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摘要：电网发生故障时，为保证风力发电机能顺利收桨，后备的铅酸蓄电池组发挥着非常重要的作用。因此，需要设计出较为完善的智能电池管理系统，实现对铅酸蓄电池组进行充电、放电、巡检、管理、状态显示的总体要求，满足用户操作简便、安全可靠的实际使用需求。
关键词：风力变桨；智能电池管理系统；STM32F103芯片
引言
自2010年1月以来，全国在运行风电场中发生了数起由变桨系统备用电源（蓄电池组）引发的风电机组倒塌事故。事故表现为变桨系统失电后，由于备用电源失效，风电机组未能实现顺桨动作，导致机组超速而发生机组倒塌事故，造成巨大损失。为防止同类事故再次发生，中国可再生能源学会风能专业委员会组织相关专家通过深入分析，提出了采用性能良好的备用电池管理系统来预防。
一、风力发电的现状
由于传统的化石能源已经日趋紧张，而且他们产生的C02等温室气体严重破坏了环境，这种高能耗高污染的能源并不能作为长久之计，人们希望大力发展可再生能源的呼声愈来愈强烈。能源结构的变革势在必行。太阳能、风能、生物质能、地热能以及海洋能是可再生能源的几种主要形式。它们储量丰富，能够再生，干净清洁，是最具有发展前景的绿色能源，必定会成为未来全球能源的基石。风能是目前新能源发展中一种应用最为广泛的清洁能源。
在近十几年间世界风电的增长速度一直保持在了 30%以上。因此提出了一些新的问题，比如如何研发更大功率的新一代风力发电机组，如何更好更安全地控制它们。
控制风机的方法为统一变桨距技术，也就是风机上的叶片由一个驱动器控制变桨。变桨是指安装在轮毂上的叶片绕自身轴线旋转的过程，主要用于调节风轮从风中捕获的能量大小。
二、储能系统在风力发电中的应用
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。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。在风电机组变桨系统中，蓄电池会因为过充电、过放电及电池老化等现象发生损坏或电池容量急剧下降的现象，这些都会影响设备的正常供电，这种情况如果不能及时发现，容易引起变桨系统的误操作，将会对机组的安全稳定运行带来一定的隐患。本文主要分析一种新型的智能电池管理系统，以防止由于备用电池失效而导致的机组倒塌事件。
三、智能电池管理系统
智能电池管理系统采用了性价比很高的STM32F103芯片，其主要功能有：① 实现对风力发电机变桨控制系统蓄电池组的巡检功能；② 实现循环充电、浮充自动切换，在循环充电和浮充的同时对电压和电流进行监控，具备充电电压、充电电流自行调整的功能；③ 实现故障报警功能；④ 实现充电电池的过流、过压、短路保护功能；⑤ 实现智能管理单元的温度监测与控制功能。
1、系统软件设计
系统上电启动后，立即执行初始化程序，然后对系统硬件和CAN口通讯功能进行自检，如自检不通过则输出故障信号，并通过数码管显示错误等级；自检通过后，将对电池组进行巡检，电池巡检正常再进入充电流程，若出现异常则输出报警，进行错误处理。第一轮充电结束后，再次巡检，并进行二次充电。当检测到紧急变桨信号（EMC信号）时，停止充电，并马上将电池组直流电供给变频器，变频器驱动伺服电机迅速收桨。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆EMC信号解除后，电池管理单元进入电池巡检程序。
2、系统硬件设计
2.1充放电电路设计
为保证每一节电池都能正常储能，本智能电池管理单元需要对12节电池循环充电，循环充电思路如下：系统对电池组自检后，将对各电池进行电压采样并排序，通过控制对应的继电器，系统将优先对电量最低的电池充电，并由低到高对电池组完成充电，每次充电结束后将再次对电池组进行巡检，直至整个电池组的电池不需要充电为止。。每节电池单次充电时间上限为15分钟，充电的同时对电压和电流进行监控，并通过LED显示快充、浮充、充满的状态。
2.2 温度控制设计
铅酸蓄电池的电压具有负温度系数，即温度每升高1摄氏度，单格电池的电压将下降4MV。模块温度控制为智能电池管理单元扩充功能，该功能主要由温度采集及散热两部分组成，温度采集采用AD7416AR芯片，该芯片供电电压为+3.3v，10BITADC转换精度，检测温度范围为-40摄氏度到+125摄氏度。当模块温度过高时，系统将启动风扇对模块进行散热。风机主控系统具有对智能电池管理单元的机箱加热的功能，因此当模块温度过低时，智能电池管理单元可以通过告警方式将低温信号输出给风机主控系统，由主控系统决定是否对机箱进行加热。此设计能使电池在理想的环境中工作，性能发挥更好，寿命更长。
2.3 巡检功能设计
智能电池管理单元上电时及每次充电后，需对电池组进行巡检，并对电池状况进行显示。巡检时，系统将通过对各电池电压采样，确认电池组线路连接及电池正常。当其中某节电池电压小于10.5V 时，则报警信号输出，LED指示，并通过数码管显示出错电池；电池组总电压在130V到140V之间时报警信号输出；电池组总电压低于130V 时故障输出。当检测到电池电压过小或者为0V 时，系统将通过数码管显示报错电池的编号，如果有多节电池则循环显示，并通过故障电路反馈给主控系统。由于告警及故障信号由外部供给，因此出现故障时，系统将采用继电器使信号回环输出，达到告警目的，该继电器最大允许通过电流为3A。
3、智能电池监测设计
对于可再生能源发电系统中的储能技术，一方面要求有完善的蓄电池充放电控制策略，能在复杂多变的环境中满足蓄电池的充放电要求，延长电池使用寿命，另一方面要求有精确灵敏的蓄电池质量监测系统，实时捕捉蓄电池的工作状态，严格保证系统的安全运行。因此，对蓄电池监测系统的研究对于提高风场发电效率和保障风机安全运行具有重要意义。
电池检测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。
结语
本文所分析的风力发电变桨智能电池管理系统实现了高速的数据采集和输出控制。实际应用证明本系统安全可靠，抗干扰能力强，维护成本低，值得推广。
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论文作者:胡占飞
论文发表刊物:《电力设备》2015年3期供稿
论文发表时间:2015/11/2
标签：电池论文; 系统论文; 蓄电池论文; 电池组论文; 电压论文; 管理系统论文; 风机论文; 《电力设备》2015年3期供稿论文;