风电机组变桨后备VRLA电源在线监测系统

李 闯，申 烛，张 波，马 龙

(中能电力科技开发有限公司，北京100034)

风电机组变桨系统通过控制叶片桨距角，保证风电机组安全地最大程度利用风能。变桨系统在正常运行时，依靠电网市电工作；当风机出现安全链故障或者电网异常时，变桨系统将切换至后备电池顺桨，用于制动风机，一旦后备电源无法完成顺桨，则极易发生超速飞车、甚至倒塔的重大事故[1]。因此，风机变桨后备电源性能对风机的安全生产起着至关重要的作用。

密封阀控式铅酸蓄电池(VRLA)是风电领域中应用广泛的变桨后备储能装置，由于变桨系统对后备电源有高电压、大功率的要求，因此需要多个蓄电池单体串联使用。厂家承诺的电池寿命为6年，在实际生产中，运行时间超过三年，电池组的失效问题就日趋明显了。究其原因有：电池使用前，在风电场长时间搁置，导致容量损失；风场环境复杂多变，高温或低温使电池性能变差；电池过充、欠充以及串联电池的个体差异加速了电池性能老化[2-4]。因此对蓄电池进行在线监测是非常必要的。

目前风机厂家常用的蓄电池在线监测方法可归结为两种：一是直接监测电池组充放电期间电压、电流、温度；二是给电池组增加一个瞬态放电电路，定期进行放电，测试电池内阻[5-6]。由于内阻较电压等参数与蓄电池的老化程度和剩余容量更加相关，因此监测内阻效果更好[3]，但是对于已投产机组增加瞬态电路比较困难。本系统设计了一套风机变桨后备电源在线监测系统，该系统不影响现有变桨控制系统的正常工作，可以准确预判濒临故障的蓄电池，避免相关事故的发生，同时为蓄电池的维护更换提供科学的依据，大大减轻了运行人员的工作量。

1 在线监测系统总体设计

系统主要由位于风机轮毂的数据采集处理设备、位于中控室的集中监测系统和两者之间的通讯链路组成，如图1所示。

图1 监测系统总体结构

数据采集处理系统负责采集分析蓄电池状态数据，并将数据打包发送给集中监测系统，每个风机叶片电池柜配备一个数据采集处理设备；通讯链路包括轮毂至风机机舱的无线通讯(轮毂相对机舱转动)、机舱至塔底的网线通讯和风机至中控室的光纤网络；集中监测系统负责接收解析和保存各采集系统发送的数据，并将电池的数据信息展示给风场运检人员，包括电池充放电状态、报警信息等，运检人员还可以通过系统查看电池的历史数据信息，通过界面对前置监测系统进行参数配置。

2 数据采集处理系统

风机每个叶片都配有一个蓄电池柜，柜内是三组串联的蓄电池，每个数据采集设备负责采集对应电池柜内三组蓄电池的电压、电流、柜内温度、桨距角、叶片旋转位置，经过计算分析，将结果发送至上级监控系统。采集数据分为快照与实时数据两种，分别源于电池的放电与非放电两类状态。由于放电顺桨一般在15 s内完成，该阶段采样频率设定为100 Hz，保存放电前后20 s的数据。非放电包括充电和断路两种状态，采样频率小于1 Hz。

2.1 采集设备硬件设计

设备采用32位控制专用DSP(型号TMS320F2812)作为运算核心，内含Flash，主频高达150 MHz，具有数字信号处理、事件管理和嵌入式控制功能，适用于大批量数据处理的场合，硬件系统总体框图如图2所示。

图2 数据采集硬件总体框图

为了满足数据处理存储需求，在DSP外部扩展了512 K× 16bit的SRAM存储器和8 MB的Flash存储器。DSP通过16通道12位ADC，采集4组电压变送器与2组电流传感器测量的电池组端电压与电流，由于电流瞬时放电可以达到150 A，因此采用两组量程200、35 A的传感器测量同一电流，合成后获得总电流。叶片桨距角由变桨直流电机的行程折算得到，该行程通过旋转变压器测量。叶片旋转位置通过电池柜的重力加速度传感器获得。设备GPIO接口配置了两个LED灯，用于调试与报警指示，此外该接口还负责与温度、加速度传感器和时钟通讯。设备SCIA和SCIB接口分别转换为RS232和RS485接口，以便适应不同的外部通信设备。

2.2 采集设备软件设计

采集设备软件的整体结构如图3所示，其中：

图3 数据采集软件设计框图

(1)MAIN主函数主要完成系统的自检及初始化动作，初始化完成后进入无限循环模块，在无线循环中主要做一些比较慢的周期性动作，读取角度，读取时钟及分析计算等；

(2)AD采样，使用DSP自带12位AD，最高采样率为1 kHz，采用中断方式处理采集数据；

(3)SCIA/SCIB串口通讯，采用中断方式实现，以提高系统效率，中断服务程序中实现收发、存储和标记是否接收到完整指令；

(4)T0定时中断，用于处理严格的周期性事务，但T0的优先级较高，慢的周期事务程序部分在MAIN的大循环中执行，这里只标记是否需要执行事务；

(5)SPI接口通讯，采用中断方式实现其与旋转变压器和Flash模块的通信，Flash用于存储顺桨过程的采样及相关分析数据以备上位机请求；

(6)GPIO接口通讯，一方面实现状态指示及控制，另一方面由于DSP2812无IIC接口，而加速度传感器、温度传感器和时钟接口为IIC，因此在软件中通过GPIO模拟实现IIC接口通信。

除了上述与硬件接口及时钟主逻辑相关的任务外，系统还设计了队列结构用于处理接收和发送数据，为了使系统具有良好的通用性，系统在传输过程中软件的协议使用MODBUS协议。由于快照数据的数据量较大，约为6 MB，远远超过了Modbus指令的地址空间，但快照数据均不要求单数据访问，因此采用地址空间复用的方式来实现。

3 集中监控系统

3.1 系统模块功能

集中监控系统软件功能包括前置采集模块、数据存储模块、实时监测模块、诊断报警模块、历史数据查询模块、系统管理模块等。集控软件由C++语言开发。

前置采集模块负责所有风机电池柜实时数据和快照数据采集，并读取电池柜参数和执行参数设置。此外模块还通过Modbus协议与风电场SCADA通讯，获取风速等实时数据。

数据存储模块负责存储电池柜的参数、用户信息、实时数据和快照数据。实时数据可设置保存时间，超过时间自动清除，以节约存储空间。数据库采用MySql5.5。

实时监测模块负责将电池柜实时数据在界面上展示。采用树形控件、表格、网格、曲线图等多种方式进行实时和快照数据的展示。

诊断报警模块负责计算实时与快照数据指标，并将指标与对应阈值进行比较及报警，还具备历史报警进行查询与导出功能。

历史数据查询模块可查询历史快照数据，绘制历史曲线，可以对一个电池柜的历史多次放电曲线进行纵向比较，也可以在电池柜之间进行横向比较。

系统管理模块负责参数查询设置和用户管理：参数查询设置可读取电池柜的所有参数并保存在数据库中，也可将设置参数下发给电池柜；用户管理功能可添加和删除用户，并把用户权限分为普通和工程师两级，工程师除具备监视、数据查询和下载功能外，还具备设置风机、电池柜参数等维护权限。

3.2 VRLA蓄电池监测算法

紧急顺桨时，某机型电池柜放电电压、电流曲线分别如图4中实线和虚线所示。放电过程分为启动、工作和恢复三个阶段，启动阶段从ts开始，电压由浮充值陡降至Ub，电流则陡升至It，随后进入工作阶段，电压不断上升，直至te顺桨完成，此时电压从Ue瞬间上升恢复至电压Ur，之后再缓慢上升。

图4 放电顺桨过程

监测算法首先对Ub、Ue、It以及三个电池组的分电压这些直接指标设置阈值进行监测；其次对三个电池组的内阻及内阻之间差异设置阈值进行监测，内阻较直接指标更准确地反映电池组老化情况，而内阻差异则反映老化的不平衡情况，这里利用放电快照数据，采用直流法[7]计算内阻：

式中：Ie为Ue对应的放电电流；通过放电电量、电机平均转速(顺桨速度)、顺桨时间等指标来反应整个变桨系统(蓄电池、电机及其传动轴系和叶片)的运行情况，一旦超出设定阈值，则说明电池性能退化或者顺桨阻力异常；此外，系统还要对各个电池组充电电压进行监测，防范过充问题。

4 结论

本文针对风电机组蓄电池故障检测与维护的实际需求，设计了一套后备电源在线监测系统，系统由风机侧前置设备和风场集中监测子系统两部分组成：前置设备采用DSP技术，实现了蓄电池放电高频数据采样与处理；集中监测子系统实时接收前置设备上传的数据，采用后备动力系统的综合监测算法对蓄电池性能进行评估，对其故障进行预测与报警。

风机蓄电池组健康状态(SOH)的定量化评估可以为蓄电池的维护更换提供定量化依据，然而由于VRLA蓄电池的放电化学机理和老化机制比较复杂，受到温度、放电深度、充电情况等多方面影响，因此SOH预测将作为下一步的研究方向。

[1] 康建.风力发电机变桨系统[J].电器工业，2011(7)：52-57.

[2] 杨建锋，潘磊，王建中，等.风电机组变桨后备电源问题探讨[J].风能，2013(1)：88-90.

[3] 樊磊明，荆丽，谢少洲.浅谈风力发电厂风机变桨电池的维护[J].科技情报开发与经济，2011，21(22)：212-214.

[4]范高锋，赵海翔，戴慧珠.变电站蓄电池性能远程在线监测系统研制[J].电源技术，2010，34(7)：710-712.

[5] 黄雅君.风力发电变桨后备电源智能管理系统[J].现代电子技术，2010(6)：203-210.

[6] 王德贵，王庆峰，李飞，等.风机变桨蓄电池在线监控系统：中国，201110456208[P].2011-12-31.

[7] 张邦洋.蓄电池维护中的电池内阻测试[J].通信电源技术，2002 (2)：26-29.