本实用新型涉及一种风力发电机组变桨距系统超级电容容量检测装置。
背景技术：
风力发电机组变桨距系统主要功能是通过调整叶片的桨距角，改变气流对叶片的攻角，从而控制发电机的输出功率，使风力发电机组具有更好的启动和制动性能，保证风力发电机组可靠运行。同时，当风力发电机组或电网发生故障时，变桨距系统可以控制叶片顺桨，实现叶轮气动刹车；在风速高于安全运行风速时，可以使叶片处于顺桨状态，改善风力发电机组的受力状况，避免大风对风力发电机组的损害。
随着电机控制技术的进步，电动变桨距系统受到了众多风力发电机组制造厂商的青睐，国内现有的大功率风力发电机组大多均采用电动变桨距系统。
电动变桨距系统一般由变桨控制器、伺服驱动器、变桨电机、后备电源等设备构成。变桨控制器接收风力发电机组控制系统变桨位置指令，输出转速给定信号给伺服驱动器，由伺服驱动器控制变桨电机的转速，拖动叶片到达目标位置。每个叶片的变桨控制柜都配备一套备用电源，风力发电机组正常运行时，系统由电网供电，变桨控制器控制充电器给备用电源充电；当电网掉电时，系统处于故障状态下，需要执行紧急顺桨动作，此时伺服驱动器备用电源供电，驱动桨叶顺到停机位置，风力发电机组安全停机。变桨距系统后备电源是在风力发电机组失去外部电源时保证机组能够安全停机的最后保障，后备电源的容量要满足电机将桨叶从工作状态顺到停机位置。
超级电容器是通过极化电解质来储能的一种电化学元件。它不同于传统的化学电源，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。相比于其他储能元件，超级电容器具有功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽的优点，目前已越来越多地应用到电动变桨系统的后备电源中。
然而在实际运行中，随着超级电容充电放电次数增加以及周围环境温度升高，都会降低超级电容的容量、寿命缩短，在某些情况下还可能导致超级电容性能崩溃。因此为了确保变桨距系统的正常运行，保证风力发电机组在电网故障时为叶片顺桨提供足够的能量，对于超级电容容量的检测就变得尤为重要。
目前对于变桨距系统的超级电容的检测主要是通过使用超级电容供电，让机组执行一次顺桨，以检查电容的容量是否能够支持风机桨叶由0°顺桨到90°顺桨。通常这种检测方法需要断开外部电源，风机执行一次顺桨。在机组正常运行无外部故障的时候，为了检测超级电容的容量而单独执行一次顺桨，这会影响机组的正常发电及可利用率统计。
技术实现要素：
本实用新型的目的克服现有技术的缺点，提出一种风力发电机组变桨距系统超级电容容量检测装置。
本实用新型风电变桨超级电容容量检测装置，通过增加一条放电回路，利用放电电阻来检测超级电容的容量。该装置结构简单，在需要进行电容容量检测时无需停机，可提高机组累计发电量及可利用率，并且“在线式”测试也使得测试结果更加准确，更能提高机组安全性及可靠性。
本实用新型在超级电容供电系统上增加一条安装有放电电阻的放电回路，利用变桨控制器控制直流接触器的吸合，使得放电回路闭合，同时禁止充电器输出，从而可以通过放电电阻对超级电容进行放电，通过放电前后超级电容的电压及放电时间来计算超级电容的容值，获得超级电容在充满时所具有的能力。
为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
一种风电变桨超级电容容量检测装置，包括一个可编程逻辑控制器PLC、一个电压隔离变送器、一个充电器、一个直流接触器、一组放电电阻、一个主电源断路器、一个手动放电开关，以及一个防反二极管。
电压隔离变送器的一端与被测超级电容模组连接，另一端与可编程逻辑控制器PLC连接。被测超级电容模组包含三块电容，三块电容串联。电压隔离变送器分别检测第一电容的电压、第二电容的电压以及第三电容的电压，并将检测到的电压值以模拟量的方式传入到可编程逻辑控制器PLC的模拟量输入端口。第一电容的正极连接主电源断路器的第一触点，主电源断路器的第二触点与防反二极管的负极连接，防反二极管的正极连接接入驱动器母线的正极；第三电容的负极直接接入到驱动器母线的负极；同时在第一电容的正极与第三电容负极之间接入放电回路。该放电回路有两条线路，一条回路由第一电容的正极经过电源断路器的反馈触点3.1的一端，电源断路器的反馈触点3.1的另一端与手动放电开关串联，手动放电开关与放电电阻的一端连接，放电电阻的另一端与第三电容的负极相连，如此形成一条手动放电回路。放电回路的第二条回路由第一电容的正极和与其串联的直流接触器和放电电阻组成，放电电阻的另一端与第三电容的负极相连，如此形成一条自动放电回路；充电器的输出的正极连接在主电源断路器的第二触点，充电器的输出的负极则与第三电容的负极相 连。正常运行时，主电源断路器闭合，主电源断路器辅助触点断开，手动放电开关断开，直流接触器断开，充电器给超级电容充电，变桨可编程逻辑控制器PLC分别采集所述超级电容模组中三个电容块的电压，三个电容块的电压总和为超级电容模组的电压。
当超级电容容量检测时间到达，变桨可编程逻辑控制器PLC开始执行超级电容容量检测。首先发送禁止充电器输出指令，充电器不再对被测超级电容模组进行充电；此时变桨可编程逻辑控制器PLC记录放电前的超级电容模组的电压以及被测超级电容模组内三个超级电容块的电压，然后再发送电容放电指令，控制直流接触器吸合，放电回路导通，被测超级电容模组通过放电电阻进行放电；变桨可编程逻辑控制器PLC记录每个周期采集到的被测超级电容模组以及三个电容块的电压，并计算出当前时刻的电流值。经过30s后，放电结束，变桨可编程逻辑控制器PLC断开直流接触器；延时2s后，变桨可编程逻辑控制器PLC记录此刻的被测超级电容模组以及三个电容块的电压；最后通过电容放电电量公式计算被测超级电容模块的电容值，以及被测超级电容模组内三个超级电容块的容值，同时恢复充电器输出，充电器对被测超级电容模组充电。
变桨可编程逻辑控制器PLC计算出4个电容值：被测超级电容模组的电容值和三个超级电容块的容值；变桨可编程逻辑控制器PLC通过判断电容值的差异来判断超级电容块是否有异常，以便对变桨系统的正常运行提供保证。
超级电容块容值计算公式为：
放电电量：
电容容值：
上式中，I为电容放电时的电流，U为放电时电容的电压，Q为电容放电的电量，u(t0)为放电开始时刻电压，u(t1)为放电结束后电压，t0为放电开始时间，t1为放电结束时间，i(t)为放电电流，u(t)为实时电压值，R为放电电阻值，C为电容容值。
本实用新型的效果：
(1)能够精确测量被测超级电容模组以及模组内三个电容块的电压、容值，也便于判断电容块是否不平衡；
(2)在不影响机组并网发电的情况下在线测试电容容值，测试过程更加灵活方便。
附图说明
图1为超级电容容量检测装置原理图，图中：1被测超级电容模组，2充电器，3主电源断路器，4手动放电开关，5放电电阻，6直流接触器，7防反二极管，8电压隔离变送器，9 可编程逻辑控制器。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型风电变桨超级电容容量检测装置包括一个可编程逻辑控制器PLC 9、一个电压隔离变送器8、一个充电器2、一个直流接触器6、一组放电电阻5、一个主电源断路器3、一个手动放电开关4，以及一个防反二极管7。
被测超级电容模组1内包含三块电容C1、C2和C3，电容C1、C2、C3串联。电压隔离变送器分别检测第一电容C1的电压、第二电容C2的电压以及第三电容C3的电压，并将检测到的电压值以模拟量的方式传入可编程逻辑控制器PLC的模拟量输入端口；从第一电容C1的正极连接主电源断路器3的第一触点a，主电源断路器3的第二触点b与防反二极管7的负极连接，防反二极管7的正极连接接入驱动器母线的正极；第三电容C3的负极直接接入到驱动器母线的负极；同时在第一电容C1的正极与第三电容C3负极之间接入放电回路。该放电回路有两条线路，一条回路由第一电容C1的正极经过电源断路器3的反馈触点3.1的一端，电源断路器3的反馈触点3.1的另一端与手动放电开关4串联，手动放电开关4与放电电阻5的一端连接，放电电阻5的另一端与第三电容C3的负极相连，如此形成一条手动放电回路。第二条回路由第一电容C1的正极和与其串联的直流接触器和放电电阻5组成，放电电阻5的另一端与第三电容C3的负极相连，如此形成一条自动放电回路。充电器2的输入分别接到交流电的L1端与N端，充电器2输出的正极连接在主电源断路器3的第二触点b，充电器2的输出的负极则与第三电容C3的负极相连。
所述的可编程逻辑控制器PLC 9含有三路模拟量输入通道，用于采集电压隔离变送器发送的模拟量信号。两路数字量输出通道中的一路用于控制禁止充电器输出，另一路用于控制直流接触器的吸合与断开。电压隔离变送器8用于采集被测超级电容模组中3个电容块的电容电压，将采集到的模拟量信号发送给可编程逻辑控制器PLC 9的模拟量通道。充电器2用于对被测超级电容模组充电，当可编程逻辑控制器PLC9通过DO点输出禁止充电器输出信号时，充电器2停止对被测超级电容模组充电。所述直流接触器6用于控制超级电容放电回路的通断。放电电阻5用于超级电容的放电。主电源断路器3含一个常闭辅助触点3.1。手动放电开关4用于维护时手动控制超级电容放电。防反二极管7用于防止驱动器直流母线对电容充电。
所述的检测装置正常运行时，主电源断路器3为闭合状态，主电源断路器辅助触点3.1断开，手动放电开关4断开，直流接触器6断开，充电器2给被测超级电容模组1充电，变桨可编程逻辑控制器PLC 9分别采集所述超级电容模组1中三个电容块C1、C2、C3的电压，三个电容块的电压总和为超级电容模组的电压。
当超级电容容量检测时间到达，变桨可编程逻辑控制器PLC 9开始执行超级电容容量检测。变桨可编程逻辑控制器PLC 9首先发送禁止充电器2输出的指令，充电器2不再对被测超级电容模组1进行充电；此时变桨可编程逻辑控制器PLC 9记录放电前的被测超级电容模组1的电压以及被测超级电容模组内三个超级电容块C1、C2、C3的电压，然后变桨可编程逻辑控制器PLC 9再发送电容放电指令，控制直流接触器6吸合，放电回路导通，被测超级电容模组通过放电电阻进行放电；变桨可编程逻辑控制器PLC 9记录每个采样周期采集到的超级电容模组1以及三个电容块C1、C2、C3的电压，并实时计算出当前时刻的电流值。经过30s后，放电结束，变桨可编程逻辑控制器PLC 9控制直流接触器6断开，此时不再进行放电；延时2s后，变桨可编程逻辑控制器PLC 9记录此刻的被测超级电容模组1以及三个电容块C1、C2、C3的电压；最后通过电容放电电量公式计算被测超级电容模块的电容值，以及被测超级电容模组内三个超级电容块的容值，同时恢复充电器2输出，充电器2对超级电容模组1进行充电。
变桨可编程逻辑控制器PLC计算出4个电容值：被测超级电容模组的电容值，即三个电容串联的总容值、电容块C1、C2、C3的容值；同时变桨可编程逻辑控制器PLC9通过判断电容值的差异来判断电容块是否有异常，以便对变桨系统的正常运行提供保证。