一端与第六开关(K6)的另一端连接，超级电容组的另一端与第三电流表(A3)的另一端连接，第五开关(K5)的另一端和第三电流表(A3)的一端接风电系统变桨系统。
4.一种基于权利要求1所述的风电变桨系统的辅助混合电池容量检测系统的检测方法，其特征在于所述方法如下：采用可编程逻辑控制器PLC通过锂动力电池组电量检测模块检测锂动力电池组的运行状态，采用可编程逻辑控制器PLC通过超级电容组电量检测模块检测超级电容组的运行状态，采用可编程逻辑控制器PLC分别控制锂动力电池组和超级电容组的充电状态，采用可编程逻辑控制器PLC把锂动力电池组电量检测模块、超级电容组电量检测模块传输来的检测数据进行计算处理后，通过通信模块RS232C输出给结果显示模块显示并存储至数据储存装置。
5.根据权利要求4所述的风电变桨系统的辅助混合电池容量检测系统的检测方法，其特征在于所述锂动力电池组电量检测模块的检测方法如下：正常工作时，第二、第三开关(K2、K3)断开，第一开关(K1)闭合；检测时第一开关(K1)断开，首先，混合电池充电系统对锂动力电池组进行充电，第二开关(K2)处于闭合状态，第三开关(K3)断开，此时锂动力电池组与变阻箱的电压相等，采用可编程逻辑控制器PLC控制变阻箱，调节阻值大小，使第二电流表(A2)的示数等于第一电流表(A1)示数，变阻箱阻值大小与锂动力电池组内阻r相等；根据锂电池内阻与锂电池容量的关系得出锂动力电池组的电容量Q1；锂动力电池组的内阻变化得到锂动力电池组的老化程度S1。
6.根据权利要求5所述的风电变桨系统的辅助混合电池容量检测系统的检测方法，其特征在于当锂动力电池组处于充满状态，先闭合第三开关(K3)，第二开关(K2)断开，对第一显示模块电池组充电。
7.根据权利要求4所述的风电变桨系统的辅助混合电池容量检测系统的检测方法，其特征在于所述超级电容组电量检测模块的检测方法如下：正常工作时，第六、第七开关(K6、K7)断开，第五开关(K5)闭合；检测时，第五开关(K5)断开，第六开关(K6)闭合，第七开关(K7)断开，此时，当超级电容进行短暂的充电时，采用可编程逻辑控制器PLC中的计时器记录充电的时间T，电压表(V)和第三电流表(A3)同时实时测出U1＝U’，I3＝I’，已知q＝CU，q＝IT，其中：得到：CU＝IT，C＝IT/U，由此得到超级电容的电容C，则超级电容组的容量Q2＝(CU2)/2,同时超级电容组的老化程度S2由电容的变化得到。
8.根据权利要求7所述的风电变桨系统的辅助混合电池容量检测系统的检测方法，其特征在于若超级电容组处于充满状态，先闭合第七开关(K7)，断开第六开关(K6)，对第二显示模块电池组充电。
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Assignor: JIANGSU University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

Contract record no.: X2021980006173

Denomination of invention: An auxiliary hybrid battery capacity detection system and method for wind power pitch system

Granted publication date: 20170412

License type: Common License

Record date: 20210714

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract
EC01 Cancellation of recordation of patent licensing contract

Assignee: Center for technology transfer Jiangsu University of Science and Technology

Assignor: JIANGSU University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

Contract record no.: X2021980006173

Date of cancellation: 20210826

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CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20170412

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