一种带有混合储能装置的风电功率调控实验平台开发

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(许昌学院 电气(机电)工程学院，河南 许昌 461000)

1 引言

风力发电对改善能源结构、推动生态环保、保障能源安全和能源可持续发展具有重要意义，风力发电已成为最具开发竞争力的新能源发电方式之一[1]。风能的间歇性、随机性会导致风电场输出功率的波动，利用储能系统对风电波动功率进行调节，实现风电功率平抑，已成为风电功率调控的主要策略。有多位学者对储能系统在风电场并网运行中的作用进行了研究，并采取了相关储能技术解决风电功率控制问题。有学者提出利用飞轮储能实现风力发电系统功率和频率综合控制[2]；有学者采用超导储能进行风电场功率控制系统设计[3]；有学者采用空气压缩储能调节风电场功率[4]，储能技术的应用，不同程度地解决了风电功率波动问题。将不同储能方式组合，可以实现储能特性互补，一方面可以提高储能系统的整体性能，另外，还可以降低储能系统的总投资和运行成本[5]，已引起了学者的广泛关注。有学者针对平抑间歇式电源发电功率波动需求，进行了超级电容器/蓄电池混合储能系统功率电路的设计，并进行了混合储能系统能量管理方案的设计，所设计的能量管理方案具有中央管理单元控制和本地控制两个层次，具有自适应特征[6]。有学者构建了一种基于蓄电池和飞轮储能的复合储能系统结构和数学模型，并设计了中央管理层的控制策略，具有很好的风电功率调控效果，能保障复合储能系统安全稳定运行[7]。论文提出一种带有混合储能装置的风电功率调控实验平台，该实验平台主要由风电模拟系统、风电输出系统和风电功率调控系统构成。给出了系统的架构和功率调控系统的具体设计方法，通过系统应用，可以进行储能技术在风电系统功率调节中的实验研究，为理论付诸于工程实践打下良好的基础。

2 实验平台架构

带有混合储能装置的风电功率调控实验平台架构如图1所示，主要由风电模拟系统、风电输出系统和风电功率调控系统构成。

图1 带有混合储能装置的风电功率调控实验平台架构图

风电模拟系统主要用于产生风电功率，模拟实际的风力系统，在实验平台中，风力原动机用直流电动机模拟，选用西玛ZSL4系列直流电机，额定功率为5.5kW，额定转速1000r/min，励磁电压180V，励磁电流1.23A，通过直流调速器进行驱动，从而实现转速调节和模拟风力调节。风力发电机采用YZR系列起重绕线电机，额定功率为5.5kW，定子额定电压380V，额定电流为15A，转子额定电压138V，额定电流25.7A，绕线式异步电机的定子输出经背靠背变流器，通过1:4升压变压器后，接380V交流电网。风电输出系统通过背靠背变流器网侧实现风电功率并网输出，其中并网逆变器采用三相电压型桥式逆变主电路，根据功率交互需求，工作于整流和逆变状态，对其实施一定的控制策略，维持直流母线电压稳定，实现单位功率因数输出。

3 风电功率调控系统

3.1 风电功率调控系统结构原理

风电功率调控系统主要用于对风电功率进行实时调节，该系统主要由混合储能单元(蓄电池储能、超级电容器储能构成)、两级DC/DC变换器、储能并网逆变器构成[8]。在混合储能系统中，DC/DC(SC)的低压侧为DC/DC(BAT)高压侧，与超级电容器并联，DC/DC(SC)的高压侧为并网逆变器的直流接口，双向变流器DC/DC(SC)主要用于精确控制混合储能系统充放电总功率的大小和方向。DC/DC(BAT)的低压侧接蓄电池储能装置，其主要作用是精确调节蓄电池充放电功率的大小和方向，超级电容器位于DC/DC(SC)和DC/DC(BAT)之间，起到功率缓冲作用，实现两个变换器的解耦。通过对DC/DC(BAT)的控制，实现蓄电池储能装置和超级电容器的功率分配，达到功率协调输出。在实验平台中，蓄电池采用36V/100AH蓄电池，超级电容器选择70V/24F,DC/DC变换器采用升降压双向DC/DC变换器结构。

3.2 DC/DC变换器设计

在本实验平台中，风电功率调控系统是设计关键[9]。所设计的变换器主电路如图2所示。

图2 DC/DC变换器主电路结构图

DC/DC变换器采用高速MOSFET模块IRFP240B作为主开关原件，该模块参数：VDSS=200V，ID=20A，VGS=10V。系统留有蓄电池、超级电容器和储能系统输出接口。在本实验平台中，双向变流器 DC/DC(BAT)高压侧与超级电容器相连，其滤波电感选择设计为2mH。DC/DC(SC)高压侧和储能系统输出相连，设计滤波电感为6mH。

为了使开关管可靠通断，采用光耦TLP250设计了图3所示的DC/DC变换器驱动电路，实现光电隔离。

图3 DC/DC变换器驱动电路图

电路中芯片引脚3为PWM信号输入端，引脚7为光耦输出，接开关管的门极。引脚8为芯片的电源端，接24V直流电。D6为稳压管，当光耦输出低电平时，输出驱动电压为-10V，当光耦输出为高电平时，输出驱动电压为14V，保证开关管的可靠通断。

3.3 采样电路设计

为了实现功率精确调控，需要采集系统中的交、直流电压、电流信号，电压采样电路采用南京托肯公司YBV10/20X霍尔电压传感器，设计的采样电路如图4所示，有运放构成电压跟随器，主要用于提高采样精度，同时进行信号调理和阻抗匹配。在功率调控系统中，电压采样电路主要完成蓄电池组端电压、超级电容器组端电压、风电机组电网侧交流电压值的采样。

如上图所示，在电压采样电路中，将直流输入送入YBV10/20X的引脚1、芯片引脚2接地，引脚4为传感器输出，接后级信号处理电路，引脚6和引脚5分别接+15V和-15V电源。输出信号经过RC滤波电路，

送入由运放OP07构成的电压跟随电路中，用于提高采样精度，同时进行信号调理和阻抗匹配。

图4 电压采样电路图

采用ACS712-20A传感器设计图5所示的电流采样电路，传感器后接两级运放调理电路，所得输出可以接入处理器的A/D转换单元，系统主要采样的电流信号为双向变换器A和双向DC/DC变换器B的电感电流，风电机组网侧变流器输出的三相电流。

图5 电流采样电路图

电流采样电路串联于斩波电路电感之后，芯片1、2引脚并联，接电流+，3、4引脚并联，接电流-，引脚6接滤波电容，引脚8为+5V电源供电，引脚7为信号输出，后接两级运放调理电路。

3.4 调控系统控制

风电功率调控系统采用DSP2812作为主控芯片，其控制算法主要由中断子程序实现，其流程图如图6所示。根据采样信号结果，计算出风电输出实时功率，指令功率和超级电容器端电压，根据能量层和系统层双层控制策略，实现DC/DC变换器开关管控制，达到调控功率的目的，系统启动后，转入中断程序，判断系统是否过流，若系统出现过流，则闭锁PWM输出。否则，系统转入功率判断和超级电容器电压判断程序，进入不同的能量管理模块，从而使系统进入系统层控制，得到两组DC/DC变换器的控制PWM信号，进行变换器控制[10]。

图6 调控系统中断子程序流程图

4 结束语

利用混合储能系统进行风电波动功率调节，实现风电功率平抑，是解决风能间歇性、随机波动性的有力手段。设计了由蓄电池和超级电容器构成储能混合储能单元、两级DC/DC变换器、储能并网逆变器构成的风电功率调控实验平台，该实验平台主要由风电模拟系统、风电输出系统和风电功率调控系统构成。给出了风电功率调控系统的结构和原理，进行了DC/DC变换器及驱动电路设计，完成了系统中电压、电流采样电路设计和调控策略开发。该实验平台可以进行储能技术在风电系统功率调节中的实验研究，为理论付诸于工程实践打下良好的基础。

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