風電變槳系統后備電源的充電裝置及其控制方法與流程

本發明涉及充電裝置及其控制方法，尤其涉及風電變槳系統后備電源的充電裝置及其控制方法。

背景技術：

風力發電作為目前技術趨于成熟的可再生清潔能源，受到各國的廣泛重視。變槳控制系統是風力發電系統中重要的組成部分，其主要功能是控制槳葉節距角隨風速的大小進行自動調節，使發電機輸出功率保持穩定。后備電源是變槳控制系統的重要組成部分，用以在風機發生嚴重故障時輸出直流電直接驅動直流電機快速收回槳葉，從而保證風機安全。

充電裝置是變槳控制系統后備電源的關鍵部件之一，其在很大程度上保證了變槳系統后備電源部分作為變槳系統最后一道安全保障的順利執行，從現在公開的文獻來看，涉及變槳控制系統用后備電源充電裝置的專利和資料十分有限，因此有必要設計一種性能優良、功能完善的變槳控制用后備電源充電裝置。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了解決現有技術中存在的上述問題，提供一種風電變槳系統后備電源的充電裝置及其控制方法。

本發明的目的將通過以下技術方案得以實現：

風電變槳系統后備電源的充電裝置，包括功率回路及控制所述功率回路的控制回路，所述功率回路包括將輸入的交流電轉變為直流母線電壓的整流濾波電路，所述整流濾波電路連接功率開關電路，所述功率開關電路輸出充電電壓并與控制其工作的驅動電路的一端耦合，所述驅動電路的另一端與所述控制回路中的微處理器耦合并接收所述微處理器的邏輯控制信號；

所述風電變槳系統后備電源的充電裝置還包括

直流母線電壓檢測電路，用于檢測所述整流濾波電路產生的直流母線電壓并通過分壓電阻將直流母線電壓按照比例變換成微處理器可識別的電壓信號；直流母線電壓檢測電路；

充電電壓檢測電路，用于檢測所述功率開關電路輸出的充電電壓并通過阻容器件將充電電壓轉變成所述微處理器可識別的信號；

充電電流檢測電路，用于檢測所述功率開關電路的充電電流并通過阻容器件將充電電流轉變成所述微處理器可識別的信號。

優選的，所述的風電變槳系統后備電源的充電裝置，其中：所述功率開關電路包括第一功率開關器件、第二功率開關器件及變壓器，所述第一功率開關器件的漏極接直流母線電壓的正端，所述第一功率開關器件的源極接變壓器原邊的一端，所述第一功率開關器件的柵極接所述驅動電路；所述第二功率開關器件的漏極接所述變壓器原邊的另一端，所述第二功率開關器件的源極接直流母線電壓的負端，所述第二功率開關器件的柵極接所述驅動電路；所述變壓器的副邊輸出充電電壓。

優選的，所述的風電變槳系統后備電源的充電裝置，其中：所述第一功率開關器件、第二功率開關器件均為N溝道場效應管。

優選的，所述的風電變槳系統后備電源的充電裝置，其中：所述直流母線電壓檢測電路包括一端與母線電壓輸入端連接的第一電阻，所述第一電阻的另一端接二極管的陽極，所述二極管的陰極連接依此串接的第二電阻、第三電阻及第四電阻，所述二極管和第二電阻之間還連接有第一電容，所述第一電容接地；所述第二電阻和第三電阻之間并聯連接有第五電阻及第二電容，所述第五電阻及第二電容接地；所述第三電阻和第四電阻之間連接第三電容，所述第三電容接地；所述第四電阻的一端連接到第一運放器的正向輸入端，所述第一運放器的反向輸入端接所述第一運放器的輸出端，所述第一運放器的輸出端接第六電阻并從電壓信號端輸出檢測電壓信號。

優選的，所述的風電變槳系統后備電源的充電裝置，其中：所述充電電壓檢測單元包括一端與充電電壓輸入端連接的第七電阻，所述第七電阻的另一端連接依次串接的第八電阻、第九電阻、第十電阻，所述第九電阻及第十電阻之間連接并聯的第五電容及第十一電阻，所述第五電容及第十一電阻接地，所述第九電阻連接第二運放器的正向輸入端，所述第九電阻與第二運放器的正向輸入端之間還連接第四電容，所述第四電容接地，所述第二運放器的反向輸入端及輸出端連接第十二電阻并從電壓輸出端輸出檢測電壓信號。

優選的，所述的風電變槳系統后備電源的充電裝置，其中：所述充電電流檢測電路包括第三運放器，所述第三運放器的正向輸入端通過第十四電阻接數字地，所述第三運放器的正向輸入端與第十四電阻之間還連接并聯的第七電容及第十五電阻，所述第七電容及第十五電阻接地；所述第三運放器的反向輸入端通過第十三電阻連接充電電流信號端；所述充電電流信號端及數字地之間還連接有第六電容；所述第三運放器的反向輸入端與輸出端之間還連接并聯的第十六電阻及第八電容；所述第三運放器的輸出端通過第十七電阻連接第四運放器的正向輸入端，所述第十七電阻與所述第四運放器的正向輸入端之間還連接第九電容，所述第九電容接地；所述第四運放器的反向輸入端連接其輸出端并通過第十八電阻接充電電流信號端。

優選的，所述的風電變槳系統后備電源的充電裝置，其中：所述控制回路基于所述微處理器，所述微處理器包括

模擬信號采集單元，用于至少采集所述直流母線電壓檢測電路、充電電壓檢測電路及充電電流檢測電路的模擬信號；

通信單元，用于與上位機連接通信；

數字信號采集單元，用于至少采集運行命令邏輯數字信號、故障復位邏輯數字信號、直流母線電壓超過過壓閾值數字信號或低于欠壓閾值數字信號以及充電電壓超過過壓閾值數字信號；

數字信號輸出單元，用于根據充電裝置的運行情況，輸出對應的數字信號；

脈沖寬度調制信號產生單元，用于根據實際后備電源電壓以及充電電流，通過配套的軟件算法產生控制充電電流及充電電壓的調制信號。

優選的，所述的風電變槳系統后備電源的充電裝置，其中：所述模擬信號采集單元還采集溫度監測設備采集的后備電源的溫度，所述脈沖寬度調制信號產生單元還用于根據后備電源的實際溫度產生控制溫度補償的調制信號。

優選的，所述的風電變槳系統后備電源的充電裝置，其中：所述通信單元通過串行通用接口與所述上位機連接通信。

風電變槳系統后備電源的充電控制方法，包括如下步驟：

S1，微處理器實時接收直流母線電壓檢測電路、充電電壓檢測電路、充電電流檢測電路、溫度監測設備所采集的直流母線電壓、充電電流、充電電壓、后備電源的溫度參數以及實際后備電源電壓、實際需要的充電電流的信號；同時采集直流母線電壓超過過壓閾值信號或低于欠壓閾值的數字信號、充電電壓超過過壓閾值的數字信號、充電電流超過過流閥值數字信號、運行命令邏輯數字信號、故障復位邏輯數字信號；

S2，確認充電裝置有無故障，若無故障，則執行S3步驟,若有故障，則執行S4步驟；

S3，在采集到運行命令邏輯數字信號時，發出啟動充電輸出的控制信號，并根據實際需要的充電電流、實際后備電源電壓和實時采集的溫度信息，得到充電電流、充電電壓以及溫度補償的調制信號，并發送給驅動電路以控制功率開關電路輸出充電電壓；

S4，根據故障等級判斷是否發出報警及切斷充電輸出的信號，在發出報警及切斷充電輸出的信號，且采集到故障復位邏輯數字信號時，根據故障類型進行復位處理。

優選的，所述的風電變槳系統后備電源的充電控制方法，其中：在S2步驟中，當母線電壓超過過壓閥值或者低于欠壓閥值、當充電電壓超過過壓閥值、當充電電流超過過流閥值、當存在過溫狀態時，認定為存在故障。

優選的，所述的風電變槳系統后備電源的充電控制方法，其中：在所述S4步驟中，對由重大故障引起的充電輸出關斷進行復位處理時，微處理器發信號以十秒為時間間隔自動重啟充電輸出，重啟三次后，若故障仍未消除，則永久關斷充電輸出；所述重大故障包括充電電壓超過過壓閥值、充電電流超過過流閥值；

對由其他故障引起的充電輸出關斷進行復位處理時，待故障消除后，則自動恢復充電輸出，所述其他故障包括存在過溫狀態、母線電壓超過過壓閥值、母線電壓低于欠壓閥值。

本發明技術方案的優點主要體現在：

本專利設計精巧，結構合理，充電裝置通過采集數字和模擬信號，判斷其運行狀態是否正常，非正常時充電裝置報警并切斷充電輸出，多種故障邏輯提高裝置可靠性，充電輸出控制智能、可靠；本發明適合采用蓄電池作為后備電源的變槳控制系統，適于安全性、可靠性要求較高的場合應用。

根據蓄電池溫度信號實施控制方法實時調節溫度補償調制信號的脈沖寬度，保證了不同環境溫度下充電裝置輸出最適宜的充電電壓；

可通過參數設置待充電蓄電池組電壓，使充電裝置能適配于設計范圍和精度內的任一電壓值的蓄電池組，提高了應用范圍、環境適應性。

附圖說明

圖1是本發明的結構示意圖；

圖2是微處理器的結構示意圖；

圖3是本發明中功率回路的電路圖；

圖4是本發明中直流母線電壓檢測電路的電路圖；

圖5是本發明中充電電壓檢測電路的電路圖；

圖6是本發明中充電電流檢測電路的電路圖。

具體實施方式

本發明的目的、優點和特點，將通過下面優選實施例的非限制性說明進行圖示和解釋。這些實施例僅是應用本發明技術方案的典型范例，凡采取等同替換或者等效變換而形成的技術方案，均落在本發明要求保護的范圍之內。

本發明揭示的風電變槳系統后備電源的充電裝置，所述后備電源優選為蓄電池，如附圖1所示，包括功率回路及控制所述功率回路的控制回路，所述功率回路包括與市電端連接并將輸入的交流電轉變為直流母線電壓的整流濾波電路1，所述整流濾波電路1連接功率開關電路3，所述功率開關電路3輸出充電電壓，所述功率開關電路3與控制其通斷的驅動電路4的一端耦合，所述驅動電路4的另一端與所述控制回路中的微處理器5耦合并接收所述微處理器5的邏輯控制信號。

詳細的，如附圖2所示，所述整流濾波電路1包括四個二極管構成的整流橋T以及與所述整流橋T并聯設置的電容C1、C2，交流輸入經過整流橋T和母線濾波電容C1、C2得到直流母線電壓。

所述功率開關電路3包括第一功率開關器件G1、第二功率開關器件G2及變壓器L，所述第一功率開關器件G1、第二功率開關器件G2均為N溝道場效應管，所述第一功率開關器件G1的漏極接直流母線電壓的正端，所述第一功率開關器件G1的源極接變壓器L原邊的一端，所述第一功率開關器件G1的柵極接所述驅動電路4；所述第二功率開關器件G2的漏極接所述變壓器L原邊的另一端，所述第二功率開關器件G2的源極接直流母線電壓的負端，所述第二功率開關器件G2的柵極接所述驅動電路4；所述變壓器L的副邊輸出充電電壓。

所述驅動電路4包括與所述控制回路中的UC2845芯片的輸出引腳連接的推挽電路，所述推挽電路的輸出端連接隔離電路的輸入端，所述隔離電路的輸出端連接開關電路，當調制信號為高電平，所述開關電路導通，此時，變壓器L輸出母線經過變比后的電壓；反之，開關電路關斷，所述變壓器L的輸出關斷。

進一步，如附圖1所示，所述風電變槳系統后備電源的充電裝置還包括直流母線電壓檢測電路6、充電電壓檢測電路7以及充電電流檢測電路8。

如附圖4所示，所述直流母線電壓檢測電路6用于檢測所述整流濾波電路1產生的直流母線電壓并通過分壓電阻將直流母線電壓按照比例變換成微處理器5可識別的電壓信號；所述直流母線電壓檢測電路6由電壓跟隨器及外圍器件構成，其具體包括一端與母線電壓輸入端T_VBUS連接的第一電阻R58，所述第一電阻R58的另一端接二極管D13的陽極，所述二極管D13的陰極連接依此串接的第二電阻R59、第三電阻R61及第四電阻R35，所述二極管D13和第二電阻R59之間還連接有第一電容C60，所述第一電容C60接地；所述第二電阻R59和第三電阻之間并聯連接有第五電阻R63及第二電容C62，所述第五電阻R63及第二電容C62接地；所述第三電阻R61和第四電阻R35之間連接第三電容C64，所述第三電容C64接地；所述第四電阻R35的一端連接到第一運放器U6-A的正向輸入端，所述第一運放器U6-A的反向輸入端接所述第一運放器U6-A的輸出端，所述第一運放器U6-A的輸出端接第六電阻R105并從電壓信號端V_BUS輸出檢測電壓信號。

工作時，母線電壓輸入端T_VBUS的信號經過第一電阻R58、第二電阻R59、第五R63分壓處理后，再經所述第一運放器U6-A的電壓跟隨得到電壓V_BUS，送至所述微處理器5中進行采樣。

如附圖5所示，所述充電電壓檢測電路7用于檢測所述功率開關電路3輸出的充電電壓并通過阻容器件將充電電壓轉變成所述微處理器5可識別的信號；所述充電電壓檢測單元7由電壓跟隨器及外圍器件構成，其具體包括一端與充電電壓輸入端VOLT連接的第七電阻R33，所述第七電阻R33的另一端連接依次串接的第八電阻R76、第九電阻R37、第十電阻R157，所述第九電阻R37及第十電阻R157之間連接并聯的第五電容C85及第十一電阻R159，所述第五電容C85及第十一電阻R159接地，所述第九電阻R157連接第二運放器U16-A的正向輸入端，所述第九電阻R157與第二運放器U16-A的正向輸入端之間還連接第四電容C83，所述第四電容C83接地，所述第二運放器U16-A的反向輸入端及輸出端連接第十二電阻R38并從電壓輸出端VOLT_1輸出檢測電壓信號。

工作時，母線電壓VOLT信號經過第七電阻R33、第八電阻R76、第九電阻R37、第十一電阻R159分壓處理后，再經所述第二運放器U16-A的電壓跟隨得到電壓VOLT_1，送至微處理器5進行采樣。

如附圖6所示，所述充電電流檢測電路8用于檢測所述功率開關電路3的充電電流并通過阻容器件將充電電流轉變成所述微處理器5可識別的信號；所述充電電流檢測電路8由電壓跟隨器及外圍器件構成，其具體包括第三運放器U7-A，所述第三運放器U7-A的正向輸入端通過第十四電阻112接數字地，所述第三運放器U7-A的正向輸入端與第十四電阻112之間還連接并聯的第七電容C52及第十五電阻R114，所述第七電容C52及第十五電阻R114接地；所述第三運放器U7-A的反向輸入端通過第十三電阻R40連接充電電流信號端CURRENT-；所述充電電流信號端CURRENT-及數字地之間還連接有第六電容C36；所述第三運放器U7-A的反向輸入端與輸出端之間還連接并聯的第十六電阻R41及第八電容C61；所述第三運放器U7-A的輸出端通過第十七電阻R70連接第四運放器U7-B的正向輸入端，所述第十七電阻R70與所述第四運放器U7-B的正向輸入端之間還連接第九電容C45，所述第九電容C45接地；所述第四運放器U7-B的反向輸入端連接其輸出端并通過第十八電阻R42接充電電流信號端CURRENT_2。

工作時，充電電流CURRENT信號經過第十三電阻R40、第十六電阻R41以及第三運放器U7-A放大，并進行反向處理后，再經第四運放器U7-B的電壓跟隨得到信號CURRENT_2，送至微處理器5進行采樣。

更進一步，所述控制回路基于所述微處理器5，如附圖2所示，所述微處理器5包括模擬信號采集單元9、通信單元13、數字信號采集單元10、數字信號輸出單元11以及脈沖寬度調制信號產生單元12，所述微處理器5接收各種信號后進行邏輯處理、數學運算，所述微處理器5產生的信號還要經過所述控制回路中相應的外圍電路進行放大、調制等處理。

所述模擬信號采集單元9用于至少采集所述直流母線電壓檢測電路6、充電電壓檢測電路7及充電電流檢測電路8檢測得到的模擬信號以及多個溫度監測設備檢測得到的溫度信號，所述溫度信號至少包括蓄電池(后備電源)的溫度信號以及功率器件的溫度信號，當然還可以包括充電器內部其他重要元件的溫度，以為充電裝置的故障狀態判斷提供具體數據。

所述通信單元13與上位機14連接通信，所述上位機14中安裝有相應的控制軟件，用戶可以通過所述上位機14中的控制軟件修改、存儲、讀取充電裝置的功能參數等，所述通信單元13采用的通信接口為串行通用接口，優選所述串行通用接口為RS485接口或RS232接口。

所述數字信號采集單元10用于采集上位機14發出的運行命令邏輯數字信號、故障復位邏輯數字信號、直流母線電壓超過過壓閾值數字信號或低于欠壓閾值數字信號、充電電壓超過過壓閾值數字信號、充電電流超過過流閥值數字信號等，這些數字信號是高電平或者低電平，用于指示有沒有相應的運行指令以及有故障還是沒有故障，其不關注具體信號大小，只關注有還是沒有，數字信號采集單元10采集的是硬件產生的信號，比模擬信號采集單元9的模擬量處理來的更直接和快速，可以快速保護。

所述數字信號輸出單元11用于根據充電裝置的運行情況及接受的各種參數，輸出對應的數字信號，例如系統運行狀態信號、啟動充電輸出信號以及切斷充電輸出信號等。

具體的，當所述模擬信號采集單元9收到充電裝置中功率器件的溫度超過規定閥值時，所述數字信號輸出單元11發出信號控制為該功率器件降溫的風扇運行。

當所述微處理器5根據接收的模擬信號判斷充電裝置無故障和/或未采集到直流母線電壓超過過壓閾值數字信號或低于欠壓閾值數字信號、充電電壓超過過壓閾值數字信號、充電電流超過過流閥值數字信號時，所述數字信號輸出單元11發出系統運行正常狀態信號給用戶以指示，具體的指示方式可以通過通信上傳到上位機的軟件界面或LED燈、顯示管等進行指示，也可以通過數字輸出端子電平的變化來表征。

并且，當確定充電裝置無故障，且所述數字信號采集單元10接收到啟動充電輸出的運行命令邏輯數字信號后，所述數字信號輸出單元11產生啟動充電輸出命令，具體的，其發出信號控制驅動電路4的控制信號啟動變壓器T的輸出。

當所述微處理器5判斷充電裝置有故障或采集到直流母線電壓超過過壓閾值數字信號或低于欠壓閾值數字信號、充電電壓超過過壓閾值數字信號、充電電流超過過流閥值數字信號時，所述數字信號輸出單元11發出故障狀態指示信號、報警信號以及切斷充電輸出的信號，所述報警信號可通過數碼管顯示、LED燈指示、通信上傳上位機等方式向用戶顯示，切斷充電輸出可以通過關斷啟動輸出控制信號和關斷調制信號等方法實現。

詳細的，當所述微處理器5判斷接收到的直流母線電壓超過過壓閥值和/或當所述微處理器5判斷接收到的直流母線電壓低于欠壓閥值和/或當所述微處理器5判斷接收到的充電電壓超過過壓閥值時和/或當所述微處理器5判斷接收到的充電電流超過過流閥值和/或當所述微處理器5判斷存在過溫狀態時，認定存在故障，所述數字信號輸出單元11發出報警并切斷充電輸出的信號。

在故障狀態下，當接收到故障復位邏輯數字信號后，所述數字信號輸出單元11產生故障復位命令，故障復位是通過微處理器5自身配置的軟件起作用，軟件程序接收到該命令后，自動清除故障命令，重新啟動充電輸出。

當然除了通過外部控制系統(上位機或其他中央控制模塊)發出運行命令邏輯數字信號和故障復位邏輯數字信號外，在其他實施例中，也可以由充電裝置根據自身的狀態是否滿足充電條件以及是否存在故障狀態的情況，自動發出相應信號。

另外，在充電裝置的實際運行過程中，有些故障的嚴重程度沒有到必須斷開充電輸出的地步，在發生這種故障以后，所述微處理器通過自動糾正功能，經過一定時間和外圍條件判斷，可以做重啟處理，如果重啟成功，充電裝置可以繼續正常運行。

所述脈沖寬度調制信號產生單元12用于根據實際需要的充電電流、實際后備電源電壓、后備電源的實際溫度，通過配套的軟件算法產生控制充電電流、充電電壓以及溫度補償的調制信號，用以控制所述驅動電路4的工作。

該風電變槳系統后備電源的充電裝置的工作過程如下：

S1，所述微處理器5實時接收所述直流母線電壓檢測電路6、充電電壓檢測電路7、充電電流檢測電路8所采集的直流母線電壓、充電電流、充電電壓模擬信號，多個溫度監測裝置檢測得到的多個溫度模擬信號以及上位機輸出的實際后備電源電壓、實際需要的充電電流的信號等信號；同時，所述微處理器5實時采集上位機發出的直流母線電壓超過過壓閾值數字信號或低于欠壓閾值數字信號、充電電壓超過過壓閾值數字信號、充電電流超過過流閥值數字信號、運行命令邏輯數字信號、故障復位邏輯數字信號等數字信號。

S2，確認充電裝置有無故障，具體的，當所述微處理器5判斷母線電壓超過過壓閥值或者低于欠壓閥值、當充電電壓超過過壓閥值、當充電電流超過過流閥值、當判斷存在過溫狀態時和/或當所述微處理器5采集到直流母線電壓超過過壓閾值數字信號或低于欠壓閾值數字信號、充電電壓超過過壓閾值數字信號、充電電流超過過流閥值數字信號時，則認定為存在故障。

S3，若確認無故障，且采集到運行命令邏輯數字信號時，發出啟動充電輸出的控制信號，并根據實際需要的充電電流、實際后備電源電壓和實時采集的溫度信息，得到充電電流、充電電壓以及溫度補償的調制信號，并發送給驅動電路以控制功率開關電路輸出充電電壓。

S4，若確認有故障，根據故障等級判斷是否發出報警及切斷充電輸出的信號，對于一般類型的故障，會報警并切斷充電輸出，當然，在一些情況下，如果故障很輕微，不會損壞相關部件，則不切斷充電輸出。

切斷充電輸后，在采集到故障復位邏輯數字信號時，根據故障類型進行復位處理；

詳細的，在對由重大故障引起的充電輸出關斷的復位處理時，所述微處理器5以十秒為時間間隔自動重啟充電輸出，重啟三次后，若故障仍未消除，則永久關斷充電輸出；所述重大故障包括充電電壓超過過壓閥值、充電電流超過過流閥值。

在對由其他故障引起的充電輸出關斷的復位處理時，待接收到故障消除的信號后，此處的故障消除，即指充電裝置的其他故障實際已不存在，則自動恢復充電輸出，所述其他故障包括過存在過溫狀態、母線電壓低于欠壓閥值及母線電壓超過過壓閥值。

本發明尚有多種實施方式，凡采用等同變換或者等效變換而形成的所有技術方案，均落在本發明的保護范圍之內。