一種帶儲能測控設備的風力發電系統及其控制方法

一種帶儲能測控設備的風力發電系統及其控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種帶儲能測控設備的風力發電系統，包括風電組件、蓄電池組、放電負載和儲能測控設備；所述儲能測控設備包括測控裝置、風電輸入端、電源輸出接口、風電采集裝置、放電控制器和巡檢裝置；測控裝置連接風電輸入端與電源輸出接口；風電采集裝置連接風電輸入端和測控裝置；電源輸出接口由若干電控邏輯開關組成，其連接所述蓄電池組兩端及其串聯抽頭端；所述蓄電池組包括至少兩個電池模塊且串聯接口有外接端；所述風力發電系統通過儲能測控設備在設定測控邏輯下變換其電源輸出接口的組合狀態實現對蓄電池智能充電。本發明可延長風力發電系統的蓄電池壽命，增加系統的儲電、發電量。
【專利說明】
一種帶儲能測控設備的風力發電系統及其控制方法
技術領域
[0001]本發明涉及風力發電系統的設計領域，特別涉及一種帶儲能測控設備的風力發電系統及其控制方法。
【背景技術】
[0002]風電應用是新能源發展的熱點，風電組件又稱風力發電機，是利用風能裝置中線圈繞組的磁通量改變而將風能直接轉變為電能的一種技術;狹義的風力發電系統多指風電組件、控制器和逆變器三部分，不涉及蓄電池和機械部件。
[0003]風力發電系統分為獨立風力發電系統、并網風力發電系統及分布式風力發電系統，其中獨立風力發電亦稱離網風力發電，主要由風電組件(包括多臺風力發電機組)、控制器、蓄電池(本說明書又簡稱為電池)組成，若要為交流負載供電，還需要配置交流逆變器；風力發電系統按運行方式可分為獨立運行逆變器和并網逆變器。行業預期在今后十幾年，市場將由獨立發電系統轉向并網發電系統，其中又分為帶蓄電池的和不帶蓄電池的并網發電系統；行業公認，帶蓄電池的并網發電系統具有可調度性，可根據需要并入或退出電網，當電網因故停電時可緊急供電，是并網風力發電技術應用的主流發展方向。現階段行業對配套蓄電池用的充放電控制器的標準化設計，大多著眼于控制蓄電池組過充電或過放電，近年已普遍認識到帶蓄電池并網發電系統的短板在于蓄電池，因蓄電池屬戶外應用，需具備卓越的抗高溫、耐低溫特性，否則壽命很短，透過蓄電池壽命短的表現，進一步在充電控制器附加以蓄電池充電恒壓值為控制內容的溫度補償電路。
[0004]現階段風力發電系統的設計中，潛移默化地將蓄電池視為一種理想儲能裝置，一個應用現象為:風力在設計范圍內，所匹配蓄電池的載荷正常，但當風力很小時，即使增加了風電組件內部的機械加速系統，所能增加的儲電量也很有限，一般認為當風電組件獲得的電流太弱時，對蓄電池充電無貢獻。研究認為，蓄電池內阻與荷電態這一對關聯變量的系統效應，還未被充分重視，行業希望尋求到一種能增加系統儲存電量、有效延長蓄電池組使用壽命、降低系統發電成本的技術方案。

【發明內容】

[0005]本發明的目的，在于針對常規風力發電系統的技術現狀，提供一種結構有別于常規充電器的儲能測控設備的設計方案，該儲能測控設備具有對風力發電輸入狀態的數據采集和系統反應功能，可以使風力發電系統有效地延長儲能電池的匹配使用壽命，降低蓄電池的更換成本，增加風力發電系統的儲電、發電量。
[0006]為實現上述技術目的，本發明提供了一種帶儲能測控設備的風力發電系統，所述的風力發電系統包括:風電組件1、蓄電池組4、放電負載10和儲能測控設備11;所述儲能測控設備11包括:測控裝置2、風電輸入端3、電源輸出接口 5、風電采集裝置6、放電控制器Sb和巡檢裝置12;所述測控裝置2的電源輸入端通過風電輸入端3電連接風電組件1，其電源輸出端連接所述電源輸出接口 5;所述風電采集裝置6的輸入端連接風電輸入端3，其信號輸出端連接測控裝置2;所述電源輸出接口 5由若干電控邏輯開關組成，其連接蓄電池組4兩端以及蓄電池組中的串聯抽頭端;所述蓄電池組4包括至少兩個串聯連接的電池模塊且串聯接口設置有外接端;所述風力發電系統通過儲能測控設備11對風電組件I的風電狀態進行信號采集、處理，在設定測控邏輯下對所述的蓄電池組4實現智能化充電。
[0007]所述風力發電系統的風電組件I包括所有通過裝置中線圈繞組的磁通量改變而將風能轉變為電能的裝置，包括單機、機組以及組件內部增設機械加速系統的裝置。
[0008]所述風力發電系統中，蓄電池組4、電池模塊包括任意可反復充電使用的二次電池，例如鋰電池、鉛電池、鎳鋅電池以及金屬儲氫電池等。
[0009]所述風力發電系統的放電負載10任意，包括但不限于使用直流電、逆變為交流電供電或以任意電流波形、頻率輸出的放電負載。例如家用電器、燈具、電子儀器、工業及民用電器設備，以及包括并網的局域電力網。
[0010]所述的儲能測控設備11中，巡檢裝置12的信號輸入端連接蓄電池組4中受控電池模塊的兩端，其信號輸出端連接所述的測控裝置2;所述的巡檢裝置12獨立設置，亦可將其部分功能或全部功能與所述的電源輸出接口 5—體化集成。
[0011]所述巡檢裝置的功能，是將蓄電池組4中受控電池模塊的狀態數據反饋給測控裝置(信號處理模塊2b)，所述的狀態數據包括受控電池模塊的電壓數據或/和容量數據，為在設定邏輯狀態下充電模塊2c對某受控電池模塊或某電池模塊組實現優先充電提供邏輯依據。
[0012]本發明中，所述放電控制器Sb的電源輸入端電連接蓄電池組4的兩端，其電源輸出端電連接放電負載10;所述的放電控制器獨立設置，亦可將其部分功能或全部功能集成于測控裝置2或所述蓄電池組4后置放電負載的中央控制管理系統。
[0013]所述的放電控制器Sb，包括但不限于行業通稱的恒流電源控制器、恒壓電源控制器、交流逆變器、交流配電柜、放電控制管理系統及其組合。
[0014]作為上述技術方案的一種改進，所述的風電采集裝置6的信號采集功能內置于測控裝置2，或通過測控裝置的一體化設計實現其部分邏輯功能或全部邏輯功能。
[0015]所述的測控裝置2包括接口邏輯模塊2a、信號處理模塊2b和充電模塊2c，各個子模塊選擇性分立設置或共用一體化模塊實現其功能。
[0016]優選的，所述的信號處理模塊2b的信號輸入端連接風電采集裝置6，其信號輸出端分別連接所述的充電模塊2c和所述的接口邏輯模塊2a;所述接口邏輯模塊2a的信號輸出端電連接電源輸出接口 5，其信號輸入端連接所述的信號處理模塊2b;所述充電模塊2c的電源輸入端電連接風電采集裝置6或風電輸入端3，其電源輸出端電連接電源輸出接口 5，其信號輸入端連接信號處理模塊2b。
[0017]優選的，所述的充電模塊2c包括輸出電壓恒定電路和輸出電流限制電路。
[0018]優選的，所述充電模塊的輸出電流不限波形、頻率及占空比。
[0019]作為上述技術方案的又一種改進，所述測控裝置中的充電模塊2c分立設置。
[0020]作為上述技術方案的再一種改進，所述測控裝置中的接口邏輯模塊2a分立設置。[0021 ]所述測控裝置2還包括電壓提升模塊7，電壓提升模塊的信號輸入端連接信號處理模塊2b，其電源輸入端/輸出端電連接風電輸入端3/充電模塊2c或充電模塊2c/電源輸出接口 5;即電源輸入端電連接風電輸入端3、電源輸出端電連接充電模塊2c，或電源輸入端電連接充電模塊2c、電源輸出端電連接電源輸出接口 5;所述的電壓提升模塊獨立設置，亦可將其部分功能或全部功能與所述充電模塊一體化集成。
[0022]本發明中，所述的儲能測控設備11可與風力發電系統常規的系統控制設備分立設置，亦可將其部分功能或全部功能與所述常規的系統控制設備一體化集成。
[0023]本發明還公開了一種前述風力發電系統的控制方法，該方法由所述儲能測控設備11的風電采集裝置6對風電輸入端3的風電狀態進行信號采集，并與所述測控裝置2的內貯數據進行比較，測控裝置2根據比較的結果動態變換所述電源輸出接口 5若干邏輯開關的組合狀態，使所述測控設備11對所述蓄電池組4實現智能化充電。
[0024]優選的，當所述風電采集裝置6對風電輸入端3采集到的風能電流強度或其變換反映的電壓值低于測控裝置2所設定的閥值時，將蓄電池組4的整組充電方式變換為對蓄電池組中的受控電池模塊充電。
[0025]優選的，所述測控裝置2根據所述巡檢裝置12反饋的電壓數據或/和容量數據，對電壓或/和容量較低的電池模塊進行優先充電；當若干電池模塊的實時電壓或/和容量相同時，在設定時間內對其實行充電時間平均分配。
[0026]所述的電池模塊可以是單體電池，也可以是多個單體電池內/外串聯而成的一體化產品;所述電池模塊包括電池模塊組，電池模塊組專指兩個電池模塊以上(包括兩個電池模塊)外部串聯組合的連接方式，其可視為一個外接電壓更高的電池模塊，若干電池模塊的智能化組合充電方法依具體設計而定。
[0027]在所述風力發電系統中，儲能測控設備中的電源輸出接口5用于替代常規充電器的輸出接口，兩者區別在于:常規充電器的充電輸出端與蓄電池組是固定電連接，一般僅電固連蓄電池組的正極、負極兩端;而本發明所述電源輸出接口 5是多個電控開關，除了連接蓄電池組的正極、負極兩端外，還連接到蓄電池組中所需單獨控制的電池模塊，甚至連接到單體電池，所述的連接不等同于電導通，該連接是否電導通取決于該路接口端所對應的電控邏輯開關狀態。
[0028]蓄電池的內阻與荷電態是一關聯密切的變量，內阻與荷電態成正比，換言之電池空荷時內阻較小，充電接受能力強;而當電池滿荷時內阻較大，充電接受能力弱；由于蓄電池內阻的存在，使外電路電阻與蓄電池內阻共同構成了蓄電池充電回路的總電阻，當源于風電組件的充電電流相對恒定時，所表現的負載電壓將在蓄電池內阻與外電路電阻中正比分配，這一規律在廣義歐姆定律得到完美表述。
[0029]風電組件獲得的電能在一定區間表現為功率形式，其風電電流、電壓值與負載總電阻相關，當風電電流相對恒定時，風電組件輸出電壓與負載總電阻成正比；當風力較小時，風電組件的輸出功率較小，如果負載總電阻不變，風電組件的輸出電壓也較小；當風電組件輸出功率小至充電外電路分配到的電壓等于甚至小于蓄電池的載荷電壓時，蓄電池充電完全終止。
[0030]本發明是基于上述外電路電阻與蓄電池內阻共同構成風電充電回路總電阻的基礎原理，當風電強度小于設計值下限時，通過電源輸出接口 5若干邏輯開關的組合變換，實時降低受充蓄電池組的電壓(減少蓄電池組中的電池模塊數量，等效降低受充電池的內阻)，例如降低蓄電池組一半電壓(減少蓄電池組中一半的電池模塊)，使受充電池的內阻降低一半，從而使風電組件的充電電流獲得提升；當降低受充電池電壓但風電強度仍小于設計值下限時，邏輯上可繼續減少受充電池模塊的數量，降低受充電池的電壓，使蓄電池的風電充電電流獲得動態提升。
[0031]這種儲能測控設備11的應用可視為使風電組件獲得微功率發電效率的提升，并且這種微功率充電方式對延長儲能電池的壽命很有效，直接降低蓄電池的使用成本；以風力發電系統常用的鉛酸電池為例，這種微功率充電方式可有效抑制負極板的硫酸鉛結晶鹽化現象，保持蓄電池的受充能力和有效載荷能力。
[0032]本發明為解決風力發電系統的市場需求提供了一種切實可行的技術方案，使系統在自身運行中可有效實現對配套蓄電池組的長期維護保障。
[0033]本發明的優點在于:運用所述儲能測控設備11對風電組件I的風電狀態進行信號采集、處理，在設定測控邏輯下相應變換所述電源輸出接口 5若干電控邏輯開關的組合狀態，有效提升蓄電池組的風力充電效率、增加儲電量;所述的儲能測控設備結構簡單、組合多樣化、成本低，適應高端風力發電系統的設備配置要求。
【附圖說明】
[0034]圖1a是常規風電系統的一種結構示意圖。
[0035]圖1b是常規風電系統的另一種結構示意圖。
[0036]圖2是本發明所述風力發電系統的基礎結構示意圖。
[0037]圖3a是一種儲能測控設備的邏輯控制結構示意圖。
[0038]圖3b是充電模塊獨立設置的邏輯控制結構示意圖。
[0039]圖3c是接口邏輯模塊獨立設置的邏輯控制結構示意圖。
[0040]圖3d是充電模塊、接口邏輯模塊均獨立設置的邏輯控制結構示意圖。
[0041 ]圖4a是增設電壓提升模塊的一種控制結構示意圖。
[0042]圖4b是增設電壓提升模塊的另一種控制結構示意圖。
[0043]圖4c是電壓提升模塊與充電模塊一體化設置的控制結構示意圖。
[0044]圖5a是一種控制兩個電池模塊充電的邏輯結構示意圖。
[0045]圖5b是一種控制三個電池模塊充電的邏輯結構示意圖。
[0046]圖6a是一種兩個電池模塊的巡檢裝置結構示意圖。
[0047]圖6b是一種三個電池模塊的巡檢裝置結構示意圖。
[0048]圖7是本發明所述風力發電系統的又一種結構示意圖。
[0049]附圖標識:
1、風電組件;2、測控裝置;2a、接口邏輯模塊;2b、信號處理模塊;2c、充電模塊;3、風電輸入端;4、蓄電池組;4a、電池模塊I ;4b、電池模塊2;4c、電池模塊3; 5、電源輸出接口 ；5a、邏輯開關l;5b、邏輯開關2;5c、邏輯開關3;5d、邏輯開關4;6、風電采集裝置;7、電壓提升模塊;8、常規充放電控制器;8a、常規充電控制器;8b、放電控制器;9、逆變器；10、放電負載；
11、儲能測控設備;12、巡檢裝置。
【具體實施方式】
[0050]下面結合附圖和實施例進一步對本發明進行詳細說明。
[0051]圖1a是常規風力發電系統的一種結構示意圖，風電組件I與蓄電池組4之間連接使用常規充放電控制器8，充電電路的設計特點是與蓄電池組4成組電固連，同時充電器的邏輯功能較簡單，一般標準化設計是著眼于控制蓄電池組過充電(常規設計為恒定充電電壓、限制充電電流方式)，或在此基礎上應用動態微調蓄電池充電恒壓值的溫度補償電路。這類常規風電系統在蓄電池組后置的放電負載10可以是各種形式，當負載使用交流電時附加逆變器9，其中充放電控制器8既可一體化設計，也可將充電控制器8a和放電控制器Sb分開設計，如圖1b所示。
[0052]參見圖2，本發明所述的風力發電系統由風電組件1、蓄電池組4、放電負載10和儲能測控設備11組成，其中，所述儲能測控設備11與常規風電充電器相比，專門設計有風電采集裝置6與風電輸入端3對接;此外，充電輸出端設計為具有多個電控邏輯開關形式的電源輸出接口 5，其除了電固連蓄電池組的兩極端外，還分別連接至蓄電池組中的受控電池模塊(圖5a給出了一種具有三個充電輸出端的基礎設計例);巡檢裝置12的信號輸入端連接蓄電池組中各個受控電池模塊的兩端;儲能測控設備11可以通過風電采集裝置6獲得風電組件I的風電狀態信號，通過測控裝置2的處理實現對蓄電池組4的智能化充電。圖2所示風力發電系統的基礎結構，亦可以將所述儲能測控設備11中的風電采集裝置6內置于測控裝置2。
[0053]圖2所示放電控制器Sb是獨立設置的一種述例，其信號輸入端連接測控裝置2，工作邏輯功能通過測控裝置的統一編程而實現。所述儲能測控設備中，放電控制器根據放電負載10的設計形式而定;例如風力發電系統設計為一種市稱的道路用風能路燈，蓄電池后置的放電負載為LED燈具，放電控制器一般設計為恒流電源控制器;又例如風力發電系統設計為一種行業通稱的并網風能發電站，蓄電池后置的放電負載為電力網，放電控制器一般包括逆變器、交流配電柜、控制系統等。
[0054]圖3a為所述儲能測控設備11的一種邏輯控制結構示意圖，其中測控裝置2的內部結構包括了接口邏輯模塊2a、信號處理模塊2b和充電模塊2c;所述信號處理模塊2b的邏輯功能，包括了對風電采集裝置6采集到的實時狀態信號進行處理，為電源輸出接口 5的若干邏輯開關組合提供邏輯依據;所述風電采集裝置6對風電輸入端3的實時狀態信號采集，既可采集實時充電的電流強度，也可采集實時充電電流變換反映的相對電壓狀態，還可以同時采集以提高控制精度;所述信號采集可設計為連續采集，也可以定時采集;信號處理模塊2b對所述信號通過與內貯數據進行比較，在設定邏輯條件下對接口邏輯模塊2a發出相應信號，使電源輸出接口 5的若干邏輯開關進行相應組合，達到對蓄電池組智能化充電的設計目的。
[0055]在圖3a所示的述例中，放電控制器Sb獨立設置，其電源輸入端電連接蓄電池組4的兩端，電源輸出端可電連接任意的放電負載10，其放電控制器的工作邏輯功能獨立設計，甚至與蓄電池組后置的放電負載管理系統一體化集成。
[0056]所述的充電為行業公知的風電組件I對蓄電池4的充電技術，當測控裝置2用一體化模塊實現其內部功能時，所述功能通過對測控裝置的CPU編程而實現。充電模塊2c—般包括整流電路、輸出電壓恒定電路和輸出電流限制電路，對技術要求較高時，可附加蓄電池充電電壓補償的溫度微調控制電路。
[0057]目前風力發電系統配置的二次電池主要是鉛酸蓄電池，其因性價比高而占市場主流地位，鉛酸電池比能量較低(約30?35VAh/Kg)的缺陷在風力發電系統不是主要問題；一般鋰電池的單體比能量約100?120VAh/Kg，鎳氫電池的單體比能量約60?70VAh/Kg，幾類二次電池在風力發電系統中使用各有其優缺點。
[0058]作為測控裝置2的功能子模塊，充電模塊2c可以獨立設置，市場已有各種規格的集成電路器件模塊;功率器件與邏輯控制器件分立有利于工作穩定性，尤其當充電模塊的功率較大時，圖3b為一種充電模塊獨立設置的邏輯控制結構示意圖。同理，接口邏輯模塊2a同樣可以獨立設置，圖3c為一種接口邏輯模塊獨立設置的邏輯控制結構示意圖；當所述測控裝置2的三個基本功能子模塊全部獨立設置時，其基礎邏輯控制結構如圖3d所示(其中電源輸出接口 5與巡檢裝置12—體化集成設計)，該結構適合大功率系統使用。
[0059]當風電組件I的設計電壓低于蓄電池組4的電壓時，需在所述儲能測控設備11中加入電壓提升模塊7才能實現對蓄電池組充電；例如風電組件的設計電壓為48V，蓄電池組的電壓為96V，需要通過電壓提升模塊把充電電壓提升至96V以上；電壓提升模塊可獨立設置，圖4a是在圖3d述例基礎上加入電壓提升模塊的一種控制結構示意圖，電壓提升模塊設置在充電模塊2c輸入端與風電輸入端3之間，其中，電源輸出接口 5與巡檢裝置12—體化集成設計；同理，電壓提升模塊亦可設置在充電模塊2c的輸出端與電源輸出接口 5之間，如圖4b所示;電壓提升模塊的功能還可以與充電模塊2c—體化集成，如圖4c所示。
[0060]本發明中，所述電源輸出接口5若干電控邏輯開關的組合狀態，取決于測控裝置2對風電采集裝置6所采集信號的處理結果。圖5a給出了一種電源輸出接口5由3個電控邏輯開關組成的設計例，除了邏輯開關5a和5c分別連接蓄電池組4的正極、負極兩端外，邏輯開關5b還連接到兩個電池模塊4a和電池模塊4b的串聯接口端;一種工作邏輯示例可設定為:當風力充裕、風電采集裝置6獲得的風電電流為正常值時，電源輸出接口 5中的邏輯開關5a和5c導通，邏輯開關5b關斷，此時電源輸出接口5連接蓄電池組4的兩端，該連接狀態與常規充電器的充電方式類同；當風力較小引致風電電流低于設計最小值下限時，測控裝置2控制電源輸出接口 5中的邏輯開關5b閉合導通，邏輯開關5a和5c選擇為“或”邏輯，或5a導通5c關斷，或5c導通5a關斷，從而使測控裝置實現分別對電池模塊4a或電池模塊4b充電；值得注意，所述邏輯開關5a和5c選擇“或”邏輯時，需保持測控裝置充電電流方向與受充電池模塊4a或電池模塊4b的極性相對應，該同極性充電設計可通過對測控裝置內部信號處理模塊2b的編程實現，目前充電控制器已普遍運用脈沖數字電路技術，其技術實現方法為行業所公知。
[0061]在圖5a所示的電源輸出接口5述例中，通過邏輯開關5a、5b、5c導通/關斷狀態的變換，可以把對蓄電池組4的整組充電方式變換為對電池模塊4a或電池模塊4b的充電方式，由于受充電池的電壓下降一倍，可使進入電池模塊的充電電流獲得提升，從而可使受充電池取得相對較好的充電效果。
[0062]圖5a所示述例的電源輸出接口5含有3個電控邏輯開關，配合兩個電池模塊組成的蓄電池組使用；同理，電源輸出接口也可以設計為由4個電控邏輯開關配合3個電池模塊組成的蓄電池組使用，如圖5b所示；如此類推，可設計由η個電控邏輯開關配合(η — I)個電池模塊組成的蓄電池組使用(η為多2的正整數);所述的單個電控邏輯開關，包括若干個開關并聯替代一個開關使用。
[0063]所述風電組件的充電電流最小值是設計者選擇的數值，該數值與蓄電池的類型和容量(C)相關，例如某風電組件充電配套蓄電池組是使用容量為C的鉛酸電池，行業公知其一般正常充電工作電流值區間為0.03?0.20C/A，可設定該風電組件的充電電流最小值為0.03C/A，只要風電采集裝置6采集到的風電電流小于0.03C/A，測控裝置2即發出相應的邏輯處理信號，控制電源輸出接口 5的若干電控邏輯開關改變通/斷組合的狀態，使蓄電池受充電流獲得最佳值，并對電壓或/和容量較低的受控電池模塊或電池模塊組進行優先充電。
[0064]所述風電采集裝置6對風電電流的采集，可在風電輸入端3采用公知的微分流電路方式，可實時連續采集也可定時采集;在脈沖數字電路應用設計中，通常是變換為采集微分流電路中所設計電阻兩端表現的電壓值，通過其電壓值判知風電電流值，所述的電流值采集或電壓值采集為等效技術方法。
[0065]所述測控裝置2對某電池模塊或電池模塊組進行優先充電，需要首先對其儲電狀態作出判定，這一判定信號由巡檢裝置12反饋給測控裝置2，所述信號包括電壓數據或/和容量數據;所述的電池模塊組包括至少兩個電池模塊，當蓄電池組4中由眾多電池模塊串聯組成(例如8個電池模塊)而控制精度又不必要太高時，可把眾多電池模塊分為若干組(例如將8個電池模塊分為2組或4組)；圖6a給出了一種在圖5a所示結構基礎上的巡檢裝置12連接方法設計例，巡檢裝置12設計有兩路，分別并聯連接電池模塊4a和電池模塊4b的兩端；圖6b給出了一種在圖5b所示結構基礎上的巡檢裝置12連接方法設計例，巡檢裝置12設計有三路，分別并聯連接電池模塊4a、電池模塊4b和電池模塊4c的兩端。
[0066]對電池模塊或電池模塊組的儲電容量狀態判定，包括實時電壓和實時容量，可擇一監測也可以同時監測，可連續監測也可以定時監測，可在電池的充電態、放電態、靜置狀態監測也可綜合監測比較出結果；以鉛酸電池為例，鉛酸電池在正常工作(包括充電態、放電態)的實時電壓與儲電狀態存在對應關系，其單體一般工作電壓區間為1.80V至2.15V，其以標稱時率放電至標稱工作電壓2.0V時大略對應為半荷態；同批次電池在同一狀態下(包括充/放電、靜置)一般電壓表現越低，儲電容量越低，只要監測到某電池模塊或某電池模塊組的實時電壓相對較低，即可大略判定該電池模塊或該電池模塊組的儲電容量較低，對其進行優先充電。
[0067]行業公知，蓄電池的實時電壓與儲電容量并非線性關系，對技術要求較高的應實時監測電池模塊或電池模塊組的實時容量;常規快速檢測電池容量的技術是采用微分流數據比較方法，市場上已有各種精度的容量測試儀及測試器件模塊，將其與電池模塊或電池模塊組并聯即可讀出容量信號;使用時，容量測試儀或測試器件模塊不必與電池模塊或電池模塊組常態并聯，優選在信號處理模塊設定為定時巡檢各電池模塊或電池模塊組讀取容量信號(例如每間隔10分鐘)；只要監測到某電池模塊或某電池模塊組的實時容量相對較低，即可對其進行優先充電。
[0068]所述電源輸出接口5通常采用數字信號控制邏輯的功率開關制成，其自動控制邏輯一般設計為，當接收“O”信號時不閉合(斷路)，當接收到“I”信號時閉合(電路導通);為消除風力發電系統的后置設備及其控制設備通過電池通道帶來的脈沖干擾影響，可以在電源輸出接口與測控裝置的信號通道加入濾波保護電路。
[0069]本發明中的放電控制器Sb—般根據其工作要求而決定設計方式，當功率較小時可與測控裝置2—體化集成;功率較大時獨立設置，其工作邏輯功能既可獨立設計，也可設置于所述測控裝置的內部(由信號處理模塊2b集成)；圖7是一種放電控制器Sb獨立設置的風力發電系統結構示例，其放電控制功能獨立設計并集成于蓄電池后置的放電控制管理系統;如果負載的工作電流為交流電，需加入逆變器9，逆變器可一體化集成于放電控制器，也可以分立設置。
[0070]以下實施例僅用于說明本發明的技術方案，這些技術方案可單獨使用，也可加入或組合并用其他成熟技術；只要根據風電采集裝置6采集到風電充電電流下降所表現的技術特點，通過測控裝置2對其采集的信號進行數據比較及邏輯處理，在設定的邏輯條件下控制電源輸出接口 5若干電控邏輯開關的通/斷組合狀態，即可實現本發明方案所述對儲能蓄電池組4智能化充電的基本技術目標。
[0071]實施例1、
設計一種市稱道路用風能路燈的小功率風力發電系統，該系統由100W的風電組件1、兩只12VI OOAh鉛酸免維護蓄電池串聯而成的蓄電池組4、50W的LED燈具(放電負載1 )和所述的儲能測控設備11組成。
[0072]該儲能測控設備11包括測控裝置2、風電輸入端3、電源輸出接口5、風電采集裝置
6、放電控制器Sb和巡檢裝置12;其中，放電控制器Sb為一個恒流電源控制器，其電源輸入端電連接兩只蓄電池串聯組成的蓄電池組4的兩極端，電源輸出端電連接LED燈具，信號輸入端連接測控裝置2;測控裝置2通過風電輸入端3電連接風電組件I的電源輸出端;巡檢裝置12的信號輸入端分別連接兩只蓄電池(電池模塊)的兩端，其信號輸出端連接測控裝置2;電源輸出接口 5由3個電控邏輯開關組成，測控裝置2通過該3個電控邏輯開關連接兩只電池串聯的3個外接端，即分別連接兩只電池串聯蓄電池組4的兩端和兩只電池串聯的中間抽頭端，其局部連接結構如圖5a所示。
[0073]測控裝置2的內部結構包括接口邏輯模塊2a、信號處理模塊2b和充電模塊2c，采用一體化的數據處理、功率模塊通過CPU編程并配置輔設器件實現其功能，風電采集裝置6內置于測控裝置2，其輸入端與風電輸入端3電連接，其輸出端以內置方式接入信號處理模塊2b的輸入端，其局部連接結構如圖3a所示;其中對蓄電池充電的充電模塊2 c包括整流電路、輸出電壓恒定電路和輸出電流限制電路，設定有對整組蓄電池4充電或對單只電池充電的兩種工作模式，附加電池充電電壓的溫度微調補償控制電路，運用脈沖數字技術實現所述充電模塊2c的技術功能。
[0074]風電采集裝置6的信號采集采用微分流方式，每分鐘采集一次，將采集到的風能電流強度(或變換處理的相應電壓值)數據輸入測控裝置2處理，設定狀態邏輯為:采集到的風能電流強度連續3次大于3.0OA時，邏輯開關5a和5c閉合導通，邏輯開關5b關斷，此時充電模塊2c連接兩只串聯蓄電池組4的兩端；當采集到的風能電流強度連續3次等于或小于3.0OA時，啟動邏輯開關5b閉合導通，邏輯開關5a和5c依程序設計為或5a導通5c關斷、或5c導通5a關斷，該導通/關斷啟動后設定周期為30分鐘，30分鐘后對風能電流強度重新進行采集;所述該導通/關斷啟動后，使充電模塊2c實現分別對兩只蓄電池之一進行充電；充電模塊對兩只蓄電池之一的充電極性與所述邏輯開關的導通/關斷狀態同步對應。
[0075]巡檢裝置12對兩只蓄電池的巡檢方式為巡檢電壓，其輸入端分別與兩只鉛酸蓄電池(電池模塊)并聯，每5分鐘巡檢一次實時電壓，并將其電壓信號反饋給測控裝置2;測控裝置對每次獲得的巡檢電壓數據更新上次的數據，通過兩只蓄電池的實時電壓數據比較，間接判知其儲電容量，優先對電壓表現低的蓄電池進行充電；當兩只蓄電池的實時電壓相同時，對兩只蓄電池實行時間平均分配充電。
[0076]電源輸出接口5的3個電控邏輯開關3a、3b、3c，均采用常規數字信號控制開關邏輯的功率開關制成，其自動控制邏輯設計為，當接收“O”信號時不閉合(斷路)，當接收到“I”信號時閉合(導通電路)。
[0077]本實施例所述的風力發電系統，通過所述儲能測控設備11中邏輯開關5a、5b、5c導通/關斷狀態的智能變換，可以在風能電流強度大于3.0OA時如使用常規充電設備一樣工作，設定充電模塊2c此狀態下的工作模式為恒定充電電壓27.00V、限制最大充電電流18.00A;當風能電流強度等于或小于3.0OA時，把對蓄電池組4的整組充電方式實時變換為對電池模塊4a或電池模塊4b充電，設定充電模塊2c該狀態下的工作模式為恒定充電電壓13.50V、限制最大充電電流18.0OA;由于受充蓄電池的電壓下降一倍，使進入電池模塊的充電電流強度獲得提升，從而可取得對電池模塊相對較好的充電效果，實現了對蓄電池組4的智能化充電。
[0078]本實施例的風力發電系統可有效利用風電組件在弱風環境發出的電能，風電利用率高，同時這種微功率充電方式可有效抑制鉛酸免維護蓄電池中負極板的硫酸鉛結晶鹽化現象，保持蓄電池的受充能力和載荷能力，延長其使用壽命，降低其更換成本。該風力發電系統繼續在蓄電池前端增加設置光伏組件及其充電控制器，即成為一種市稱道路用的風能、太陽能互補路燈。
[0079]實施例2、
將實施例1所述的兩只12V100Ah鉛酸免維護蓄電池改變為4只6V100Ah的鉛酸免維護蓄電池，4只電池串聯形成蓄電池組4的兩個極端和中間3個串聯抽頭端，共5個外接端；電源輸出接口 5相應改由5個電控邏輯開關組成，測控裝置2通過該5個電控邏輯開關分別連接4只電池串聯的蓄電池組的兩個極端和中間3個串聯抽頭端，5個電控邏輯開關與串聯蓄電池組5個外接端的排接方法以及所述風電儲能儲能測控設備、發電系統的其余連接方法，與實施例I類同。
[0080]本實施例采用具有5個外接端的串聯蓄電池組結構，可控精度更高，設計為兩級精度控制:一級精度控制為，將4只6V100Ah電池的串聯蓄電池組視為兩只12V1 OOAh串聯形成，只控制4只電池串聯的中間抽頭端(僅啟用3只邏輯開關，等效于圖5a所示的局部連接結構)，電源輸出接口5只啟用3個電控邏輯開關，等效于實施例1所述的充電效果；當一級精度控制、風電采集裝置6采集到的風能電流強度仍然<3.0OA時，啟動二級精度控制，在測控裝置2的編程控制下將5只邏輯開關進行相應的導通/關斷組合，實現分別對4個6V100Ah電池模塊實行充電，優先對電壓表現低的蓄電池進行充電，從而使進入電池模塊的風能充電強度實現進一步的間接提升。本實施例可充分利用風電組件在弱風環境發出的電能。
[0081 ] 實施例3、
對實施例2實施進一步變形，將4只6V100Ah鉛酸免維護蓄電池用12只2V100Ah的單體鉛酸電池替代，各單體電池采用外部串聯連接的方式，單體電池外部串聯的接口同時作為電池模塊外接端；電源輸出接口 5相應設計為13個電控邏輯開關組成，其與12只單體電池13個外接端的排接方法與實施例2類同。
[0082]本實施例通過電源輸出接口 5的13個電控邏輯開關在測控裝置2的編程控制下進行相應的導通/關斷組合，從而在風能更弱狀態下使進入單體電池的充電強度實現間接提升，進一步利用風電組件在弱風環境獲得的電能，同時分別對12個單體電池實行時間平均分配充電，達到有效維護電池的目的。
[0083]實施例4、
將實施例3所述的12只2V100Ah單體鉛酸電池替代為16只1.7V100Ah的單體鎳鋅電池，電源輸出接口 5相應設計為17個電控邏輯開關組成，其與16個單體鎳鋅電池串聯成組的17個外接端的排接方法，與實施例3類同。
[0084]本實施例是基于近年大容量鎳鋅電池技術成熟而提出的細分市場需求，這類鎳鋅電池的低溫性能卓越，一般在一 20 °C溫度環境下放電可保持90%左右的常溫容量，比能量一般可達60Wh/Kg以上，是道路用風能路燈理想配置的蓄電池。
[0085]實施例5、
在實施例1基礎上加入電壓提升模塊7，其獨立設置在充電模塊2c的輸出端與電源輸出接口 5之間，其信號輸入端連接測控裝置2的信號處理模塊2b，如圖4a所示;這類電壓提升模塊在市場有各種規格產品，功率數可達到風電儲能儲能測控設備的匹配需求，購置后只需按說明書編程、填入對應數據即可使用。
[0086]本實施例中，采用兩只標稱55V20Ah的鋰電池模塊串聯組成蓄電池組4，兩只鋰電池串聯的連接口為中間抽頭端；電源輸出接口5同樣由3個電控邏輯開關組成，測控裝置2通過電源輸出接口 5的3個電控邏輯開關分別連接兩只鋰電池模塊串聯蓄電池組4的兩端和中間抽頭端，該局部連接結構與實施例1類同。
[0087]本實施例風力發電系統的放電控制器8b為一個恒壓電源控制器，其信號輸入端連接測控裝置2，電源輸入端電連接兩只鋰電池模塊串聯組4的兩極端，電源輸出端電連接的負載10為一個超高頻脈沖發生器。
[0088]實施例6、
將實施例5所述的電壓提升模塊7的功能與測控裝置2中的充電模塊2c—體化集成，如圖4c所示，其余與實施例5類同，所取得的實施效果也類同。
[0089]實施例7、
將前述實施例1測控裝置2中的充電模塊2c分立設計，如圖3b所示，通過編程實現所述的功能；因充電模塊2c的最大工作電流達到18A，充電模塊2c的分立設置更有利于信號處理模塊2b的工作穩定性。
[0090]實施例8、
將前述實施例1巡檢裝置12對兩只蓄電池的巡檢方式改為巡檢容量，市購一種電池容量測試專用的器件模塊，該器件模塊的輸入端分別與兩只鉛酸蓄電池(電池模塊)并聯，每10分鐘巡檢一次電池容量，并將其容量數據信號反饋給測控裝置(2)，測控裝置對每次獲得的巡檢容量數據更新上次的數據，通過兩只蓄電池的實時容量數據比較，直接判知電池模塊4a或電池模塊4b的儲電容量，實時優先對容量表現低的電池模塊組進行充電；當兩只蓄電池的實時容量相同時，測控裝置2對電池模塊4a或電池模塊4b實行時間平均分配充電。
[0091]其余與實施例1相同，由于巡檢裝置12對兩只蓄電池的巡檢方式為巡檢容量，直接判知電池模塊4a或電池模塊4b的儲電容量，優先充電效果更好。
[0092]實施例9、
將本發明所述技術方案推廣到一種市稱并網風能發電站的風力發電系統，儲能測控設備11設計依風電組件1、蓄電池組4的功率數而定，其輸入/輸出電壓、電流根據風電組件1、若干電池模塊組合的蓄電池組4的電壓、電流特點而設計。
[0093]本實施例中，所述的受控電池模塊由3個標稱外接電壓為90V、容量為3000Ah的鎳鋅電堆組成，每一鎳鋅電堆由52X2只標稱1.71 V、1500Ah的單體鎳鋅電池每兩只并聯后串聯而成，標稱儲電功率270KVAh，3個鎳鋅電堆串聯組成的蓄電池組4計儲電功率數8 1KVAh ；該鎳鋅電堆匹配的風電組件I標稱為330V輸出、風電設計的額定功率lOOKVAh，風力發電的最大電流理論值約300A。
[0094]由于本實施例的風力發電功率、儲電功率數較大，測控裝置2中的接口邏輯模塊2a、信號處理模塊2b和充電模塊2c全部分立設置，采用大功率模塊對CPU編程并通過外加輔助組件而實現其功能;充電模塊2c設定有對整組鎳鋅電池4充電或對單個鎳鋅電堆充電的兩種工作模式;電源輸出接口 5設計為4個電控邏輯的大功率開關，分別連接3個鎳鋅電堆串聯的蓄電池組4的兩個極端和中間鎳鋅電堆的兩個抽頭端；電控邏輯開關與鎳鋅電堆組4個外接端的連接方法、巡檢裝置12以及其他組件的局部連接方法，參見圖5b和6b所示。
[0095]當風電采集裝置6采集到的風能電流強度大于30A時，信號處理模塊2b控制接口邏輯模塊2a對邏輯開關5a、5d發出“I”信號，使邏輯開關5a、5d導通，同時對邏輯開關5b、5c發出“O”信號，使邏輯開關5b、5c關斷，風電組件I在信號處理模塊2b控制下通過充電模塊2c對鎳鋅電堆組4實行整組充電，充電模塊2c此狀態下的工作模式為恒定充電電壓297V、限制最大充電電流300A;當風電采集裝置6采集到的風能電流強度等于或小于30A時，邏輯開關5a、5b,5c、5d在信號處理模塊2b控制下通過接口邏輯模塊2a相應發出的“I”或“O”信號，重新進行4個邏輯開關的導通/關斷組合，使充電模塊2c實現對鎳鋅電堆4a、鎳鋅電堆4b或鎳鋅電堆4c的分別充電，充電模塊2c此狀態下的工作模式為恒定充電電壓99V、限制最大充電電流300A。
[0096]巡檢裝置12對三只鎳鋅電堆的巡檢方式既可如實施例1方案設置為巡檢電壓，也可如實施例8所述方案設置為巡檢容量，測控裝置2通過對三只鎳鋅電堆的實時電壓或容量數據比較，優先對電壓或容量表現低的鎳鋅電堆進行充電；當三只鎳鋅電堆的實時電壓或容量數據相同時，對三只鎳鋅電堆實行時間平均分配充電，達到充分利用風電組件在弱光環境所發電能的技術目標。
[0097]本實施例的放電控制器8b與行業通稱的逆變器、交流配電柜、中央控制系統等常規系統控制裝置統一規劃設計，其電源輸入端電連接三只鎳鋅電堆串聯組成的蓄電池組4兩極端，其電源輸出端電連接的負載10為局域電力網，其放電控制管理系統與所述逆變器、交流配電柜的中央控制系統一體化集成風能。
[0098]實施例10、
將實施例9所述的3個鎳鋅電堆改變為6個標稱外接電壓為45V、容量為3000Ah鎳鋅電堆，該電堆由26 X 2只標稱1.71 V、1500Ah的鎳鋅電池每兩只并聯后串聯而成，標稱儲電功率135KVAh，6個鎳鋅電堆串聯構成的蓄電池組4計儲電功率數同樣為81OKVAh;電源輸出接口 5相應設計為由7個電控邏輯開關組成。
[0099]7個電控邏輯開關與6個45V、3000Ah鎳鋅電堆串聯蓄電池組4的7個外接端的排布方法原理與實施例9類同，技術目標為當風電采集裝置6采集到的風能電流強度等于或小于30A時，在信號處理模塊2b的編程控制下，通過接口邏輯模塊2a對7個電控邏輯開關進行相應的導通/關斷組合，使進入鎳鋅電堆充電的電流強度獲得間接提升，進一步實現分別對6個45V、3000Ah鎳鋅電堆實行智能分配充電，使風電組件的弱風電能得到充分利用。
[0100]
以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的技術人員應當理解，對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
【主權項】
1.一種帶儲能測控設備的風力發電系統，包括風電組件(1)、蓄電池組(4)、放電負載(10)和儲能測控設備(11)，其特征在于，所述儲能測控設備(11)包括測控裝置(2)、風電輸入端(3)、電源輸出接口(5)、風電采集裝置(6)、放電控制器(Sb)和巡檢裝置(12);所述測控裝置(2)的電源輸入端通過風電輸入端(3)電連接風電組件(I)，其電源輸出端連接所述電源輸出接口( 5 );風電采集裝置(6 )的輸入端連接風電輸入端(3 )，其信號輸出端連接測控裝置(2);電源輸出接口(5)由若干電控邏輯開關組成，其連接蓄電池組(4)兩端以及蓄電池組中的串聯抽頭端;所述蓄電池組(4)包括至少兩個串聯連接的電池模塊且串聯接口設置有外接端;所述風力發電系統通過儲能測控設備(11)對風電組件(I)的風電狀態進行信號采集、處理，在設定測控邏輯下對所述蓄電池組實現智能化充電。2.根據權利要求1所述的風力發電系統，其特征在于，所述巡檢裝置(12)的信號輸入端連接蓄電池組(4)中受控電池模塊的兩端，其信號輸出端連接所述的測控裝置(2);所述的巡檢裝置(12)獨立設置，亦可將其部分功能或全部功能與所述電源輸出接口(5)—體化集成。3.根據權利要求1所述的風力發電系統，其特征在于，所述放電控制器(Sb)的電源輸入端電連接蓄電池組(4 )的兩端，其電源輸出端電連接放電負載(1 );所述的放電控制器獨立設置，亦可將其部分功能或全部功能集成于測控裝置(2)或所述蓄電池組后置的放電負載管理系統。4.根據權利要求1所述的風力發電系統，其特征在于，所述風電采集裝置(6)的信號采集功能內置于測控裝置(2)，通過測控裝置的一體化設計實現其部分邏輯功能或全部邏輯功能。5.根據權利要求1所述的風力發電系統，其特征在于，所述儲能測控設備(11)的測控裝置(2)包括接口邏輯模塊(2a)、信號處理模塊(2b)和充電模塊(2c)，所述的各個子模塊選擇性分立設置或共用一體化模塊實現其功能。6.根據權利要求5所述的風力發電系統，其特征在于，所述的信號處理模塊(2b)的信號輸入端連接風電采集裝置(6)和所述的巡檢裝置(12)，其信號輸出端分別連接充電模塊(2c )和接口邏輯模塊(2a);所述接口邏輯模塊(2a)的信號輸出端電連接電源輸出接口( 5 )，其信號輸入端連接所述的信號處理模塊(2b);所述充電模塊(2c)的電源輸入端電連接風電采集裝置(6 )或風電輸入端(3 )，其電源輸出端電連接電源輸出接口( 5 )，其信號輸入端連接所述的信號處理模塊(2b)。7.根據權利要求5所述的風力發電系統，其特征在于，所述測控裝置(2)還包括電壓提升模塊(7)，電壓提升模塊的信號輸入端連接信號處理模塊(2b)，其電源輸入端/輸出端電連接風電輸入端(3 )/充電模塊(2c )或充電模塊(2c )/電源輸出接口( 5 );所述的電壓提升模塊獨立設置，亦可將其部分功能或全部功能與所述的充電模塊一體化集成。8.根據權利要求1所述的風力發電系統，其特征在于，所述儲能測控設備(11)可與風力發電系統常規的系統控制設備分立設置，亦可將其部分功能或全部功能與所述常規的系統控制設備一體化集成。9.基于權利要求1?8任一所述的風力發電系統的控制方法，該方法由所述儲能測控設備(11)的風電采集裝置(6)對風電輸入端(3)的風電狀態進行信號采集，并與所述測控裝置(2)的內貯數據進行比較，測控裝置(2)根據比較的結果動態變換所述電源輸出接口(5)若干邏輯開關的組合狀態，使所述測控設備(11)對所述蓄電池組(4)實現智能化充電。10.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，所述的測控裝置(2)根據所述巡檢裝置(12)反饋的電壓數據或/和容量數據，對電壓或/和容量較低的電池模塊進行優先充電；當若干電池模塊的實時電壓或/和容量相同時，在設定時間內對其實行充電時間平均分配。
【文檔編號】H02J7/00GK105932759SQ201610485884
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月28日
【發明人】劉粵榮, 劉曦
【申請人】深圳智慧能源技術開發有限公司