风电变桨系统后备电源用充电装置及其充电控制方法与流程

本发明涉及充电装置及其控制方法，尤其是一种风电变桨系统后备电源用充电装置及其充电控制方法。

背景技术：

随着风电事业的发展，变桨控制系统的控制和设计不断优化完善，尤其是安全设计，而后备电源作为风机安全运行的重要保护措施之一，其充电装置的设计直接影响着它的使用寿命以及应用的可靠性和灵活性。

在变桨系统应用中，充电装置以浮充充电方式进行充电，即先进行恒流充电，待后备电源电压达到浮充电压后，再进行涓流充电。目前，很多充电装置只能输出固定的充电电压，无法根据后备电源额定电压进行调节,且不同发电功率的风机所配备变桨系统的后备电源额定电压也不尽相同，因此，充电电压固定的充电装置无法适用于不同发电功率的风机，这就导致了这类充电装置的适用性大大降低。

同时，常见的充电装置也不具备温度补偿功能，而风机运行环境恶劣，温度变化范围大，在环境温度较高时，较高的充电电压长时间充电容易造成后备电源过冲，减少后备电源使用寿命，从而增加维护成本；在环境温度较低时，又无法使后备电源电压达到实际充满状态，影响收桨速度，甚至无法将桨叶收至安全位置，存在安全隐患。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，通过提出了一种可以根据不同后备电源额定电压调制的且具有温度补偿功能的风电变桨系统后备电源用充电装置及其充电控制方法。

本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：

风电变桨系统后备电源用充电装置，与上位机及采集后备电源温度的温度采集电路连接通信，包括微处理器，所述微处理器产生期望充电电流控制信号、期望充电电压控制信号及期望温度补偿控制信号并分别输送给与其耦合的电流信号放大调制电路、电压信号放大调制电路、温度信号放大调制电路，所述电流信号放大调制电路与充电电流控制电路耦合，所述电压信号放大调制电路、温度信号放大调制电路均与充电电压及温度补偿控制电路耦合，所述充电电流控制电路及充电电压及温度补偿控制电路构成控制双管正激电路输出的充电电压的控制电路。

优选的，所述的风电变桨系统后备电源用充电装置，其中：所述电流信号放大调制电路包括第一放大器和第二放大器，所述第一放大器的正向输入引脚通过两级RC滤波电路连接充电电流调制信号端，第一级RC滤波电路包括第二电阻与第一电容，第二级RC滤波电路包括第三电阻与第二电容，所述充电电流调制信号端通过第一电阻接+3.3V电源端，所述第一放大器的反向输入引脚通过第四电阻连接电源地，所述第一放大器的输出引脚和反向输入引脚之间设置第五电阻，所述第一放大器的输出引脚通过第六电阻连接所述第二放大器的正向输入引脚，第二放大器的正向输入引脚还通过第七电阻连接电源地，所述第二放大器的反向输入引脚和输出引脚之间还设置第八电阻，所述第二放大器的输出引脚输出充电电流控制信号。

优选的，所述的风电变桨系统后备电源用充电装置，其中：所述充电电流调制信号端的调节充电电流的占空比大小满足如下公式：

其中，D1是调节充电电流的占空比大小，I指需要设定的电流，Io是恒流充电时的电流，一般即充电器的额定输出电流，V1是计算D1数学关系时电路的电流环基准电压，K1是根据所述电流信号放大调制电路的参数计算的比例增益参数，取值在0.1～10之间。

优选的，所述的风电变桨系统后备电源用充电装置，其中：所述电压信号放大调制电路包括第三放大器和第四放大器，所述第三放大器的正向输入引脚通过两级RC滤波电路连接充电电压调制信号端，第五级RC滤波电路由第十电阻与第三电容构成，第六级RC滤波电路由第十一电阻与第四电容构成，所述充电电压调制信号端与+3.3V电源之间设置第九电阻，所述第三放大器的反向输入引脚通过第十二电阻连接电源地，所述第三放大器的反向输入引脚和输出引脚之间设置第十三电阻，所述第三放大器的输出引脚通过第十四电阻连接所述第四放大器的正向输入引脚，所述第四放大器的正向输入引脚还通过第十五电阻连接电源地，所述第四放大器的反向输入引脚和输出引脚之间设置第十六电阻，所述第四放大器的输出引脚输出充电电压控制信号。

优选的，所述的风电变桨系统后备电源用充电装置，其中：所述充电电压调制信号端的调节充电电压的占空比大小满足如下公式：

其中，D2是调节充电电压的占空比大小，t是后备电源电压和充电电压的比值，V_batt指后备电源额定电压，Vo是恒压充电时的电压大小，一般即充电器的额定输出电压，V2是计算D2数学关系时电路的电压环基准电压，K2是根据所述电压信号放大调制电路的参数计算的比例增益参数，取值在0.1～10000之间。

优选的，所述的风电变桨系统后备电源用充电装置，其中：所述温度信号放大调制电路包括第五放大器，所述第五放大器的正向输入引脚通过两级RC滤波电路接温度补偿调制信号端及接电源地，第三级RC滤波电路包括第十七电阻与第五电容，第四级RC滤波电路包括第十八电阻与第六电容，所述第五放大器的反向输入引脚通过第十九电阻连接电源地，所述第五放大器的反向输入引脚和输出引脚之间设置第二十电阻和第二十一电阻，所述第五放大器的输出引脚通过第二十二电阻连接温度补偿控制信号输出端。

优选的，所述的风电变桨系统后备电源用充电装置，其中：所述温度补偿调制信号端的调节温度补偿的占空比大小满足如下公式：

其中，D3是调节温度补偿的占空比大小，Kd是根据充电电压及温度补偿控制电路参数计算的比例增益常数K与调节充电电压的占空比D2的乘积，Ka是由铅酸电池特性决定的常系数与后备电源额定电压参数Vbatt的乘积，ΔT指温度补偿的温度差，Kc是根据充电电压及温度补偿控制电路参数计算的比例增益常数。

风电变桨系统后备电源用充电装置的充电控制方法，包括如下步骤：

S1，微处理器接收上位机输入的后备电源期望充电电流参数，计算输出期望充电电流调制信号，经电流信号放大调制电路处理后，通过充电电流控制电路输出至双管正激电路；

S2，微处理器接收上位机输入的后备电源额定电压参数，计算输出期望充电电压调制信号，经电压信号放大调制电路处理后，再通过充电电压及温度补偿控制电路输出至双管正激电路；

S3，微处理器接收上位机输入的后备电源额定电压参数及温度采集电路采集的后备电源温度，计算输出温度补偿调制信号，经温度信号放大调制电路处理后，再通过充电电压及温度补偿控制电路输出至双管正激电路；

S4，所述双管正激电路接收处理后的期望充电电流调制信号、期望充电电压调制信号及温度补偿调制信号进行处理后输出充电电压。

优选的，所述的风电变桨系统后备电源用充电装置的充电控制方法，其中：所述后备电源额定电压参数的范围在0～276V之间，且参数精度为1V。

优选的，所述的风电变桨系统后备电源用充电装置的充电控制方法，其中：所述温度补偿调制信号用以当后备电源温度高于20℃的设定温度时，减小充电装置的充电电压，以及当后备电源温度低于20℃的设定温度时，加大充电装置的充电电压。

本发明技术方案的优点主要体现在：

本发明设计合理，通过调整后备电源的额定电压参数，可以适用不同额定电压的后备电源的充电要求，参数设计简单、直观、快捷，提高了充电装置应用的广泛性和灵活性，温度补偿功能既保护了后备电源又提高了后备电源输出电压的稳定性，为风机的安全、稳定运行提供了更加可靠的保障，同时也有利于延长后备电源的适用寿命。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的充电电流信号放大调制电路图；

图3是本发明的充电电压信号放大调制电路图；

图4是本发明的温度控制信号放大调制电路图；

图5是本发明中充电电流控制电路及充电电压及温度补偿控制电路构成的控制电路。

具体实施方式

本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

本发明揭示的风电变桨系统后备电源用充电装置，如附图1所示，与上位机1及采集后备电源温度的温度采集电路连接通信，包括微处理器2，所述微处理器2产生期望充电电流控制信号、期望充电电压控制信号及期望温度补偿控制信号并分别输送给与其耦合的电流信号放大调制电路3、电压信号放大调制电路4、温度信号放大调制电路5，所述电流信号放大调制电路3与充电电流控制电路6耦合，所述电压信号放大调制电路4、温度信号放大调制电路5均与充电电压及温度补偿控制电路7耦合，所述充电电流控制电路6及充电电压及温度补偿控制电路7构成控制双管正激电路8输出的充电电压的控制电路9。

其中，如附图2所示，所述电流信号放大调制电路3包括第一放大器U9-B和第二放大器U9-C，所述第一放大器U9-B的正向输入引脚通过两级RC滤波电路连接充电电流调制信号端D1，第一级RC滤波电路包括第二电阻R65与第一电容C42，第二级RC滤波电路包括第三电阻R66与第二电容C43，所述充电电流调制信号端D1通过第一电阻R89接+3.3V电源端，所述第一放大器U9-B的反向输入引脚通过第四电阻R67连接电源地，所述第一放大器U9-B的输出引脚和反向输入引脚之间设置第五电阻R68，所述第一放大器U9-B的输出引脚通过第六电阻R64连接所述第二放大器U9-C的正向输入引脚，第二放大器U9-C的正向输入引脚还通过第五第七电阻R63连接电源地，所述第二放大器U9-C的反向输入引脚和输出引脚之间还设置第八电阻R79，所述第二放大器U9-C的输出引脚输出充电电流控制信号AO1。

根据所述电流信号放大调制电路可得，所述充电电流控制信号端AO1的电压V_AO1与充电电流调制信号端D1的调节充电电流的占空比大小的关系满足公式(1)

V_AO1＝k₁·D₁ (1)

其中，k₁为已知量，由电流信号放大调制电路确定；D1是调节充电电

流的占空比大小，K1是根据该电流信号放大调制电路参数计算的比例

增益参数，一般为0.1～10之间不等

当V_AO1＝V₁时， (2)

其中，V1是计算D1数学关系时电路的电流环基准电压，根据充电电流比较器控制电路可得充电电流

I_out＝I_o (3)

其中，Io是恒流充电时的电流，一般即充电器的额定输出电流，因此，当输出电流为Io时，对应充电电流调制电路的控制信号端电压为V₁，当输出电流为I时，对应充电电流调制电路的控制信号端电压为V_AO1＝K1*D1，调制电路特性针对两种输入、输出信号的比例关系一样，因此有由上述式(1)～(3)可得V_AO1/V1＝I/Io，即

其中，I为需要设定的电流

因此，可以得到

同时，如附图3所示，所述电压信号放大调制电路4包括第三放大器U9-A和第四放大器U9-D，所述第三放大器U9-A的正向输入引脚通过两级RC滤波电路连接充电电压调制信号端D2，第五级RC滤波电路由第十电阻R70与第三电容C44构成，第六级RC滤波电路由第十一电阻R71与第四电容C45构成，所述充电电压调制信号端D2与+3.3V电源之间设置第一第九电阻R90，所述第三放大器U9-A的反向输入引脚通过第二第十二电阻R72连接电源地，所述第三放大器U9-A的反向输入引脚和输出引脚之间设置第三第十三电阻R73，所述第三放大器U9-A的输出引脚通过第四第十四电阻R74连接所述第四放大器U9-D的正向输入引脚，所述第四放大器U9-D的正向输入引脚还通过第五第十五电阻R69连接电源地，所述第四放大器U9-D的反向输入引脚和输出引脚之间设置第六第十六电阻R80，所述第四放大器U9-D的输出引脚输出充电电压控制信号AO2。

根据所述电压信号放大调制电路4可得，所述充电电压控制信号端AO2的电压V_AO2与充电电压调制信号端D2的调节充电电压的占空比大小的关系为：

V_AO2＝k₂·D₂ (4)

其中，k₂为已知量，由电压信号放大调制电路确定，是根据该电路参数计算的比例增益参数，一般为0.1～10000之间不等，D2是调节充电电压的占空比大小；

当V_AO2＝V₂时 (5)

其中，V2是计算D2数学关系时电路的电压环基准电压；

据充电电压及温度补偿比较器控制电路可得充电电压V_out

V_out＝V_o (6)

其中，Vo是恒压充电时的电压大小，一般即充电器的额定输出电压；

又据蓄电池充电特性得到V_out与后备电源额定电压V_batt的关系式为

V_out＝t·V_batt (7)

其中，t为已知量，是后备电源电压和充电电压的比值，一般来说V_batt的后备电源电压需要的充电器充电电压需要比V_batt大一点，才能持续充电，范围一般1～1.5之间。

因此，由上述式(4)～(7)可得：

因此，

进一步，如附图4所示，所述温度信号放大调制电路5包括第五放大器U12-D，所述第五放大器U12-D的正向输入引脚通过两级RC滤波电路接温度补偿调制信号端D3及接电源地，第三级RC滤波电路包括第十七电阻R15与第五电容C25，第四级RC滤波电路包括第十八电阻R52与第六电容C39，所述第五放大器U12-D的反向输入引脚通过第一第十九电阻R53连接电源地，所述第五放大器U12-D的反向输入引脚和输出引脚之间设置第二第二十电阻R54和第三第二十一电阻R61，所述第五放大器U12-D的输出引脚通过第四第二十二电阻R116连接温度补偿控制信号输出端AO3。

根据温度信号放大调制电路5可得，所述温度补偿控制信号端AO3的电压V_AO3与温度补偿调制信号端D3的调节温度补偿的占空比大小的关系为

V_AO3＝k₃·D₃ (8)其中，k₃为已知量，由温度信号放大调制电路确定；D3是调节温度补偿的占空比大小；

根据蓄电池温升说明可知蓄电池每1V每升高1℃的补偿量为V_a(9)

根据充电电压及温度补偿比较器控制电路、后备电源额定电压参数V_batt和上述期望充电电压调制信号端的调节充电电压的占空比大小D2，温度补偿电压V_b为：

V_b＝k_b·D₂+k_c·V_AO3＝k_d+k_c·V_AO3 (10)

其中，k_b,k_c由充电电压及温度补偿比较器控制电路确定，Kd是根据充电电压及温度补偿控制电路参数计算的比例增益常数K与调节充电电压的占空比D2的乘积，即Kd＝K*D2，Kc是根据充电电压及温度补偿控制电路参数计算的比例增益常数；从上式可得：

风电变桨系统用充电装置的充电控制方法中，设计当后备电源温度为20℃，温度补偿电压为0v，温度补偿的温度差ΔT为：

ΔT＝T-20 (11)

其中，T为温度采集电路采集的后备电源温度；

由上述式(8)～(11)可得：

k_d+k_c·V_AO3＝k_a·ΔT，公式左边是温度补偿电压V_b，右边是温度升高ΔT时对应的温度补偿值，Ka是由铅酸电池特性决定的常系数与后备电源额定电压参数V_batt的乘积，其计算公式如下k_a＝V_a·V_batt，

因此，

更进一步，如附图5所示，所述充电电流控制电路6包括比较器U10-A，所述比较器U10-A的正向输入引脚(3脚)通过串联的电阻R145、电阻R152连接电流控制信号端A01，所述比较器U10-A的反向输入引脚(2脚)通过电阻R149连接实际充电电流信号端CURRENT_1，所述比较器U10-A的输出引脚(1脚)通过串联的二极管D24及电阻R125连接到光耦H1-A的原边，具体的，连接到所述光耦H1-A中发光二极管的阴极；所述比较器U10-A的输出引脚和反向输入引脚之间还设置电容C81以及与其并联的电容C75、电阻R148。

如附图5所示，所述充电电压及温度补偿控制电路7包括比较器U3-A，所述比较器U3-A的正向输入引脚(3脚)通过串联的电阻R73、电阻R5接充电电压控制信号端AO2，所述比较器U3-A的反向输入引脚(2脚)通过串联的电阻R77、R17、R3接实际充电电压信号端VOLT，在电阻R77及实际充电电压信号端VOLT之间还设置与电阻R17、R3并联设置有串联的电阻R24及电容C19；所述比较器U3-A的反向输入引脚(2脚)还连接温度补偿信号端TEMP以及通过并联的电阻R69、电容C24接数字地端；所述比较器U3-A的输出引脚(1脚)通过串联的二极管D49、电阻R125连接到光耦H1-A的原边，具体的连接到光耦H1-A中发光二极管的阴极，所述比较器U3-A的输出引脚和反向输入引脚之间还设置电容C81以及与其并联的电容C75、电阻R148。

所述光耦H1-A中的发光二极管的阳极接12V电源端以及与电容C32的一端，所述电容C32的另一端接地；并且，所述发光二极管的阳极和阴极之间还连接有电阻R32。

进一步，所述风力发电变桨系统充电控制电路，还包括与所述比较器U10-A及U3-A的输出引脚接在一起的一键封锁信号端SEC_STOP，一键封锁信号端SEC_STOP与测试点TP23连接。

通过增加SEC_STOP信号处理，起到一键封锁的作用，当需要切断光耦H1-A输出时，直接置一键封锁信号端为高电平，使所述光耦H1-A的原边封锁，副边无输出，从而切断充电器充电输出，用于紧急情况保护。

所述双管正激电路包括与所述控制电路9中的光耦H1-A的副边耦合的控制芯片UC2845，所述控制芯片UC2845的输出引脚与推挽电路耦合，所述推挽电路与隔离电路耦合，所述隔离电路连接双功率管并控制其通断。

本发明根据风电变桨系统后备电源用充电装置的应用特点，通过软、硬件设计，开发了一种可根据后备电源额定电压调节充电电压并具有温度补偿功能的充电装置，其可对设计允许范围内的任一额定电压值的后备电源进行充电。

在软件设计方面，设计了两个参数，一个参数用以表征后备电源期望充电电流，另一个参数用以表征后备电源额定电压，额定电压的参数精度为1V，设置范围0～276V，因此该充电装置可对设计允许范围内的任一电压的后备电源进行充电。

在硬件设计方面，设计了温度采集电路用于实时监测后备电源温度以对充电电压进行温度补偿。

根据软件中的两个参数以及实时采集的后备电源温度参数形成三组调制信号，一组用以控制和表征期望充电电流，一组用以控制和表征期望充电电压信号，一组用以控制和表征温度补偿电压信号，其中，所述温度补偿调制信号以工况常温20℃为基准，用以当后备电源温度高于20℃的设定温度时，减小充电装置的充电电压，以及当后备电源温度低于20℃的设定温度时，加大充电装置的充电电压。

实际应用中，充电装置与上位机1连接通讯，只需通过上位机将相关参数(后备电源额定电压参数及后备电源期望充电电流参数等)设置为相应值并保存即可，所述微处理器根据参数分别得到当前后备电源期望充电电流与期望充电电压的调制信号，并据实时采集的后备电源温度和后备电源额定电压参数得到温度补偿电压的调制信号，当环境温度高于某设定温度时，该补偿信号用以加大充电装置的充电电压，低于某设定温度时，该补偿信号用以降低充电装置的充电电压，从而使得充装置输出最佳充电电压。

所述风电变桨系统后备电源用充电装置的充电控制方法，其包括如下过程：

S1，所述微处理器2接收所述上位机1输入的后备电源期望充电电流参数，计算输出期望充电电流调制信号，经所述电流信号放大调制电路3处理后，通过所述充电电流控制电路6输出至双管正激电路8。

S2，所述微处理器2接收上位机1输入的后备电源额定电压参数，计算输出期望充电电压调制信号，经所述电压信号放大调制电路4处理后，再通过所述充电电压及温度补偿控制电路7输出至双管正激电路8。

S3，所述微处理器2接收上位机1输入的后备电源额定电压参数及温度采集电路采集的后备电源温度，计算输出温度补偿调制信号，经所述温度信号放大调制电路5处理后，再通过所述充电电压及温度补偿控制电路7输出至双管正激电路8。

S4，所述双管正激电路8接收处理后的期望充电电流调制信号、期望充电电压调制信号及温度补偿调制信号进行处理后输出充电电压。

本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。