一种超级电容放电方法及装置与流程

本发明主要涉及电力电子
技术领域：
，特指一种超级电容放电方法及装置。
背景技术：
：超级电容由于具有性能稳定、使用寿命长、充放电速度快等优势，作为储能部件已广泛用于新能源装备中。尤其在风力发电装备的变桨系统中，由于变桨系统要求系统在紧急状态下能迅速响应，使得叶片能在较短的时间内回到顺桨位置，超级电容是该系统首选的储能部件。由于系统中的储能电容的容量比较大，在断开供电电源后，电容也会在长时间内在输出端口存有很高的直流电压，因此在维护变桨系统维护前，首先需要对系统的超级电容放电，待电容两端电压在安全电压后才会进行后续维护工作，因此就要求在安全条件下，电容放电装置能放电的时间越短越好，放电越彻底越好。目前较多的是针对超级电容储能装置的快速放电设计，没有考虑到在风电发电机组中，处于轮毂体中的超级电容储能装置的放电装置的设计不但要考虑放电的速度，由于轮毂体中有限的空间还要考虑放电产生热量的散失。技术实现要素：本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种兼顾放电速度以及散热量的超级电容的放电方法，并相应公开了一种结构简单、操作简便的超级电容的放电装置。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种超级电容的放电方法，包括以下步骤：S01、首先计算超级电容放电回路中的电阻单元预设散热量对应的标准参数值，所述标准参数值为标准电压值或/和标准电流值；S02、在超级电容放电的过程中，对超级电容输出端的输出参数进行实时检测，并将检测到的输出参数信号与标准参数值进行比较，并根据比较结果对放电回路进行通断控制，以使电阻单元按预设散热量进行散热；所述输出参数为输出电压或/和输出电流。作为上述技术方案的进一步改进：在步骤S02中，采用PID对串联在放电回路中的IGBT元件进行通断控制以实现放电回路的通断控制。采用PID对串联在放电回路中的IGBT元件进行通断控制的具体过程为：将检测到的输出参数信号与标准参数值进行比较得到参考电流值，再将参考电流值与超级电容输出端的电流值比较得到电流差值、差值变化率和差值变化方向，并经过模糊逻辑处理后产生调整结果以对PID控制参数进行在线调整，最终产生PWM脉冲信号控制IGBT元件的通断。在超级电容放电的不同阶段，调整电阻单元的阻值以实现快速放电。通过超级电容输出端的电压值来确认超级电容放电的不同阶段。超级电容放电共分为六个阶段，对应的检测电压值与额定电压百分比分别n1、n2、n3、n4、n5和n6，其中100％≤n1＜70％；70％≤n2＜55％；55％≤n3＜40％；40％≤n4＜25％；25％≤n5＜5％；5％≤n6≤0。在超级电容放电的过程中，对超级电容输出端的电压值进行实时显示。一种超级电容的放电装置，包括控制单元、电阻单元、采样单元和开关单元，所述电阻单元与超级电容的正负极相连以形成放电回路，所述开关单元串联于所述放电回路中，所述控制单元内设有与超级电容放电回路中的电阻单元预设散热量对应的标准参数值，所述标准参数值为标准电压值或/和标准电流值，所述采样单元与所述控制单元相连、用于对超级电容输出端的输出参数值进行实时检测并发送至控制单元，所述控制单元与所述开关单元相连、用于将检测到的输出参数信号与标准参数值进行比较，并根据比较结果控制开关单元的通断，以使电阻单元按预设散热量进行散热，所述输出参数为输出电压或/和输出电流。作为上述技术方案的进一步改进：所述开关单元为IGBT元件，所述控制单元根据比较结果产生PWM脉冲信号以对IGBT元件进行通断控制。所述电阻单元包括选择开关和多路电阻回路串并联形成的电阻网络，所述多路电阻回路分别与所述选择开关的多路输出端相连，所述控制单元与所述选择开关的输入端相连，用于根据超级电容输出端的电压值控制选择开关的各路输出端的通断以使电阻网络呈现不同的电阻值。所述选择开关包括译码器和多个继电器，多个继电器的线圈分别串联于译码器的多个输出回路中，继电器的常开触点则串联于电阻回路中，所述译码器的输入端则与控制单元相连。所述电阻单元包括电阻R1～R18，其中电阻R1、R4、R7、R10、R13、R16的输入端分别通过选择开关输出引脚与超级电容的正极连接；电阻R1的输出端分别与电阻R2和R3的输入端连接；电阻R4的输出端分别与电阻R3的输出端、电阻R5和R6的输入端连接；电阻R7的输出端分别与电阻R6的输出端、电阻R8和R9的输入端连接；电阻R10的输出端分别与电阻R9的输出端、电阻R12和R11的输入端连接；电阻R13的输出端分别与电阻R12的输出端、电阻R14和R15的输入端连接；电阻R16的输出端分别与电阻R15的输出端，电阻R18和R17的输入端连接；电阻R2、R5、R8、R11、R14、R17和R18的输出端分别与超级电容的负极连接。还包括显示单元，所述显示单元与所述控制单元相连、用于对检测到的超级电容输出端的电压进行实时显示。还包括用于设定电阻单元预设散热量的设置单元，所述设置单元与控制单元相连，用于将预设散热量发送至控制单元以换算成标准参数值。所述设置单元为3*3阵列式键盘电路，其中阵列式键盘的行输出与第一锁存器HC573的Q1～Q3引脚连接，阵列式键盘的列输出与第二锁存器HC573的D1～D3引脚连接；DSP的A13引脚和IS引脚与或非门的输入端连接，或非门的输出端与第一锁存器HC573的LE引脚相连；DSP的A12引脚和IOSTRB引脚与或门的输入端连接，或门的输出端与第二锁存器HC573的OE引脚相连；第一锁存器HC573的OE引脚接地，D8-D1引脚与DSP的D7-D0引脚连接；第二锁存器HC573的LE引脚接电源，Q8-Q1引脚与DSP的D7-D0引脚连接。与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的超级电容的放电方法，不仅考虑了超级电容的放电速度，同时兼顾了散热量的控制，即通过对超级电容输出电压或/和输出电流的检测，并将输出电压或/输出电流信号与标准参数值对比，生成对比结果对放电回路的通断进行控制，从而实现散热量按预设散热量进行散热，保证有限空间内散热量的可控性，从而保证各部件的正常工作。本发明的超级电容的放电装置，不仅具有如上放电方法所述的优点，而且结构简单、操作简便。附图说明图1为本发明的放电装置的方框结构图。图2为本发明的放电装置中的控制单元方框结构图。图3为本发明的PID参数调整波形图。图4为本发明的电阻单元的电路原理图。图5为本发明的选择开关的电路原理图。图6为本发明的信号采集及处理单元电路原理图。图7为本发明的显示单元的电路原理图。图8为本发明的设置单元的电路原理图。图中标号表示：1、控制单元；2、电阻单元；3、采样单元；4、显示单元；5、设置单元；6、开关单元。具体实施方式以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。如图1至图8所示，本实施例的超级电容的放电方法，包括以下步骤：S01、首先计算超级电容放电回路中的电阻单元2预设散热量对应的标准参数值，标准参数值为标准电压值或/和标准电流值，此标准电压值即为超级电容的输出参数的控制目标值，可根据外部环境(如温度)进行设定；S02、在超级电容放电的过程中，对超级电容输出端的输出参数值进行实时检测，并将检测到的输出参数信号与标准参数值进行比较，并根据比较结果对放电回路进行通断控制，以使电阻单元2按预设散热量进行散热；输出参数为电压或/和电流，并与标准参数值相对应。本发明的超级电容的放电方法，不仅考虑了超级电容的放电速度，同时兼顾了散热量的控制，即通过对超级电容输出电压或/和输出电流的检测，并将输出电压或/输出电流信号与标准参数值对比，生成对比结果对放电回路的通断进行控制，从而实现散热量按预设散热量进行散热，保证有限空间内散热量的可控性，从而保证各部件的正常工作。本实施例中，在步骤S02中，采用PID对串联在放电回路中的IGBT元件进行通断控制以实现放电回路的通断控制，并且标准参数值以及输出参数均采用电压信号(在其它实施例中，也可以采用电流信号、或者同时采用电压和电流)，具体过程为：将检测到的电压信号与标准电压值进行比较得到参考电流值，再将参考电流值与超级电容输出端的电流值比较得到电流差值、差值变化率和差值变化方向，并经过模糊逻辑处理后产生调整结果以对PID控制参数进行在线调整，最终产生PWM脉冲信号控制IGBT元件的通断。下面对此控制过程进行具体分析说明：如图2所示，采用模糊算法改进的PID控制器，其包括：模糊算法调节部分、参数调整和传统PID控制器，结构如图2所示。模糊算法通过输入前端计算得出的参考电流值与输出电流值比较得到的电流差值、差值变化率和差值变化方向，经过内部的模糊逻辑处理得出相应的调整决策，得到的调整决策和电流差值输入到参数调整部分，实现对PID控制器参数的在线调整，已达到在保证电阻放热量恒定的条件下，实现变桨系统超级电容储能模块的快速放电。为了实现电阻单元2放热量恒定的目的，电阻单元2的散热量值应该与设定值保持一致，但是在超级电容储能模块放电的过程中，电容电压和放电电流是随时间不断变化的，导致电阻单元2放出的热量在整个放电过程中是不断波动的。因此在保证电阻单元2放出的热量恒定，PID控制器输入的参考电流值是实时变化的，以实现超级电容放电电路的电流值能动态、快速的跟随参考电流值(参考电流值与预设散热量对应)的变化，模糊算法的输出决策如表1和图3所示：表1模糊算法PID参数调整决策0AABBCCDDEEF稳态电流差值大于0大于0小于0小于0大于0大于0约等于0电流差值变化率小于0小于0大于0小于0大于0小于0约等于0电流差值方向11-1-1110Kp减小增大减小增大减小增大减小Ki增大减小增大减小增大减小减小Kd不变不变不变不变不变不变增大注：电流差值方向参数1表示实际值在参考值下方，-1表示实际值在参考值上方，0表示实际值与参考值近似重合。参数调整模块依据模糊算法输出的调整决策和偏差值的大小，参数调整的策略是：(1)对于Kp参数：电流差值大于50％的电流参考值，Kp按0.1的梯度调整；电流差值大于20％的电流参考值，Kp按0.05的梯度调整；电流差值大于5％的电流参考值，Kp按0.01的梯度调整；(2)对于Ki参数：电流差值变化率大于1，Ki按0.1的梯度调整；电流差值变化率小于1，Ki按0.01的梯度调整；(3)对于Kd参数：电流差值约等于0，Kd按0.1的梯度调整。本实施例中，由于RC组成的超级电容储能模块放电电路，电容放电时间的长短与电路时间常数有关。已知RC放电电路的时间常数的计算如式(1)所示。τ＝RC(1)由式(1)可见，在电容值一定的情况下，电阻值越小，电路的时间常数越小，电路的放电时间也就越短。因此在超级电容放电的不同阶段，可以通过调整电阻单元2的阻值以实现快速放电。其中超级电容储能模块放电可以分为三个阶段，分别为初始阶段、中间阶段和结束阶段。其中初始阶段由于超级电容存储的电能大，储能模块的端电压值比较高，需要电阻单元2的阻值比较大，起到限制放电电流的目的，保证电阻放出的热量在设定值的范围内；中间阶段，储能模块的端电压值会有所下降，这时需要减小电阻单元2以便缩短放电时间；放电结束阶段，由于电容两端电压值很低，需要尽可能减小电阻单元2的阻值，以便实现放电结束后电容残压接近于0的目的。因此如果电阻单元2的阻值可以实现在线调节，根据不同额放电阶段选用不同的阻值，达到缩短超级电容储能模块快速放电时间、以及放电结束后电容残压接近于0的目的。本实施例中，可以通过超级电容输出端的电压值来将超级电容放电过程划分为多个不同的阶段。如将超级电容放电共分为六个阶段，对应的检测电压值与额定电压百分比分别n1、n2、n3、n4、n5和n6，其中100％≤n1＜70％；70％≤n2＜55％；55％≤n3＜40％；40％≤n4＜25％；25％≤n5＜5％；5％≤n6≤0。本实施例中，在超级电容放电的过程中，对超级电容输出端的电压值进行实时显示，从而方便对放电过程进行监控，同时避免工作人员在带电时进行误操作。本发明还相应公开了一种超级电容的放电装置，包括控制单元1、电阻单元2、采样单元3和开关单元6，电阻单元2与超级电容的正负极相连以形成放电回路，开关单元6串联于放电回路中，控制单元1内设有与超级电容放电回路中的电阻单元2预设散热量对应的标准参数值，采样单元3与控制单元1相连、用于对超级电容输出端的输出参数值进行实时检测并发送至控制单元1，控制单元1与开关单元6相连、用于将检测到的输出参数信号与标准参数值进行比较，并根据比较结果控制开关单元6的通断，以使电阻单元2按预设散热量进行散热，其中标准参数值与输出参数相对应，为电压或/和电流。本实施例中，开关单元6为IGBT元件，控制单元1根据比较结果产生PWM脉冲信号以对IGBT元件进行通断控制，具体控制过程如上的控制方法所述。如图4所示，本实施例中，电阻单元2包括选择开关和多路电阻回路串并联形成的电阻网络，多路电阻回路分别与选择开关的多路输出端相连，控制单元1与选择开关的输入端相连，用于根据超级电容输出端的电压值控制选择开关的各路输出端的通断以使电阻网络呈现不同的电阻值。如图5所示，本实施例中，选择开关包括译码器和多个继电器，多个继电器的线圈分别串联于译码器的多个输出回路中，继电器的常开触点则串联于电阻回路中，译码器的输入端则与控制单元1相连。为了实现电阻单元2的阻值可调，选择开关由译码器(如74LS138)和六个继电器(如菲尼克斯PLC-BSC-24UC/1/ACT直流继电器)实现，如图5所示。译码器是3-8译码器，控制单元1依据采集得到的直流电压值，输出三位二进制码000、001、010、011、100和101，分别对应六个电阻回路中的1～6#继电器，选中的线路继电器线圈输出低电平，使得继电器线圈有电流通过，继电器常开触点则相应闭合，对应的电阻回路接入电阻单元2，实现电阻单元2的阻值可调，其中译码器的110、111输出对地短接。如图4所示，本实施例中，电阻单元2包括18个功率电阻，分别为电阻R1～R18，其中电阻R1、R4、R7、R10、R13、R16的输入端分别通过选择开关输出引脚与超级电容的正极连接；电阻R1的输出端分别与电阻R2和R3的输入端连接；电阻R4的输出端分别与电阻R3的输出端、电阻R5和R6的输入端连接；电阻R7的输出端分别与电阻R6的输出端、电阻R8和R9的输入端连接；电阻R10的输出端分别与电阻R9的输出端、电阻R12和R11的输入端连接；电阻R13的输出端分别与电阻R12的输出端、电阻R14和R15的输入端连接；电阻R16的输出端分别与电阻R15的输出端，电阻R18和R17的输入端连接；电阻R2、R5、R8、R11、R14、R17和R18的输出端分别与超级电容的负极连接。如所需放电的超级电容储能模块的端电压为75V，根据6个阶段的电阻网络切换的超级电容储能模块的端电压，18个功率电阻的阻值依次为R1＝100Ω，R2＝R3＝50Ω，R4＝R5＝R6＝40Ω，R7＝R8＝R9＝20Ω，R10＝R11＝R12＝15Ω，R13＝R14＝R15＝10Ω，R16＝R17＝R18＝1Ω。由上述的选择开关结构和电阻单元2接入方式可知，通过检测超级电容储能模块的输出端电压，然后产生三位二进制选择信号选通选择开关相应的输出端以接入对应电阻回路。具体过程为：当检测到的超级电容储能模块的端电压在100％～70％额定电压的范围时，选择信号为000；当检测到的超级电容储能模块的端电压在70％～55％的范围时，选择信号为001；当检测到的超级电容储能模块的端电压在55％～40％的范围时，选择信号为010；当检测到的超级电容储能模块的端电压在40％～25％的范围时，选择信号为011；当检测到的超级电容储能模块的端电压在25％～5％的范围时，选择信号为100；当检测到的超级电容储能模块的端电压在5％～0％的范围时，选择信号为101。如图7所示，本实施例中，还包括显示单元4，显示单元4与控制单元1相连、用于对检测到的超级电容输出端的电压进行实时显示。显示单元4选用LCD1602液晶显示屏，其电路如图7所示。DSP的A15-A0引脚分别与RAM的A15-A0引脚、ROM的A14-A0引脚连接；DSP的D15-D0分别与RAM的D15-D0引脚、ROM的D7-D0引脚和LCD的D7-D0引脚连接；DSP的A8引脚与LCD的A0引脚连接；DSP的A15引脚经非门和DSP的IS引脚经过与门后与LCD的CS引脚连接，DSP的W/R引脚与LCD的WR引脚连接，DSP的W/R引脚经非门与LCD的RD引脚连接。如图1所示，本实施例中，还包括用于设定电阻单元2预设散热量的设置单元5，设置单元5与控制单元1相连，用于将预设散热量发送至控制单元1以换算成标准电压值。如图8所示，本实施例中，设置单元5为3*3阵列式键盘电路，其中阵列式键盘的行输出与第一锁存器HC573的Q1～Q3引脚连接，阵列式键盘的列输出与第二锁存器HC573的D1～D3引脚连接；DSP的A13引脚和IS引脚与或非门的输入端连接，或非门的输出端与第一锁存器HC573的LE引脚相连；DSP的A12引脚和IOSTRB引脚与或门的输入端连接，或门的输出端与第二锁存器HC573的OE引脚相连；第一锁存器HC573的OE引脚接地，D8-D1引脚与DSP的D7-D0引脚连接；第二锁存器HC573的LE引脚接电源，Q8-Q1引脚与DSP的D7-D0引脚连接。本实施例中，控制单元1基于TMS320X281xDSP实现的，该款集成了事件管理器、A/D转换模块、SCI通信接口、SPI外设接口、eCAN总线通讯模块、看门狗电路、通用数字I/O口等多功能模块，为功能复杂的控制系统设计实现提供了良好的平台，同时由于其性价比高，成为众多应用领域的首选控制芯片。PWM调节使用DSP事件管理器模块EVA实现的，PID控制器输出的调节信号与内部生成的频率为1kHz的三角波信号通过比较单元，在PWM引脚1输出IGBT的调制脉冲。IGBT元件选用型号为1MBI200L-120；采样单元3包括电流传感器和电压传感器，电流传感器选用型号为CHB300-P，电压传感器型号为CHV-25。由于采集得到的电压信号、电流信号不满足TMS320X281xDSP对ADC模拟信号输入范围0～3V的要求，需要对采集到的信号进行预处理，将信号的幅值转换为0～3V的电压信号，信号的预处理电路分别如图6所示。当电阻R105＝R104时，输入输出电压满足关系如式(2)所示：Vout＝(1+2*R101/Rg)*(R108/R109)(2)本实施例中，电阻R101～R108的阻值都为1kΩ，电阻R109的阻值都为100kΩ，电位计为2kΩ的电位计。由于超级电容储能模块端电压为75V，故电位计的阻值在1kΩ左右，这样保证输出的电压在0～3V。采集的电流信号通过电阻转换为60V的电压信号，电位计的阻值在0.5kΩ左右，这样保证输出的电压在0～3V。转换后的采集信号通过引脚ACDINB1，ACDINB2输入到DSPA/D转换模块进行A/D转换，ADC的采样频率设定为10kHz。以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。当前第1页1 2 3