CN104682521B - 用于风力发电机组变桨控制***的超级电容器实时检测***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于风力发电机组变桨控制***的超级电容器实时检测***，包括：一充电器、一设于所述变桨控制***内的超级电容器、一继电器、一充电电流检测装置、一设于所述变桨控制***内的控制器以及一电压检测模块，控制器包括一掉电保持内存单元、时间检测模块以及一内阻计算模块以及一电容容量计算模块；继电器包括一线圈以及一开关，充电器通过开关与超级电容器的正级相连，超级电容器的负极与所述充电器相连以形成一充电回路；继电器的线圈的第一端与控制器相连，线圈的第二端接地，通过所述控制器产生的电流使所述开关接通，以使充电器对超级电容器充电。本发明还公开了一种用于风力发电机组变桨控制***的超级电容器实时检测方法。

Description

用于风力发电机组变桨控制***的超级电容器实时检测*** 及方法

技术领域

本发明涉及一种实时检测***及方法，特别涉及一种用于风力发电机组变桨控制***的超级电容器实时检测***及方法。

背景技术

风能是一种无污染、可再生的绿色环保能源，极具开发潜力。风力发电机组是一种将风能转化为电能的设备，是风能利用的主要形式。近年来，风力发电技术经历了飞速发展，在发展过程中，风力发电机组控制技术的发展起了决定作用，桨叶驱动控制技术的发展对整体技术的发展发挥了重要的推动作用。桨叶控制关系到整个风电机组的安全，因此桨叶控制装置的可靠性显得尤为重要，在桨叶回到安全位置前，必须保证驱动桨叶的能量供给，即使是在电网断电的情况下。

目前我国乃至全球的风力发电设备中的变桨控制装置主要有两种主流产品：一种是采用直流电机作为执行部件、蓄电池作为后备电源的直流伺服驱动控制***，第二种是采用交流电机作为执行部件、超级电容作为后备电源的交流驱动控制***。由于蓄电池在使用寿命和低温性能方面的劣势，逐步被超级电容所取代，无论是直流变桨***还是交流变桨***，使用超级电容作为后备电源已经成为一种趋势。

超级电容是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能，因而不同于传统的化学电源。超级电容器具有功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽等优点，在交通、电力、医药以及国防工业等领域得到广泛使用。

但是超级电容器在使用过程中随着使用时间的延长和充放电次数的增加，其容量会不断下降，其内阻会逐渐增大，存储电能的性能将逐步降低直至失效。一旦失效，在变桨控制***主电源失电或故障时，作为备用电源的超级电容将不能提供足够的电能使桨叶运转到安全位置，很有可能引发安全事故。因此，对超级电容的主要性能指标进行实时检测十分必要且非常重要。

现有技术对超级电容的检测方法主要有：

1.在***中增加专门的检测单元，即增加充电电流检测和模拟量输入模块的方法对超级电容的容量和内阻等主要参数进行监测。该方法的优点是检测准确、及时，缺点是会增加***成本；

2.在充电器中增加通讯功能，将充电电压电流实时上传***控制器。该方法的优点是不需增加专门的监测单元，又能比较准确及时地检测，确定是会增加充电器的技术难度和成本，同时会增加***通讯结构的复杂程度，降低***的可靠性；

3.实时检测超级电容端电压以判断超级电容是否失效。该方法的优点是简单、成本低，缺点是不能对超级电容的容量和内阻等主要参数进行准确测量，只有当超级电容的性能影响到整个***的功能时才能判断电容已失效，无法对电容的失效作预先判断，这将会对整个风电机组带来较大的安全隐患；

4.超级电容器模组的中间电压检测方法。该方法的优点也是简单、成本低，缺点是中间电压检测多受到模组均压线路的影响不能准确判断模组是否失效。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：提供了一种成本低廉、检测度精准的用于风力发电机组变桨控制***的超级电容器实时检测***及方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种用于风力发电机组变桨控制***的超级电容器实时检测***，包括：一充电器、设于所述变桨控制***内的一超级电容器、一继电器、一充电电流检测装置、一设于所述变桨控制***内的控制器、一电压检测模块以及一时间检测模块，所述控制器包括一掉电保持内存单元、一内阻计算模块以及一电容容量计算模块；所述继电器包括一线圈以及一开关，所述充电器通过开关与所述超级电容器的正级相连，所述超级电容器的负极与所述充电器相连以形成一充电回路；所述继电器的线圈的第一端与所述控制器相连，所述线圈的第二端接地，通过所述控制器产生的电流使所述开关接通，以使充电器对所述超级电容器充电； 所述充电电流检测装置用于在所述充电器在额定恒定充电状态时，检测充电器的输出电流，并将该电流值保存至所述控制器的掉电保持内存单元内；所述电压检测模块，用于在充电器每一次对超级电容器充电时实时检测超级电容端的电压；所述时间检测模块，用于测量充电器每一次对超级电容充电的充电时间；所述电容容量计算模块，用于根据每一次充电时检测到的充电时间、每一次开始充电时与结束充电时超级电容端电压的差值和保存在掉电保持内存单元内的充电电流进行计算以得到超级电容器的容量；所述内阻计算模块，用于根据每一次充电状态下停止充电前最后时刻、停止充电后且充电电流为0的第一时刻超级电容端电压的差值和保存在掉电保持内存单元内的充电电流得到超级电容器的内阻。

进一步的，所述电容容量计算模块，还用于通过公式C=I·dt/dVc得到每一次充电后的超级电容器的电容容量；其中，所述C为电容容量，I为保存在掉电保持内存单元内的充电电流，dt为每一次充电时间，dVc为每一次开始充电时与结束充电时超级电容端电压的差值。

进一步的，所述内阻计算模块，还用于通过公式R=(V2-V1)/I得到每一次充电后的超级电容器的内阻；其中，所述R为内阻，I为保存在掉电保持内存单元内的充电电流，V1为每一次停止充电前最后时刻的电容端的电压，V2为每一次停止充电后第一时刻且充电电流为0时超级电容端的电压。

进一步的，所述充电器采用AC/DC充电器。

进一步的，所述充电电流检测装置为一外接的充电电流检测仪，它的检测端接于所述开关与所述超级电容器的正级之间。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种用于风力发电机组变桨控制***的超级电容器实时检测方法，采用上述实时检测***进行检测，包括：

通过充电电流检测装置对所述充电器在额定恒定充电状态时的输出电流；

将检测到的充电电流存储至所述控制器的掉电保持内存单元；

通过电压检测模块在充电器每一次对超级电容器充电时实时检测超级电容端的电压；

使时间检测模块检测充电器每一次对超级电容器充电的充电时间；

使电容容量计算模块根据每一次充电时检测到的充电时间、每一次开始充电时与结束充电时超级电容端电压的差值和保存在控制器的掉电保持内存单元内的充电电流进行计算以得到超级电容器的电容容量；

使内阻计算模块根据每一次充电状态下停止充电前最后时刻、停止充电后且充电电流为0的第一时刻超级电容端的电压的差值和保存在掉电保持内存单元内的充电电流得到超级电容器的内阻。

其中，在使电容容量计算模块计算每一次充电后超级电容器的电容容量的步骤中，还包括：

通过公式C=I·dt/dVc得到每一次充电后的超级电容器的电容容量；其中，所述C为电容容量，I为保存在掉电保持内存单元内的充电电流，dt为每一次充电时间，dVc为每一次开始充电时与结束充电时超级电容端电压的差值。

其中，在使内阻计算模块计算每一次充电后的超级电容器的内阻的步骤中，还包括：

通过公式R=(V2-V1)/I得到每一次充电后的超级电容器的内阻；其中，所述R为内阻，I为保存在掉电保持内存单元内的充电电流，V1为每一次停止充电前最后时刻的电容端的电压，V2为每一次停止充电后第一时刻且充电电流为0时超级电容端的电压。

本发明相比现有技术，在不专门增加充电电流检测单元和充电器不具备与***控制器通讯上传充电电流数据的情况下，利用超级电容充电器所具备的输出可控功能，实现超级电容容量和内阻的实时检测，为超级电容的失效预警提供依据。使实时检测***的结构更简单、制造成本更低，并且检测值较为精准。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1本发明用于风力发电机组变桨控制***的超级电容器实时检测***的方框图。

图2是本发明用于风力发电机组变桨控制***的超级电容器实时检测方法一实施例的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

首先，在对实施例进行描述之前，有必要对本文中出现的一些术语进行解释。例如：

本文中若出现使用“第一”、“第二”等术语来描述各种元件，但是这些元件不应当由这些术语所限制。这些术语仅用来区分一个元件和另一个元件。因此，“第一”元件也可以被称为“第二”元件而不偏离本发明的教导。

另外，应当理解的是，当提及一元件“连接”或者“联接”到另一元件时，其可以直接地连接或直接地联接到另一元件或者也可以存在中间元件。相反地，当提及一元件“直接地连接”或“直接地联接”到另一元件时，则不存在中间元件。

在本文中出现的各种术语仅仅用于描述具体的实施方式的目的而无意作为对本发明的限定。除非上下文另外清楚地指出，则单数形式意图也包括复数形式。

当在本说明书中使用术语“包括”和 / 或“包括有”时，这些术语指明了所述特征、整体、步骤、操作、元件和 / 或部件的存在，但是也不排除一个以上其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和 / 或其群组的存在和 / 或附加。

关于实施例：

请参见图1，本实施例的用于风力发电机组变桨控制***的超级电容器实时检测***，包括：一充电器11、设于所述变桨控制***内的一超级电容器C、一继电器、一充电电流检测装置13、一设于所述变桨控制***内的控制器14、一电压检测模块15以及一时间检测模块16，所述控制器14包括一掉电保持内存单元141、一内阻计算模块143以及一电容容量计算模块144。

所述继电器包括一线圈L以及一开关K，所述充电器11通过开关K与所述超级电容器C的正级相连，所述超级电容器C的负极与所述充电器11相连以形成一充电回路；所述继电器的线圈L的第一端与所述控制器14相连，所述线圈L的第二端接地，通过所述控制器14产生的电流使所述开关K接通，以使充电器11对所述超级电容器C充电， 本实施例中，所述充电器11采用AC/DC充电器11。

所述充电电流检测装置13用于在所述充电器11在额定恒定充电状态时，检测充电器11的输出电流，并将该电流值保存至所述控制器的掉电保持内存单元141内。本实施例中，所述充电电流检测装置13在充电器11第一次为超级电容器C充电时，检测充电器的输出电流。可以理解的，在不同的实施例中，所述充电电流的检测时间不限于上文的描述，它可以是在出厂初始状态下进行检测后保存到所述掉电保持内存单元141内，也可以是用户购买后，使用的过程中利用所述充电电流检测装置13自行检测后保存在所述掉电保持内存单元141内。本实施例中，所述充电电流检测装置13为一外接的充电电流检测仪，当需要检测第一次充电的充电电流时，使它的检测端接于开关K与所述超级电容器C的正级之间，再将检测到的充电电流保存至控制器14的掉电保持内存单元141即可。当充电电流检测仪检测完充电电流时，即可拔出，采用这种方式，使得可以采用现有的任何一种可以检测电流的仪器，不需要再实时检测***内部增设专门的电流检测仪器，从制造成本上来考虑，这种方式降低了制造成本，节约了材料。当然，可以理解的，在其他的实施例中，也可以专门为每一个实时检测***配置一个充电电流检测装置13，在这种方式中，充电电流检测装置13的检测端连接于所述开关K与所述超级电容器C的正极之间，该充电电流检测装置13的另一端还与控制器14的掉电保持内存单元141连接，以将检测到的第一次充电的充电电流保存至所述掉电保持内存单元141。

所述电压检测模块15，用于在充电器11每一次对超级电容器充电时实时检测超级电容端的电压。可以理解的，所述电压检测模块15可以内置于所述控制器14内，也可以是一独立的电压检测模块15。当所述电压检测模块15为独立的模块时，它连接于所述控制器14和所述充电器11及超级电容器C的节点之间。

所述时间检测模块16，用于测量充电器11每一次对超级电容器C充电的充电时间；所述时间检测模块16可以内置于所述控制器14内。

所述电容容量计算模块144，用于根据每一次充电时检测到的充电时间、每一次开始充电时与结束充电时超级电容端电压的差值和保存在掉电保持内存单元141内的充电电流进行计算以得到超级电容器C的容量。本实施例中，所述电容容量计算模块144可以通过以下方式来计算每一次充电后超级电容器C的电容容量：

通过公式C=I·dt/dVc得到每一次充电后的超级电容器C的电容容量；其中，所述C为电容容量，I为保存在掉电保持内存单元141内的充电电流，dt为每一次充电时间，dVc为每一次开始充电时与结束充电时超级电容端电压的差值。

所述内阻计算模块143，用于根据每一次充电状态下停止充电前最后时刻、停止充电后且充电电流为0的第一时刻超级电容端电压的差值和保存在掉电保持内存单元141内的充电电流得到超级电容器的内阻。所述停止充电后的充电电流可以通过现有的任何一种方式检测得到，此处便不再进行一一赘述。本实施例中，所述内阻计算模块143可以通过以下方式来计算每一次充电后超级电容器C的内阻：

通过公式R=(V2-V1)/I得到每一次充电后的超级电容器的内阻；其中，所述R为内阻，I为保存在掉电保持内存单元141内的充电电流，V1为每一次停止充电前最后时刻的电容端的电压，V2为每一次停止充电后第一时刻且充电电流为0时超级电容端的电压。

在普通现有以超级电容为后备电源的风力发电机组变桨控制***中，没有专门的充电电流检测和充电器11与控制器14通讯上传充电电流数据的功能，但 dt、dVc、V1、V2为可测量，根据上述公式，欲知电容的容量和内阻，必须知道充电电流值。我们可以通过一种简单的方法获取充电电流值，即用专门的电流测量仪器测量，然后将其输入保存到***控制器14的掉电保持单元中，***在自动运行过程中可以将该值取出直接使用计算。当充电器11损坏更换后，重新测量充电电流并保存。

本发明实施方式，充电器11的线缆是直接与所述超级电容器C连接的，当所述电压检测模块15检测到所述超级电容端电压下降到一预设值时，将检测结果反馈至所述控制器14，控制器14输出电流控制线圈L通电，将充电电流检测装置13的检测端接于开关K与超级电容器C的正极，再将检测到的充电电流存入控制器14的掉电保持内存单元141；再根据后续的每一次充电，实时检测充电电压、充电时间，根据每一次的充电电压、充电时间以及存储的充电电流计算出超级电容器C的容量以及内阻，根据容量和内阻分析超级电容器C的使用寿命。

本发明实施方式，测量结果的准确性取决于三个主要参数，即充电时间、充电时和充电结束后的电压以及电流的精度，其中，电压和时间由电压检测模块15和测量精度决定，电流精度由外用的充电电流检测装置13和测量人员的测量水平决定，得到上述的主要参数，即可实时的测出每一次充电后超级电容的容量和内阻。得到超级电容器C的容量和内阻后，即可分析出超级电容的性能和大致的使用寿命，以确定是否需要更换超级电容器C，进一步地保证了驱动桨叶的能量供给。该实时检测***是在不增加专门的电流检测单元和通讯功能的条件下，既不增加***成本又不降低***可靠性，却能简单方便地实现超级电容容量内阻参数实时检测的功能。本实时检测***由于不需要增加新的功能和装置，仅需要通过控制器14内部的功能和一个外部的充电电流检测装置13即可实现对超级电容器C的检测，使实时检测***的结构更简单、制造成本更低，并且检测值较为精准。

请参见图2，图2是本发明用于风力发电机组变桨控制***的超级电容器C实时检测方法一实施例的流程图。本实施例的用于风力发电机组变桨控制***的超级电容器C实时检测方法包括以下步骤：

S101、在每一次需要充电时，控制器14控制控制线圈L通电，以使充电器11对超级电容器C充电；

本步骤中，通过所述电压检测模块15检测到所述超级电容端电压下降到一预设值时，将检测结果反馈至所述控制器14，控制器14控制控制线圈L通电，以使充电器11对超级电容器C充电。

S102、使充电电流检测装置13对所述充电器在额定恒定充电状态时的输出电流；

S103、将检测到的充电电流存储至所述控制器14的掉电保持内存单元141；

S104、使电压检测模块15在在充电器11每一次对超级电容器C充电时实时检测超级电容端的电压；

S105、使时间检测模块16检测充电器11每一次对超级电容器C充电的充电时间；

S106、使电容容量计算模块144根据每一次充电时检测到的充电时间、每一次开始充电时与结束充电时超级电容端电压的差值和保存在控制器14的掉电保持内存单元141内的充电电流进行计算以得到超级电容器C的电容容量；

本步骤中，所述电容容量计算模块144可以通过以下方式来计算每一次充电后超级电容器C的电容容量：

通过公式C=I·dt/dVc得到每一次充电后的超级电容器C的电容容量；其中，所述C为电容容量，I为保存在掉电保持内存单元内的充电电流，dt为每一次充电时间，dVc为每一次开始充电时与结束充电时超级电容端电压的差值。

S107、使内阻计算模块143根据每一次充电状态下停止充电前最后时刻、停止充电后且充电电流为0的第一时刻超级电容端的电压的差值和保存在掉电保持内存单元141内的充电电流得到超级电容器C的内阻。

本步骤中，所述内阻计算模块143可以通过以下方式来计算每一次充电后超级电容器C的内阻：

通过公式R=(V2-V1)/I得到每一次充电后的超级电容器C的内阻；其中，所述R为内阻，I为保存在掉电保持内存单元141内的充电电流，V1为每一次停止充电前最后时刻的电容端的电压，V2为每一次停止充电后第一时刻且充电电流为0时超级电容端的电压。

本实施例的用于风力发电机组变桨控制***的超级电容器C实时检测方法通过上述实时检测***进行，该方法仅需要通过一个外用的充电电流检测装置13即可将首次充电时的充电电流进行检测，并将检测到的充电电流存入控制器14的掉电保持内存单元141，即可根据每次充电检测的电压、充电时间、充电结束时的电压来计算超级电容器C的电容和内阻，根据计算出的电容和电阻分析超级电容器C的使用寿命、性能以及确定是否需要更换新的超级电容器C。

以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于风力发电机组变桨控制***的超级电容器实时检测***，包括：一充电器、设于所述变桨控制***内的一超级电容器、一继电器、一充电电流检测装置、一设于所述变桨控制***内的控制器、一电压检测模块以及一时间检测模块，所述控制器包括一掉电保持内存单元、一内阻计算模块以及一电容容量计算模块；

所述继电器包括一线圈以及一开关，所述充电器通过开关与所述超级电容器的正极相连，所述超级电容器的负极与所述充电器相连以形成一充电回路；

所述继电器的线圈的第一端与所述控制器相连，所述线圈的第二端接地，通过所述控制器产生的电流使所述开关接通，以使充电器对所述超级电容器充电；

所述充电电流检测装置为一外接的充电电流检测仪，用于在充电器第一次为超级电容器充电时，检测充电器的输出电流，并将输出电流的值保存至所述控制器的掉电保持内存单元内，当需要检测第一次充电的充电电流时，使它的检测端接于开关与所述超级电容器的正极之间，再将检测到的充电电流保存至控制器的掉电保持内存单元 ，当充电电流检测仪检测完充电电流时即可拔出；

所述电压检测模块，用于在充电器每一次对超级电容器充电时实时检测超级电容端电压；

所述时间检测模块，用于测量充电器每一次对超级电容充电的充电时间；

所述电容容量计算模块，用于根据每一次充电时检测到的充电时间、每一次开始充电时与结束充电时超级电容端电压的差值和保存在掉电保持内存单元内的充电电流进行计算以得到超级电容器的容量；

所述内阻计算模块，用于根据每一次充电状态下停止充电前最后时刻、停止充电后且充电电流为0的第一时刻超级电容端电压的差值和保存在掉电保持内存单元内的充电电流得到超级电容器的内阻；

所述电容容量计算模块、内阻计算模块以及掉电保持内存单元被内置于控制器内。

2.如权利要求1所述的用于风力发电机组变桨控制***的超级电容器实时检测***，其特征在于：所述电容容量计算模块，还用于通过公式C=I·dt/dVc得到每一次充电后的超级电容器的电容容量；其中，所述C为电容容量，I为保存在掉电保持内存单元内的充电电流，dt为每一次充电时间，dVc为每一次开始充电时与结束充电时超级电容端电压的差值。

3.如权利要求1所述的用于风力发电机组变桨控制***的超级电容器实时检测***，其特征在于：所述内阻计算模块，还用于通过公式R=(V2-V1)/I得到每一次充电后的超级电容器的内阻；其中，所述R为内阻，I为保存在掉电保持内存单元内的充电电流，V1为每一次停止充电前最后时刻的电容端的电压，V2为每一次停止充电后第一时刻且充电电流为0时超级电容端的电压。

4.如权利要求1至3中任一权利要求所述的用于风力发电机组变桨控制***的超级电容器实时检测***，其特征在于：所述充电器采用AC/DC充电器。

5.如权利要求1至3中任一权利要求所述的用于风力发电机组变桨控制***的超级电容器实时检测***，其特征在于：所述充电电流检测装置为一外接的充电电流检测仪，它的检测端接于所述开关与所述超级电容器的正极之间。

6.一种用于风力发电机组变桨控制***的超级电容器实时检测方法，其特征在于，采用上述权利要求1至5中任一项权利要求所述的实时检测***进行检测，包括：

通过充电电流检测装置对所述充电器在额定恒定充电状态时的输出电流；

将检测到的充电电流存储至所述控制器的掉电保持内存单元；

通过电压检测模块在充电器每一次对超级电容器充电时实时检测超级电容端的电压；

使时间检测模块检测充电器每一次对超级电容器充电的充电时间；

使电容容量计算模块根据每一次充电时检测到的充电时间、每一次开始充电时与结束充电时超级电容端电压的差值和保存在控制器的掉电保持内存单元内的充电电流进行计算以得到超级电容器的电容容量；

使内阻计算模块根据每一次充电状态下停止充电前最后时刻、停止充电后且充电电流为0的第一时刻超级电容端的电压的差值和保存在掉电保持内存单元内的充电电流得到超级电容器的内阻。

7.如权利要求6所述的用于风力发电机组变桨控制***的超级电容器实时检测方法，其特征在于，在使电容容量计算模块计算每一次充电后超级电容器的电容容量的步骤中，还包括：

通过公式C=I·dt/dVc得到每一次充电后的超级电容器的电容容量；其中，所述C为电容容量，I为保存在掉电保持内存单元内的充电电流，dt为每一次充电时间，dVc为每一次开始充电时与结束充电时超级电容端电压的差值。

8.如权利要求6或7所述的用于风力发电机组变桨控制***的超级电容器实时检测方法，其特征在于，在使内阻计算模块计算每一次充电后的超级电容器的内阻的步骤中，还包括：

通过公式R=(V2-V1)/I得到每一次充电后的超级电容器的内阻；其中，所述R为内阻，I为保存在掉电保持内存单元内的充电电流，V1为每一次停止充电前最后时刻的电容端的电压，V2为每一次停止充电后第一时刻且充电电流为0时超级电容端的电压。