探析變槳系統后備電池在線監測及電壓均衡系統以及方法

李明陽 莫文宏

摘 要：本文對在線監測變槳系統后備電池狀態的必要性進行分析，并對變槳系統后備電池在線監測及電壓均衡系統設計要點加以闡述，希望能為排除變槳系統后備電池故障、均衡電壓等目的實現提供有效建議。

關鍵詞：變槳系統;后備電池;電壓均衡;蓄電池組

引言：電動變槳是現階段風機機組主要采用的變槳方式，當故障問題在風機運行中發生，其中蓄電池組所儲存的備用電源則會支撐順漿停機操作，為風機運行安全提供基礎保障。傳統監測系統及技術手段存在明顯不足，無法確保風機運行安全，如何在線監測實現變槳系統后備電池，是目前各相關人員需要考慮的問題。

1.在線監測變槳系統后備電池狀態的必要性分析

變槳系統是大型風電機組控制和保護的重要執行裝置，對機組安全、穩定、高效運行具有十分重要的作用。穩定的變槳控制已成為當前大型風電機組控制和保護技術領域研究的熱點。通常情況下，風機出現故障問題或者突發停電，蓄電池組中原有儲存的電能將協助相關設備完成順漿停機操作，為風機安全運行提供基礎保障。通過對以往監測系統應用情況調研和分析，發現普遍存在對蓄電池組的各項參數獲取不精準問題，尤其是處于浮充狀態條件下的蓄電池組的各項參數獲取，各項數據分析顯示，電壓高低與電池剩余容量沒有直接關聯，因此，電壓的高低值不能作為對電池剩余容量判斷的依據。當浮充電壓處于不均衡狀態條件時，均是電池充量過頭或未充滿情況的表現，電池功能失去效用，其使用期限被縮減的同時，也會為后期變槳系統運行埋下安全隱患[1]。礙于風電機組特殊性構造，具備遠程監測控制功能的系統設計顯得尤為重要，應提升對變槳系統后備電池狀態在線監測與均衡電壓重視程度，結合目前變槳系統后備電池實際功能效用發揮，制定變槳系統后備電池在線監測及電壓均衡系統與相關操作方法的設計策略，為確保風電機組運行提供安全保障，切實解決蓄電池組使用期限過短問題。

2.變槳系統后備電池在線監測及電壓均衡系統設計要點

2.1在線監測及電壓均衡系統總體設計框架

在線監測及電壓均衡系統由數據采集處理單元、集中監測單元以及二者質檢通信鏈路構成。在線監測及電壓均衡系統總體設計框架。

變槳系統后備電池狀態數據采集和分析由系統中的數據采集處理單位負責，并將所收集到的相關數據打包傳輸給集中監測單元，其中數據采集處理設備在各個風機葉片電池柜均有配置;由輪轂至風機機艙的無線通訊、機艙至塔底的網線通訊和風機至中控室的光纖網等部分構成數據采集處理單元與集中監測單元二者通信鏈路;系統所發送的數據均有集中監測單元負責接收與解析并做好最后數據保存，運檢人員可通過在線監測及電壓均衡系統所展示的變槳系統后備電池狀態數據，如變槳系統后備電池放電情況、報警數據等，其中在線監測及電壓均衡系統也能將變槳系統后備電池的歷史數據提供給運檢人員，運檢人員只需在系統界面即可完成對變槳系統后備電池在線監測及電壓均衡系統的參數設置操作。

2.1數據采集處理單元設計

數據采集處理設備將對應電池柜內的變槳系統后備電池相關數據進行采集與處理后，將其處理結果直接向上級監控系統傳輸，鑒于對變槳系統后備電池的放電與非放電兩種狀態綜合考慮，采集數據也被劃分為兩個類別，分別是實時數據和快照數據。

針對數據采集處理設備硬件設計，數據采集處理設備運算核心選用32位控制專用DSP，該硬件具有可處理數字信號、管理事件等功能特點，在處理大批量數據方面有著明顯優勢。數據采集處理單元硬件設計框架。

在數據采集設備硬件設計引入一定規格存儲器，其目的擴展數據處理存儲空間，可對電壓變送器和電流傳感器測量的電池組端電壓與電流同時采集。

2.2傳感器單元硬件設計

變槳系統后備電池在線監測及電壓均衡系統中除了由變槳驅動、變槳電機、備用蓄電池組模塊等幾個部分構成以外，同時也包括傳感器單元，采用分布式方法對多個傳感器在備用蓄電池組模塊中進行安裝，負責對每塊蓄電池組的闡述進行采集并向MCU傳送[2]。

（1）MCU負責分析所接收到的各項參數，待分析環節結束后，直接將分析結果向現場監控主機或充放電控制模塊傳輸;（2）當有異常情況出現時，現場監控主機則會將異常信號發送給變槳控制模塊，及時進行處理;（3）根據分析結果所顯示的信息，借助充放電控制模塊均衡各蓄電池組之間的電壓，將其控制在基本標準電壓限值范圍區間內;（4）傳感器單元將各參數傳輸給MCU，MCU需要先根據電池組實際溫度數據，并利用溫度補償公式對浮充電壓加以計算，再對電池組的電壓參數進行分析。溫度補償公式：Vtc=Vn-TcN（T-25）;（5）變槳系統后備電池在線監測及電壓均衡系統中的遠程監控主機，基于總線或無線信號，與現場監控主機相互連接;（6）利用通信鏈路，各蓄電池組各項參數被系統中傳感器獲取，并傳輸至MCU。傳感器單元硬件設計電路。

礙于MCU功能單一性，若想確保上述目的均能實現，需要配置一套變槳系統后備電池在線監測及電壓均衡的方法，具體操作如下：

（1）蓄電池單體電壓、內阻、溫度參數等相關數據信息由傳感器單元中多個傳感器負責采集并向MCU傳輸;（2）基于溫度補償公式，結合電池組溫度參數，分析所接收到的各項參數，對浮充電呀進行確定;（3）對電池組的電壓參數深入分析，確認電壓數值是否與規定偏差標準要求相一致，若存在不一致情況，即可判定該蓄電池組出現損壞問題，將故障信號發送給現場監控主機，若信息一致，則需要進一步確認其電壓值是否達到基本標準電壓范圍區間內。當電壓值未達到基本標準范圍區間，運檢人員應執行對蓄電池組的充放電操作，將電壓恢復到基本標準電壓范圍區間;當電壓值達到基本標準范圍區間內，監控主機接收蓄電池組各項參數，MCU將依次完成對蓄電池組的上述監測工序，從而達到故障排除、均衡電壓以及各項參數收集目的。

2.3集中監控單元設計

集中監控由幾個關鍵監控模塊組成，如現場監控、遠程監控、實時監控等，發揮著報警信號診斷、歷史數據查詢、系統管理以及數據存儲等多樣性功能作用。將數據采集設備所傳送的數據信息進行分析、處理和保存，為開展在線監測變槳系統后備電池狀態工作提供參考依據，綜合監測變槳系統后備電池剩余容量，實時掌握蓄電池組工作性能，精準預測故障，將報警信號高效化傳輸上級系統單元。其中測量數據可實時顯示，也可以輸送后臺數據庫存儲、分析和處理，顯示蓄電池工作性能狀態;及時發現落后單體電池，分析蓄電池的實效趨勢，實時掌握蓄電池組的運行狀態，確保變槳系統后備電池使用可靠且無故障運行。設計變槳系統后備電池在線監測及電壓均衡系統，實現了對多組蓄電池組的在線監測，大大降低系統成本，為變槳系統后備電池在線監測工作落實提供了經濟性及技術性的保障，從而達到有效預防電池失效目的，降低此方面情況對變槳系統穩定運行的負面影響。

結束語：綜上所述，相較于傳統監測技術，此項技術手段和監測方法，在排除蓄電池組故障與維護風機運行安全方面具有明顯優勢，有效性應用，不僅能夠均能蓄電池組中各個電池電壓，也能確保待機條件下各單位蓄電池的浮充電壓始終保持一致，實現有效延長變槳系統后備電池使用期限，減少后期運檢成本投入。

參考文獻：

[1] 伍釗宏. 風力發電機組變槳系統探析[J]. 通信電源技術，2020，37（17）：200-201，204. DOI：10.19399/j.cnki.tpt.2020.17.066.

[2] 田文強. 淺談風機變槳系統及原理[J]. 卷宗，2019（23）：340.