后备电源系统、风力发电机组及变桨控制方法与流程

1.本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种后备电源系统、风力发电机组机及变桨控制方法。


背景技术：

2.超级电容是变桨系统的后备电源，用于在电网掉电时提供电源，使变桨系统顺利执行收桨操作。但是，超级电容在使用过程中会发生老化，超级电容的满充容量会随着老化降低，无法为变桨系统提供充分的收桨能量，导致风力发电机组后备电源系统的可靠性低。


技术实现要素：

3.本发明实施例提供了一种后备电源系统、风力发电机组及变桨控制方法，能够提高风力发电机组后备电源系统的可靠性。
4.第一方面，本发明实施例提供一种后备电源系统，该后备电源系统包括：基础后备电源、冗余后备电源及控制器；其中，
5.基础后备电源，包括多套第一超级电容模组，每套第一超级电容模组分别通过开关器件与一个变桨执行机构电连接，用于在控制器的控制下为变桨执行机构供电；
6.冗余后备电源，包括一套第二超级电容模组，第二超级电容模组与各变桨执行机构通过开关器件连接，用于在控制器的控制下为变桨执行机构供电；
7.控制器，用于在变桨执行机构的外部电源掉电时，根据叶片的实时桨距角确定要投切的超级电容模组和变桨速度，使相应的超级电容模组为变桨执行机构供电，以使各变桨执行机构按照变桨速度执行变桨。
8.第二方面，本发明实施例提供一种风力发电机组，该风力发电机组包括如上所述的后备电源系统。
9.第三方面，本发明实施例提供一种风力发电机组变桨控制方法，风力发电机组变桨控制方法应用于具有如上所述的后备电源系统的风力发电机组，该风力发电机组变桨控制方法包括：
10.在风力发电机组变桨执行机构的外部电源掉电时，根据叶片的实时桨距角确定要投切的超级电容模组和变桨速度；
11.控制要投切的超级电容模组对应的开关器件导通，以接通相应的超级电容模组为相应变桨执行机构的供电；
12.将所确定的变桨速度发送至各变桨执行机构的驱动器，以控制各变桨执行机构根据变桨速度对叶片进行变桨。
13.第四方面，本发明实施例提供一种风力发电机组理论功率的确定设备，该确定设备包括：处理器、存储器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序；处理器执行计算机程序时实现如上所述的风力发电机组变桨控制方法。
14.第五方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上
存储计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上所述的风力发电机组变桨控制方法。
15.本发明实施例的后备电源系统，在基础后备电源的基础上，额外配置了冗余后备电源，并且，冗余后备电源分别与各叶片轴的变桨执行机构连接，能够在变桨执行机构的外部电源掉电时，对各叶片轴的变桨执行机构进行补充供电，从而能够提高风力发电机组后备电源系统的可靠性。
16.此外，由于收桨过程中，随着桨距角的逐渐变大，叶片载荷和需要的变桨速度也在变化，各变桨执行机构需要的驱动电流也相应变化，即需要投切的超级电容模组的数量也在变化，因此，发明实施例在变桨执行机构的外部电源掉电的情况下，根据叶片的实时桨距角确定要投切的超级电容模组和变桨速度，使相应的超级电容模组为变桨执行机构供电，并使各变桨执行机构按照变桨速度执行变桨，能够实现对超级电容模组的精准投切，使收桨过程中超级电容模组的能耗降至最低，从而实现后备电源系统的最优供电。
附图说明
17.图1为本发明实施例提供的变桨系统的供电拓扑示意图；
18.图2为本发明实施例提供的风力发电机组后备电源系统的结构示意图；
19.图3为本发明一实施例提供的风力发电机组变桨控制方法的流程示意图；
20.图4为本发明另一实施例提供的风力发电机组变桨控制方法的流程示意图；
21.图5为本发明实施例提供的设置有模组电压检测电路的风力发电机组后备电源系统的结构示意图；
22.图6为本发明实施例提供的模组电压检测电路的结构示意图；
23.图7为本发明一个实施例提供的设置有过压检测和均压电路的风力发电机组后备电源系统的结构示意图；
24.图8为本发明实施例提供的过压检测和均压电路的结构示意图；
25.图9为本发明另一实施例提供的设置有过压检测和均压电路的风力发电机组后备电源系统的结构示意图。
具体实施方式
26.下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。
27.风力发电机组工作时，变桨系统用于对风力发电机组叶片的桨距角进行调节。桨距角的定义为：将风力发电机组的三个叶片所在的平面作为一个参考面，任何一个叶片与该参考面之间的夹角。
28.桨距角的角度调节值由风力发电机组的运行情况决定。当风力发电机组在正常运行中的风速超过额定风速时，变桨系统可以对叶片的桨距角进行微调，以使风力发电机组的转速保持恒定，从而控制风力发电机组输出恒定功率。当风力发电机组发生故障时，变桨系统可以执行紧急收桨功能，也称为顺桨或者收桨，即将叶片的桨距角从当前角度调节至90
°
附近，实现气动刹车以保障风力发电机组安全。
29.图1为本发明实施例提供的变桨系统的供电拓扑示意图。请参看图1，变桨系统包
括对应三个叶片轴的充电器、超级电容模组、变桨驱动器和变桨电机。充电器的输入端与外部电源(比如电网)连接。充电器的输出端分别与超级电容和变桨驱动器连接，变桨驱动器与变桨电机连接，其中，超级电容还与变桨驱动器连接。
30.其中，超级电容又名电化学电容器，是一种介于传统电容器与电池之间的电化学元件。超级电容主要依靠双电层和氧化还原电容电荷储存电能，但其在储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，因此风力发电机组中的超级电容可以反复充放电数十万次。
31.正常工作时，可以由外部电源通过充电器对超级电容模组充电，由超级电容模组为变桨驱动器供电，以驱动变桨电机运行。也可以直接由外部电源通过充电器为变桨驱动器供电，以驱动变桨电机运行。充电器除了对超级电容模组充电外，还可以和超级电容模组一起为变桨驱动器供电，以驱动变桨电机运行，使叶片旋转预定角度。由于超级电容模组的电压在向变桨驱动器供电的过程中会低于额定电压，也可以由充电器为超级电容模组进行充电补充，以使超级电容模组的电压维持在额定电压。
32.当电网发生故障后，比如电网掉电或者低电压穿越时，变桨系统可以由后备电源，比如超级电容模组进行供电，以执行变桨操作。但是，超级电容在使用过程中会发生老化，超级电容的满充容量会随着老化降低，无法为变桨系统提供充分的变桨能量，导致风力发电机组后备电源系统的可靠性低。
33.基于此，本发明实施例提供一种风力发电机组后备电源系统，参看图2，该风力发电机组后备电源系统包括：基础后备电源201、冗余后备电源202及控制器(图2中未示出)。
34.其中，基础后备电源201包括多套第一超级电容模组，每套第一超级电容模组分别通过开关器件与一个变桨执行机构电连接，用于在控制器的控制下为变桨执行机构供电。图2中示出的多套第一超级电容模组包括：超级电容模组1、超级电容模组2和超级电容模组3，其中，超级电容模组1通过开关器件k1与变桨驱动器1和变桨电机1连接，超级电容模组2通过开关器件k2与变桨驱动器2和变桨电机1连接，超级电容模组3通过开关器件k3与变桨驱动器3和变桨电机3连接。
35.冗余后备电源202包括至少一套第二超级电容模组，第二超级电容模组与各变桨执行机构通过开关器件连接，用于在控制器的控制下为变桨执行机构供电。图2中示出的第二超级电容模组包括：超级电容模组0，超级电容模组0通过开关器件k0与变桨驱动器1和变桨电机1分别连接，通过开关器件k4与变桨驱动器2和变桨电机2分别连接，还通过开关器件k5与变桨驱动器3和变桨电机3分别连接。
36.如上，本发明实施例的风力发电机组后备电源系统，在基础后备电源201的基础上，额外配置了冗余后备电源202，并且，冗余后备电源202分别与各叶片轴的变桨执行机构连接，能够在变桨执行机构的外部电源掉电时，对各叶片轴的变桨执行机构进行补充供电，从而能够提高风力发电机组后备电源系统的可靠性。
37.基于上述风力发电机组的后备电源系统，控制器可以在变桨执行机构的外部电源掉电时，根据叶片的实时桨距角确定要投切的超级电容模组和变桨速度，使相应的超级电容模组为变桨执行机构供电，以使各变桨执行机构按照变桨速度执行变桨。
38.为便于理解，请参看图3，应用于具有上述后备电源系统的风力发电机组变桨控制方法可以包括：
39.步骤301，在风力发电机组变桨执行机构的外部电源掉电时，根据叶片的实时桨距角确定要投切的超级电容模组和变桨速度。
40.步骤302，控制要投切的超级电容模组对应的开关器件导通，以接通相应的超级电容模组为相应变桨执行机构的供电。
41.步骤303，将所确定的变桨速度发送至各变桨执行机构的驱动器，以控制各变桨执行机构根据变桨速度对叶片进行变桨。
42.下面对根据叶片的实时桨距角确定要投切的超级电容模组和变桨速度的过程进行详细说明：
43.(1)若叶片的实时桨距角处于第一预设角度范围，则控制器可以将第一超级电容模组(包括超级电容模组1、超级电容模组2和超级电容模组3)和第二超级电容模组(包括超级电容模组0)确定为要投切的超级电容模组，以及将第一速度确定为变桨速度。
44.示例性地，第一预设角度范围为0～β1，30
°
≤β1≤50
°
，第一速度可以为9
°
/s。这是由于收桨过程中，叶片在小角度下运行的时间越短，风力发电机组越安全，为提高风力发电机组的安全性，可以使叶片以一个较大的速度变桨，但是，由于叶片在小角度下运行时载荷较大，此时如果提高变桨速度，各变桨执行机构需要的驱动电流会很大，此时，在将基础后备电源中的超级电容模块切入各变桨执行机构的供电线路的前提下，只有将冗余后备电源中的超级电容模块切入各变桨执行机构的供电线路才能够满足供电需求。具体实施时，可以将开关器件k0～k5全部闭合，使所有的超级电容模块都投入使用，此时投入的电容模块最多，放电电流最大，叶片也最大按照9
°
/s进行收桨；
45.(2)若叶片的实时桨距角处于第二预设角度范围，则控制器可以将第一超级电容模组(包括超级电容模组1、超级电容模组2和超级电容模组3)确定为要投切的超级电容模组，以及将第二速度确定为变桨速度。
46.其中，第一桨距角范围的上限值小于第二桨距角范围的下限值，第二速度小于第一速度。示例性地，第二预设角度范围为β1～β2，65
°
≤β2≤75
°
，第二速度可以为7
°
/s。
47.这是由于随着叶片桨距角的减小，叶片载荷变小，各变桨执行机构需要的驱动电流会相应变小，此时，只要将基础后备电源中的超级电容模块切入各变桨执行机构的供电线路即能够满足供电需求。具体实施时，可以将开关器件k0、k4、k5断开，k1、k2、k3闭合，使超级电容模块1/2/3投入使用，此时使用的超级电容模块数量为3个，能提供的电流变小，叶片旋转的速度最大按照7
°
/s进行收桨。
48.(3)若叶片的实时桨距角处于第三预设角度范围，则控制器可以将第一超级电容模组(包括超级电容模组1、超级电容模组2和超级电容模组3)确定为要投切的超级电容模组，以及将第三速度确定为变桨速度。
49.其中，第二桨距角范围的上限值小于第三桨距角范围的下限值，第三速度小于第二速度。示例性地，第三预设角度范围为β2～β3，85
°
≤β3≤90
°
，第三速度可以为5
°
/s。
50.这是由于随着叶片桨距角的持续减小，叶片载荷持续变小，各变桨执行机构需要的驱动电流会相应持续变小，桨叶收桨已经接近尾声，虽然超级电容电压也大大下降，超级电容能提供的电流变小，可以保持将基础后备电源中的超级电容模块切入各变桨执行机构的供电线路，具体实施时，可以将开关器件k0、k4、k5断开，k1、k2、k3闭合，使超级电容模块1/2/3投入使用，此时使用的超级电容模块数量为3个，同时使叶片旋转的速度最小按照5
°
/
s进行收桨直至整个收桨过程完成。
51.具体实施时，可以按照图4中的步骤执行本发明实施例的风力发电机组变桨控制方法，如图4所示，该风力发电机组变桨控制方法包括：
52.步骤401，风力发电机组开始收桨后，动态检测叶片桨距角；
53.步骤402，判断叶片桨距角是否达到40
°
，若是，则执行步骤403，否则执行步骤405；
54.步骤403，控制开关器件k0-k5全部闭合；
55.步骤404，控制变桨执行机构按照9
°
/s速度收桨；
56.步骤405，判断叶片桨距角是否达到70
°
，若是，则执行步骤406，否则执行步骤408；
57.步骤406，控制开关器件k0、k4和k5断开，k1、k2和k3闭合；
58.步骤407，控制变桨执行机构按照7
°
/s速度收桨；
59.步骤408，判断叶片桨距角是否达到88
°
，若是，则执行步骤409，否则收桨结束；
60.步骤409，控制开关器件k0、k4和k5断开，k1、k2和k3闭合；
61.步骤410，控制变桨执行机构按照5
°
/s速度收桨。
62.如上，由于收桨过程中，随着桨距角的逐渐变大，叶片载荷和需要的变桨速度也在变化，各变桨执行机构需要的驱动电流也相应变化，即需要投切的超级电容模组的数量也在变化，因此，发明实施例在变桨执行机构的外部电源掉电的情况下，根据叶片的实时桨距角确定要投切的超级电容模组和变桨速度，使相应的超级电容模组为变桨执行机构供电，并使各变桨执行机构按照变桨速度执行变桨，能够实现对超级电容模组的精准投切，使收桨过程中超级电容模组的能耗降至最低，从而实现后备电源系统的最优供电。
63.本发明实施例的风力发电机组后备电源系统还可以包括多个模组电压检测电路，每个模组电压检测电路用于检测一套超级电容模组的电压。参看图5，模组电压检测电路0用于检测超级电容模组0的电压，模组电压检测电路1用于检测超级电容模组1的电压，模组电压检测电路2用于检测超级电容模组2的电压，模组电压检测电路3用于检测超级电容模组3的电压。
64.由于超级电容模组的异常或者故障时，其电压值会发生波动，因此，控制器203还可以接收多个模组电压检测电路反馈的电压值，并将电压值与预设电压阈值进行比对，若电压值超出预设电压阈值，则生成第一报警信息，报警信息用于指示相应的超级电容模组发生电压波动过大故障。示例性地，预设电压阈值可以为超级电容模组的正常电压值上浮20％或者下降20％。
65.请参看图6，图6给出了模组电压检测电路的一个简单示例，在图6的模组电压检测电路中，j2连接的是待测超级电容模组的正极和负极，待测超级电容模组的正极和负极之间的电压经过电阻r23、电阻r29、电阻r31的分压后，经过电容c20、电阻r24、电阻r27、电容c18构成的滤波器滤波，滤波后的电压信号进入放大器芯片u4、u5进行隔离放大，其中，r22、r25、r30、r28与r19组成放大器，r26、c21组成一个低通滤波器。隔离放大后的信号经v2input端口输出到a/d转换芯片进行a/d转换。各模组电压检测电路检测到的电压经对应的a/d转换芯片转换后到达控制器，控制器最后得到整个后备电源的模组电压的数字量信号以及变化情况。
66.需要说明，图6仅为模组电压检测电路的一个简单示例，本发明实施例中不对模组电压检测电路的具体结构进行限制。
67.具体地，每个第一超级电容模组和每个第二超级电容模组均可以包括多个超级电容单元，每个超级电容单元包括至少一个超级电容单体。
68.在一示例中，每个超级电容模组可以包括120个超级电容单元，每个超级电容单元可以包括3个超级电容单体。
69.在另一示例中，每个超级电容模组也可以包括90个超级电容单元，每个超级电容单元可以包括4个超级电容单体。
70.本发明实施不限定超级电容模组中超级电容单元的数量，以及超级电容单元中超级电容单体的数量。对应地，本发明实施例风力发电机组后备电源系统还可以包括多个过压检测及均压电路，每个过压检测及均压电路用于检测一个超级电容单元的电压，并在超级电容单元的电压超出预设电压阈值时输出第一电平信号，在超级电容单元的电压未超出预设电压阈值时输出第二电平信号。
71.请参看图7，图7示出的超级电容模组包括2n个超级电容单元和2n个过压及均压电路，每个超级电容单元包括3个超级电容单体，其中，过压检测及均压电路11用于检测超级电容单元11的电压，过压检测及均压电路12用于检测超级电容单元12的电压，过压检测及均压电路13用于检测超级电容单元13的电压，过压检测及均压电路21用于检测超级电容单元21的电压，过压检测及均压电路22用于检测超级电容单元22的电压，过压检测及均压电路23用于检测超级电容单元23的电压。
72.请参看图8，图8给出了过压检测及均压电路的一个简单示例，图8中示出的过压检测及均压电路包括：精密稳压源u1、光电耦合器u2、电容c10、三极管q1、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7及第八电阻r8；其中，第一电阻r1的第一端、第二电阻r2的第一端、第三电阻r3的第一端并联连接，作为过压检测及均压电路的一个电压输入端，用于连接待测超级电容单元的正极v ；第七电阻r7的第二端、第五电阻r5的第二端、精密稳压源u1的阳极、光电耦合器u2中发光二极管的阴极并联连接，作为过压检测及均压电路的另一个电压输入端，用于连接待测超级电容单元的负极v-；电容c10连接在第一电阻r1的第二端与第二电阻r2的第二端之间，第四电阻r4的第一端、精密稳压源u1的阴极、第二电阻r2的第二端连接；精密稳压源u1的ref连接在第一电阻r1的第二端及第七电阻r7的第一端之间；第三电阻r3的第二端与三极管q1的发射极连接；第四电阻r4的第二端与三极管q1的基极、第五电阻r5的第一端分别连接；第六电阻r6的第一端与发光二极管的阴极连接；光电耦合器u2中光敏三极管q1的集电极与电源连接；光敏三极管q1的发射极作为单元过压检测及均压电路的输出端，与第八电阻r8的第一端连接，用于连接控制器203；第八电阻r8的第二端接地。
73.在图8的过压检测及均压电路中，v 和v-连接至每个超级电容单元的正极和负极，r1和r7用于设置过压参考点，如果待测超级电容单元的正极和负极之间的电压经过电阻r2和r4分压后的电压大于参考点电压，说明超级电容单元发生过电压，此时，三极管q1导通，光电耦合器u2中光敏二极管导通，flag1输出高电平给控制器203。
74.控制器203还用于接收上述2n个过压检测及均压电路的flag1输出的电平信号，若接收到第一电平信号(比如高电平)，则生成第二报警信息，第二报警信息用于指示该相应的超级电容单元发生电压超限故障。运维人员可以根据该报警信息准确定位故障来源，明确是哪个超级电容单元对应的超级电容发生故障。
75.需要说明，图8仅为过压检测及均压电路的一个简单示例，该电路独立设置，具有使用元器件少、可靠性高、检测精准和成本低的优点，、在检测到过压时还能够通过r6和r8进行电压释放，达到均压的目的。本发明实施例中不对模组电压检测电路的具体结构进行限制。
76.当超级电容单元的数量过多时，将每个过压检测及均压电路的flag1输出端均接入控制器203会造成引线过多，增加过压检测及均压电路的布线难度和成本，为解决该问题，本发明实施例风力发电机组后备电源系统还可以包括多个逻辑处理电路；每个逻辑处理电路用于接收来自预定数目的过压检测及均压电路输出的多个电平信号，并对多个电平信号进行逻辑处理，根据逻辑处理结果输出电平信号。
77.为便于理解，图9中简要示出了两个逻辑处理电路，其中，逻辑处理电路1用于接收来自过压检测及均压电路11-1n输出的n个电平信号，逻辑处理电路2用于接收来自过压检测及均压电路21-2n输出的n个电平信号。示例性地，逻辑处理电路可以为或门处理器，比如，接收到的n个电平信号中，只要有任一电平信号为高电平信号，则输出高电平信号。
78.该实施例中，控制器203还用于接收多个逻辑处理电路输出的多个电平信号，若存在一个逻辑处理电路，该逻辑处理电路输出的电平信号为第一电平信号，则生成第三报警信息，第三报警信息用于指示该逻辑处理电路对应的超级电容单元发生电压超限故障。在平衡布线难度和成本的前提下，运维人员可以根据该报警信息粗略定位故障来源，明确是哪些超级电容单元对应的超级电容发生故障。
79.本发明实施例还提供一种风力发电机组，该风力发电机组包括：如上所述的风力发电机组后备电源系统。
80.本发明实施例还提供一种风力发电机组理论功率的确定设备，该确定设备包括：处理器、存储器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序；处理器执行计算机程序时实现如上所述的风力发电机组变桨控制方法。
81.本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上所述的风力发电机组变桨控制方法。
82.需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于装置实施例而言，相关之处可以参见方法实施例的说明部分。本发明实施例并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。本领域的技术人员可以在领会本发明实施例的精神之后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
83.以上所述的结构框图中所示的功能块可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(asic)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明实施例的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、rom、闪存、可擦除rom(erom)、软盘、cd-rom、光盘、硬盘、光纤介质、射频(rf)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。
84.本发明实施例可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而系统体系结构并不脱离本发明实施例的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明实施例的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明实施例的范围之中。