本實(shí)用新型涉及一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距系統(tǒng)超級(jí)電容容量檢測(cè)裝置。
背景技術(shù)：
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距系統(tǒng)主要功能是通過調(diào)整葉片的槳距角，改變氣流對(duì)葉片的攻角，從而控制發(fā)電機(jī)的輸出功率，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有更好的啟動(dòng)和制動(dòng)性能，保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可靠運(yùn)行。同時(shí)，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組或電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，變槳距系統(tǒng)可以控制葉片順槳，實(shí)現(xiàn)葉輪氣動(dòng)剎車；在風(fēng)速高于安全運(yùn)行風(fēng)速時(shí)，可以使葉片處于順槳狀態(tài)，改善風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的受力狀況，避免大風(fēng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的損害。
隨著電機(jī)控制技術(shù)的進(jìn)步，電動(dòng)變槳距系統(tǒng)受到了眾多風(fēng)力發(fā)電機(jī)組制造廠商的青睞，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大多均采用電動(dòng)變槳距系統(tǒng)。
電動(dòng)變槳距系統(tǒng)一般由變槳控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器、變槳電機(jī)、后備電源等設(shè)備構(gòu)成。變槳控制器接收風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)變槳位置指令，輸出轉(zhuǎn)速給定信號(hào)給伺服驅(qū)動(dòng)器，由伺服驅(qū)動(dòng)器控制變槳電機(jī)的轉(zhuǎn)速，拖動(dòng)葉片到達(dá)目標(biāo)位置。每個(gè)葉片的變槳控制柜都配備一套備用電源，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)由電網(wǎng)供電，變槳控制器控制充電器給備用電源充電；當(dāng)電網(wǎng)掉電時(shí)，系統(tǒng)處于故障狀態(tài)下，需要執(zhí)行緊急順槳?jiǎng)幼?，此時(shí)伺服驅(qū)動(dòng)器備用電源供電，驅(qū)動(dòng)槳葉順到停機(jī)位置，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全停機(jī)。變槳距系統(tǒng)后備電源是在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組失去外部電源時(shí)保證機(jī)組能夠安全停機(jī)的最后保障，后備電源的容量要滿足電機(jī)將槳葉從工作狀態(tài)順到停機(jī)位置。
超級(jí)電容器是通過極化電解質(zhì)來儲(chǔ)能的一種電化學(xué)元件。它不同于傳統(tǒng)的化學(xué)電源，是一種介于傳統(tǒng)電容器與電池之間、具有特殊性能的電源，主要依靠雙電層和氧化還原假電容電荷儲(chǔ)存電能。相比于其他儲(chǔ)能元件，超級(jí)電容器具有功率密度高、充放電時(shí)間短、循環(huán)壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，目前已越來越多地應(yīng)用到電動(dòng)變槳系統(tǒng)的后備電源中。
然而在實(shí)際運(yùn)行中，隨著超級(jí)電容充電放電次數(shù)增加以及周圍環(huán)境溫度升高，都會(huì)降低超級(jí)電容的容量、壽命縮短，在某些情況下還可能導(dǎo)致超級(jí)電容性能崩潰。因此為了確保變槳距系統(tǒng)的正常運(yùn)行，保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)故障時(shí)為葉片順槳提供足夠的能量，對(duì)于超級(jí)電容容量的檢測(cè)就變得尤為重要。
目前對(duì)于變槳距系統(tǒng)的超級(jí)電容的檢測(cè)主要是通過使用超級(jí)電容供電，讓機(jī)組執(zhí)行一次順槳，以檢查電容的容量是否能夠支持風(fēng)機(jī)槳葉由0°順槳到90°順槳。通常這種檢測(cè)方法需要斷開外部電源，風(fēng)機(jī)執(zhí)行一次順槳。在機(jī)組正常運(yùn)行無外部故障的時(shí)候，為了檢測(cè)超級(jí)電容的容量而單獨(dú)執(zhí)行一次順槳，這會(huì)影響機(jī)組的正常發(fā)電及可利用率統(tǒng)計(jì)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本實(shí)用新型的目的克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提出一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距系統(tǒng)超級(jí)電容容量檢測(cè)裝置。
本實(shí)用新型風(fēng)電變槳超級(jí)電容容量檢測(cè)裝置，通過增加一條放電回路，利用放電電阻來檢測(cè)超級(jí)電容的容量。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在需要進(jìn)行電容容量檢測(cè)時(shí)無需停機(jī)，可提高機(jī)組累計(jì)發(fā)電量及可利用率，并且“在線式”測(cè)試也使得測(cè)試結(jié)果更加準(zhǔn)確，更能提高機(jī)組安全性及可靠性。
本實(shí)用新型在超級(jí)電容供電系統(tǒng)上增加一條安裝有放電電阻的放電回路，利用變槳控制器控制直流接觸器的吸合，使得放電回路閉合，同時(shí)禁止充電器輸出，從而可以通過放電電阻對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行放電，通過放電前后超級(jí)電容的電壓及放電時(shí)間來計(jì)算超級(jí)電容的容值，獲得超級(jí)電容在充滿時(shí)所具有的能力。
為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案：
一種風(fēng)電變槳超級(jí)電容容量檢測(cè)裝置，包括一個(gè)可編程邏輯控制器PLC、一個(gè)電壓隔離變送器、一個(gè)充電器、一個(gè)直流接觸器、一組放電電阻、一個(gè)主電源斷路器、一個(gè)手動(dòng)放電開關(guān)，以及一個(gè)防反二極管。
電壓隔離變送器的一端與被測(cè)超級(jí)電容模組連接，另一端與可編程邏輯控制器PLC連接。被測(cè)超級(jí)電容模組包含三塊電容，三塊電容串聯(lián)。電壓隔離變送器分別檢測(cè)第一電容的電壓、第二電容的電壓以及第三電容的電壓，并將檢測(cè)到的電壓值以模擬量的方式傳入到可編程邏輯控制器PLC的模擬量輸入端口。第一電容的正極連接主電源斷路器的第一觸點(diǎn)，主電源斷路器的第二觸點(diǎn)與防反二極管的負(fù)極連接，防反二極管的正極連接接入驅(qū)動(dòng)器母線的正極；第三電容的負(fù)極直接接入到驅(qū)動(dòng)器母線的負(fù)極；同時(shí)在第一電容的正極與第三電容負(fù)極之間接入放電回路。該放電回路有兩條線路，一條回路由第一電容的正極經(jīng)過電源斷路器的反饋觸點(diǎn)3.1的一端，電源斷路器的反饋觸點(diǎn)3.1的另一端與手動(dòng)放電開關(guān)串聯(lián)，手動(dòng)放電開關(guān)與放電電阻的一端連接，放電電阻的另一端與第三電容的負(fù)極相連，如此形成一條手動(dòng)放電回路。放電回路的第二條回路由第一電容的正極和與其串聯(lián)的直流接觸器和放電電阻組成，放電電阻的另一端與第三電容的負(fù)極相連，如此形成一條自動(dòng)放電回路；充電器的輸出的正極連接在主電源斷路器的第二觸點(diǎn)，充電器的輸出的負(fù)極則與第三電容的負(fù)極相 連。正常運(yùn)行時(shí)，主電源斷路器閉合，主電源斷路器輔助觸點(diǎn)斷開，手動(dòng)放電開關(guān)斷開，直流接觸器斷開，充電器給超級(jí)電容充電，變槳可編程邏輯控制器PLC分別采集所述超級(jí)電容模組中三個(gè)電容塊的電壓，三個(gè)電容塊的電壓總和為超級(jí)電容模組的電壓。
當(dāng)超級(jí)電容容量檢測(cè)時(shí)間到達(dá)，變槳可編程邏輯控制器PLC開始執(zhí)行超級(jí)電容容量檢測(cè)。首先發(fā)送禁止充電器輸出指令，充電器不再對(duì)被測(cè)超級(jí)電容模組進(jìn)行充電；此時(shí)變槳可編程邏輯控制器PLC記錄放電前的超級(jí)電容模組的電壓以及被測(cè)超級(jí)電容模組內(nèi)三個(gè)超級(jí)電容塊的電壓，然后再發(fā)送電容放電指令，控制直流接觸器吸合，放電回路導(dǎo)通，被測(cè)超級(jí)電容模組通過放電電阻進(jìn)行放電；變槳可編程邏輯控制器PLC記錄每個(gè)周期采集到的被測(cè)超級(jí)電容模組以及三個(gè)電容塊的電壓，并計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻的電流值。經(jīng)過30s后，放電結(jié)束，變槳可編程邏輯控制器PLC斷開直流接觸器；延時(shí)2s后，變槳可編程邏輯控制器PLC記錄此刻的被測(cè)超級(jí)電容模組以及三個(gè)電容塊的電壓；最后通過電容放電電量公式計(jì)算被測(cè)超級(jí)電容模塊的電容值，以及被測(cè)超級(jí)電容模組內(nèi)三個(gè)超級(jí)電容塊的容值，同時(shí)恢復(fù)充電器輸出，充電器對(duì)被測(cè)超級(jí)電容模組充電。
變槳可編程邏輯控制器PLC計(jì)算出4個(gè)電容值：被測(cè)超級(jí)電容模組的電容值和三個(gè)超級(jí)電容塊的容值；變槳可編程邏輯控制器PLC通過判斷電容值的差異來判斷超級(jí)電容塊是否有異常，以便對(duì)變槳系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供保證。
超級(jí)電容塊容值計(jì)算公式為：
放電電量：
電容容值：
上式中，I為電容放電時(shí)的電流，U為放電時(shí)電容的電壓，Q為電容放電的電量，u(t0)為放電開始時(shí)刻電壓，u(t1)為放電結(jié)束后電壓，t0為放電開始時(shí)間，t1為放電結(jié)束時(shí)間，i(t)為放電電流，u(t)為實(shí)時(shí)電壓值，R為放電電阻值，C為電容容值。
本實(shí)用新型的效果：
(1)能夠精確測(cè)量被測(cè)超級(jí)電容模組以及模組內(nèi)三個(gè)電容塊的電壓、容值，也便于判斷電容塊是否不平衡；
(2)在不影響機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電的情況下在線測(cè)試電容容值，測(cè)試過程更加靈活方便。
附圖說明
圖1為超級(jí)電容容量檢測(cè)裝置原理圖，圖中：1被測(cè)超級(jí)電容模組，2充電器，3主電源斷路器，4手動(dòng)放電開關(guān)，5放電電阻，6直流接觸器，7防反二極管，8電壓隔離變送器，9 可編程邏輯控制器。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，本實(shí)用新型風(fēng)電變槳超級(jí)電容容量檢測(cè)裝置包括一個(gè)可編程邏輯控制器PLC 9、一個(gè)電壓隔離變送器8、一個(gè)充電器2、一個(gè)直流接觸器6、一組放電電阻5、一個(gè)主電源斷路器3、一個(gè)手動(dòng)放電開關(guān)4，以及一個(gè)防反二極管7。
被測(cè)超級(jí)電容模組1內(nèi)包含三塊電容C1、C2和C3，電容C1、C2、C3串聯(lián)。電壓隔離變送器分別檢測(cè)第一電容C1的電壓、第二電容C2的電壓以及第三電容C3的電壓，并將檢測(cè)到的電壓值以模擬量的方式傳入可編程邏輯控制器PLC的模擬量輸入端口；從第一電容C1的正極連接主電源斷路器3的第一觸點(diǎn)a，主電源斷路器3的第二觸點(diǎn)b與防反二極管7的負(fù)極連接，防反二極管7的正極連接接入驅(qū)動(dòng)器母線的正極；第三電容C3的負(fù)極直接接入到驅(qū)動(dòng)器母線的負(fù)極；同時(shí)在第一電容C1的正極與第三電容C3負(fù)極之間接入放電回路。該放電回路有兩條線路，一條回路由第一電容C1的正極經(jīng)過電源斷路器3的反饋觸點(diǎn)3.1的一端，電源斷路器3的反饋觸點(diǎn)3.1的另一端與手動(dòng)放電開關(guān)4串聯(lián)，手動(dòng)放電開關(guān)4與放電電阻5的一端連接，放電電阻5的另一端與第三電容C3的負(fù)極相連，如此形成一條手動(dòng)放電回路。第二條回路由第一電容C1的正極和與其串聯(lián)的直流接觸器和放電電阻5組成，放電電阻5的另一端與第三電容C3的負(fù)極相連，如此形成一條自動(dòng)放電回路。充電器2的輸入分別接到交流電的L1端與N端，充電器2輸出的正極連接在主電源斷路器3的第二觸點(diǎn)b，充電器2的輸出的負(fù)極則與第三電容C3的負(fù)極相連。
所述的可編程邏輯控制器PLC 9含有三路模擬量輸入通道，用于采集電壓隔離變送器發(fā)送的模擬量信號(hào)。兩路數(shù)字量輸出通道中的一路用于控制禁止充電器輸出，另一路用于控制直流接觸器的吸合與斷開。電壓隔離變送器8用于采集被測(cè)超級(jí)電容模組中3個(gè)電容塊的電容電壓，將采集到的模擬量信號(hào)發(fā)送給可編程邏輯控制器PLC 9的模擬量通道。充電器2用于對(duì)被測(cè)超級(jí)電容模組充電，當(dāng)可編程邏輯控制器PLC9通過DO點(diǎn)輸出禁止充電器輸出信號(hào)時(shí)，充電器2停止對(duì)被測(cè)超級(jí)電容模組充電。所述直流接觸器6用于控制超級(jí)電容放電回路的通斷。放電電阻5用于超級(jí)電容的放電。主電源斷路器3含一個(gè)常閉輔助觸點(diǎn)3.1。手動(dòng)放電開關(guān)4用于維護(hù)時(shí)手動(dòng)控制超級(jí)電容放電。防反二極管7用于防止驅(qū)動(dòng)器直流母線對(duì)電容充電。
所述的檢測(cè)裝置正常運(yùn)行時(shí)，主電源斷路器3為閉合狀態(tài)，主電源斷路器輔助觸點(diǎn)3.1斷開，手動(dòng)放電開關(guān)4斷開，直流接觸器6斷開，充電器2給被測(cè)超級(jí)電容模組1充電，變槳可編程邏輯控制器PLC 9分別采集所述超級(jí)電容模組1中三個(gè)電容塊C1、C2、C3的電壓，三個(gè)電容塊的電壓總和為超級(jí)電容模組的電壓。
當(dāng)超級(jí)電容容量檢測(cè)時(shí)間到達(dá)，變槳可編程邏輯控制器PLC 9開始執(zhí)行超級(jí)電容容量檢測(cè)。變槳可編程邏輯控制器PLC 9首先發(fā)送禁止充電器2輸出的指令，充電器2不再對(duì)被測(cè)超級(jí)電容模組1進(jìn)行充電；此時(shí)變槳可編程邏輯控制器PLC 9記錄放電前的被測(cè)超級(jí)電容模組1的電壓以及被測(cè)超級(jí)電容模組內(nèi)三個(gè)超級(jí)電容塊C1、C2、C3的電壓，然后變槳可編程邏輯控制器PLC 9再發(fā)送電容放電指令，控制直流接觸器6吸合，放電回路導(dǎo)通，被測(cè)超級(jí)電容模組通過放電電阻進(jìn)行放電；變槳可編程邏輯控制器PLC 9記錄每個(gè)采樣周期采集到的超級(jí)電容模組1以及三個(gè)電容塊C1、C2、C3的電壓，并實(shí)時(shí)計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻的電流值。經(jīng)過30s后，放電結(jié)束，變槳可編程邏輯控制器PLC 9控制直流接觸器6斷開，此時(shí)不再進(jìn)行放電；延時(shí)2s后，變槳可編程邏輯控制器PLC 9記錄此刻的被測(cè)超級(jí)電容模組1以及三個(gè)電容塊C1、C2、C3的電壓；最后通過電容放電電量公式計(jì)算被測(cè)超級(jí)電容模塊的電容值，以及被測(cè)超級(jí)電容模組內(nèi)三個(gè)超級(jí)電容塊的容值，同時(shí)恢復(fù)充電器2輸出，充電器2對(duì)超級(jí)電容模組1進(jìn)行充電。
變槳可編程邏輯控制器PLC計(jì)算出4個(gè)電容值：被測(cè)超級(jí)電容模組的電容值，即三個(gè)電容串聯(lián)的總?cè)葜?、電容塊C1、C2、C3的容值；同時(shí)變槳可編程邏輯控制器PLC9通過判斷電容值的差異來判斷電容塊是否有異常，以便對(duì)變槳系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供保證。