風(fēng)電機(jī)組變槳后備VRLA電源在線監(jiān)測系統(tǒng)

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(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)通過控制葉片槳距角，保證風(fēng)電機(jī)組安全地最大程度利用風(fēng)能。變槳系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，依靠電網(wǎng)市電工作；當(dāng)風(fēng)機(jī)出現(xiàn)安全鏈故障或者電網(wǎng)異常時(shí)，變槳系統(tǒng)將切換至后備電池順槳，用于制動(dòng)風(fēng)機(jī)，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(fēng)機(jī)變槳后備電源性能對風(fēng)機(jī)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(fēng)電領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛的變槳后備儲(chǔ)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(gè)蓄電池單體串聯(lián)使用。廠家承諾的電池壽命為6年，在實(shí)際生產(chǎn)中，運(yùn)行時(shí)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(fēng)電場長時(shí)間擱置，導(dǎo)致容量損失；風(fēng)場環(huán)境復(fù)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(gè)體差異加速了電池性能老化[2-4]。因此對蓄電池進(jìn)行在線監(jiān)測是非常必要的。

目前風(fēng)機(jī)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(gè)瞬態(tài)放電電路，定期進(jìn)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(jī)組增加瞬態(tài)電路比較困難。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套風(fēng)機(jī)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(zhǔn)確預(yù)判瀕臨故障的蓄電池，避免相關(guān)事故的發(fā)生，同時(shí)為蓄電池的維護(hù)更換提供科學(xué)的依據(jù)，大大減輕了運(yùn)行人員的工作量。

1 在線監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由位于風(fēng)機(jī)輪轂的數(shù)據(jù)采集處理設(shè)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(fù)責(zé)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(gè)風(fēng)機(jī)葉片電池柜配備一個(gè)數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備；通訊鏈路包括輪轂至風(fēng)機(jī)機(jī)艙的無線通訊(輪轂相對機(jī)艙轉(zhuǎn)動(dòng))、機(jī)艙至塔底的網(wǎng)線通訊和風(fēng)機(jī)至中控室的光纖網(wǎng)絡(luò)；集中監(jiān)測系統(tǒng)負(fù)責(zé)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(fēng)場運(yùn)檢人員，包括電池充放電狀態(tài)、報(bào)警信息等，運(yùn)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(jìn)行參數(shù)配置。

2 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)

風(fēng)機(jī)每個(gè)葉片都配有一個(gè)蓄電池柜，柜內(nèi)是三組串聯(lián)的蓄電池，每個(gè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備負(fù)責(zé)采集對應(yīng)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(jì)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(shí)時(shí)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(shè)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(shè)備硬件設(shè)計(jì)

設(shè)備采用32位控制專用DSP(型號TMS320F2812)作為運(yùn)算核心，內(nèi)含F(xiàn)lash，主頻高達(dá)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(chǔ)需求，在DSP外部擴(kuò)展了512 K× 16bit的SRAM存儲(chǔ)器和8 MB的Flash存儲(chǔ)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(shí)放電可以達(dá)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(jī)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(shè)備GPIO接口配置了兩個(gè)LED燈，用于調(diào)試與報(bào)警指示，此外該接口還負(fù)責(zé)與溫度、加速度傳感器和時(shí)鐘通訊。設(shè)備SCIA和SCIB接口分別轉(zhuǎn)換為RS232和RS485接口，以便適應(yīng)不同的外部通信設(shè)備。

2.2 采集設(shè)備軟件設(shè)計(jì)

采集設(shè)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(shè)計(jì)框圖

(1)MAIN主函數(shù)主要完成系統(tǒng)的自檢及初始化動(dòng)作，初始化完成后進(jìn)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(dòng)作，讀取角度，讀取時(shí)鐘及分析計(jì)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(shí)現(xiàn)，以提高系統(tǒng)效率，中斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)收發(fā)、存儲(chǔ)和標(biāo)記是否接收到完整指令；

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

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

(6)GPIO接口通訊，一方面實(shí)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(shí)鐘接口為IIC，因此在軟件中通過GPIO模擬實(shí)現(xiàn)IIC接口通信。

除了上述與硬件接口及時(shí)鐘主邏輯相關(guān)的任務(wù)外，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了隊(duì)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(fù)用的方式來實(shí)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(chǔ)模塊、實(shí)時(shí)監(jiān)測模塊、診斷報(bào)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(fù)責(zé)所有風(fēng)機(jī)電池柜實(shí)時(shí)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(shè)置。此外模塊還通過Modbus協(xié)議與風(fēng)電場SCADA通訊，獲取風(fēng)速等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊負(fù)責(zé)存儲(chǔ)電池柜的參數(shù)、用戶信息、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和快照數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可設(shè)置保存時(shí)間，超過時(shí)間自動(dòng)清除，以節(jié)約存儲(chǔ)空間。數(shù)據(jù)庫采用MySql5.5。

實(shí)時(shí)監(jiān)測模塊負(fù)責(zé)將電池柜實(shí)時(shí)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(jìn)行實(shí)時(shí)和快照數(shù)據(jù)的展示。

診斷報(bào)警模塊負(fù)責(zé)計(jì)算實(shí)時(shí)與快照數(shù)據(jù)指標(biāo)，并將指標(biāo)與對應(yīng)閾值進(jìn)行比較及報(bào)警，還具備歷史報(bào)警進(jìn)行查詢與導(dǎo)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(gè)電池柜的歷史多次放電曲線進(jìn)行縱向比較，也可以在電池柜之間進(jìn)行橫向比較。

系統(tǒng)管理模塊負(fù)責(zé)參數(shù)查詢設(shè)置和用戶管理：參數(shù)查詢設(shè)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(shè)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(shè)置風(fēng)機(jī)、電池柜參數(shù)等維護(hù)權(quán)限。

3.2 VRLA蓄電池監(jiān)測算法

緊急順槳時(shí)，某機(jī)型電池柜放電電壓、電流曲線分別如圖4中實(shí)線和虛線所示。放電過程分為啟動(dòng)、工作和恢復(fù)三個(gè)階段，啟動(dòng)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(jìn)入工作階段，電壓不斷上升，直至te順槳完成，此時(shí)電壓從Ue瞬間上升恢復(fù)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(gè)電池組的分電壓這些直接指標(biāo)設(shè)置閾值進(jìn)行監(jiān)測；其次對三個(gè)電池組的內(nèi)阻及內(nèi)阻之間差異設(shè)置閾值進(jìn)行監(jiān)測，內(nèi)阻較直接指標(biāo)更準(zhǔn)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(jì)算內(nèi)阻：

式中：Ie為Ue對應(yīng)的放電電流；通過放電電量、電機(jī)平均轉(zhuǎn)速(順槳速度)、順槳時(shí)間等指標(biāo)來反應(yīng)整個(gè)變槳系統(tǒng)(蓄電池、電機(jī)及其傳動(dòng)軸系和葉片)的運(yùn)行情況，一旦超出設(shè)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(gè)電池組充電電壓進(jìn)行監(jiān)測，防范過充問題。

4 結(jié)論

本文針對風(fēng)電機(jī)組蓄電池故障檢測與維護(hù)的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了一套后備電源在線監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)側(cè)前置設(shè)備和風(fēng)場集中監(jiān)測子系統(tǒng)兩部分組成：前置設(shè)備采用DSP技術(shù)，實(shí)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(shí)時(shí)接收前置設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)，采用后備動(dòng)力系統(tǒng)的綜合監(jiān)測算法對蓄電池性能進(jìn)行評估，對其故障進(jìn)行預(yù)測與報(bào)警。

風(fēng)機(jī)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(hù)更換提供定量化依據(jù)，然而由于VRLA蓄電池的放電化學(xué)機(jī)理和老化機(jī)制比較復(fù)雜，受到溫度、放電深度、充電情況等多方面影響，因此SOH預(yù)測將作為下一步的研究方向。

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