一種帶有混合儲能裝置的風(fēng)電功率調(diào)控實(shí)驗(yàn)平臺開發(fā)

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(許昌學(xué)院 電氣(機(jī)電)工程學(xué)院，河南 許昌 461000)

1 引言

風(fēng)力發(fā)電對改善能源結(jié)構(gòu)、推動(dòng)生態(tài)環(huán)保、保障能源安全和能源可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，風(fēng)力發(fā)電已成為最具開發(fā)競爭力的新能源發(fā)電方式之一[1]。風(fēng)能的間歇性、隨機(jī)性會導(dǎo)致風(fēng)電場輸出功率的波動(dòng)，利用儲能系統(tǒng)對風(fēng)電波動(dòng)功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電功率平抑，已成為風(fēng)電功率調(diào)控的主要策略。有多位學(xué)者對儲能系統(tǒng)在風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行中的作用進(jìn)行了研究，并采取了相關(guān)儲能技術(shù)解決風(fēng)電功率控制問題。有學(xué)者提出利用飛輪儲能實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率和頻率綜合控制[2]；有學(xué)者采用超導(dǎo)儲能進(jìn)行風(fēng)電場功率控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[3]；有學(xué)者采用空氣壓縮儲能調(diào)節(jié)風(fēng)電場功率[4]，儲能技術(shù)的應(yīng)用，不同程度地解決了風(fēng)電功率波動(dòng)問題。將不同儲能方式組合，可以實(shí)現(xiàn)儲能特性互補(bǔ)，一方面可以提高儲能系統(tǒng)的整體性能，另外，還可以降低儲能系統(tǒng)的總投資和運(yùn)行成本[5]，已引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注。有學(xué)者針對平抑間歇式電源發(fā)電功率波動(dòng)需求，進(jìn)行了超級電容器/蓄電池混合儲能系統(tǒng)功率電路的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了混合儲能系統(tǒng)能量管理方案的設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的能量管理方案具有中央管理單元控制和本地控制兩個(gè)層次，具有自適應(yīng)特征[6]。有學(xué)者構(gòu)建了一種基于蓄電池和飛輪儲能的復(fù)合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型，并設(shè)計(jì)了中央管理層的控制策略，具有很好的風(fēng)電功率調(diào)控效果，能保障復(fù)合儲能系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行[7]。論文提出一種帶有混合儲能裝置的風(fēng)電功率調(diào)控實(shí)驗(yàn)平臺，該實(shí)驗(yàn)平臺主要由風(fēng)電模擬系統(tǒng)、風(fēng)電輸出系統(tǒng)和風(fēng)電功率調(diào)控系統(tǒng)構(gòu)成。給出了系統(tǒng)的架構(gòu)和功率調(diào)控系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)方法，通過系統(tǒng)應(yīng)用，可以進(jìn)行儲能技術(shù)在風(fēng)電系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)中的實(shí)驗(yàn)研究，為理論付諸于工程實(shí)踐打下良好的基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)平臺架構(gòu)

帶有混合儲能裝置的風(fēng)電功率調(diào)控實(shí)驗(yàn)平臺架構(gòu)如圖1所示，主要由風(fēng)電模擬系統(tǒng)、風(fēng)電輸出系統(tǒng)和風(fēng)電功率調(diào)控系統(tǒng)構(gòu)成。

圖1 帶有混合儲能裝置的風(fēng)電功率調(diào)控實(shí)驗(yàn)平臺架構(gòu)圖

風(fēng)電模擬系統(tǒng)主要用于產(chǎn)生風(fēng)電功率，模擬實(shí)際的風(fēng)力系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)平臺中，風(fēng)力原動(dòng)機(jī)用直流電動(dòng)機(jī)模擬，選用西瑪ZSL4系列直流電機(jī)，額定功率為5.5kW，額定轉(zhuǎn)速1000r/min，勵(lì)磁電壓180V，勵(lì)磁電流1.23A，通過直流調(diào)速器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和模擬風(fēng)力調(diào)節(jié)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用YZR系列起重繞線電機(jī)，額定功率為5.5kW，定子額定電壓380V，額定電流為15A，轉(zhuǎn)子額定電壓138V，額定電流25.7A，繞線式異步電機(jī)的定子輸出經(jīng)背靠背變流器，通過1:4升壓變壓器后，接380V交流電網(wǎng)。風(fēng)電輸出系統(tǒng)通過背靠背變流器網(wǎng)側(cè)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電功率并網(wǎng)輸出，其中并網(wǎng)逆變器采用三相電壓型橋式逆變主電路，根據(jù)功率交互需求，工作于整流和逆變狀態(tài)，對其實(shí)施一定的控制策略，維持直流母線電壓穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)輸出。

3 風(fēng)電功率調(diào)控系統(tǒng)

3.1 風(fēng)電功率調(diào)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

風(fēng)電功率調(diào)控系統(tǒng)主要用于對風(fēng)電功率進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，該系統(tǒng)主要由混合儲能單元(蓄電池儲能、超級電容器儲能構(gòu)成)、兩級DC/DC變換器、儲能并網(wǎng)逆變器構(gòu)成[8]。在混合儲能系統(tǒng)中，DC/DC(SC)的低壓側(cè)為DC/DC(BAT)高壓側(cè)，與超級電容器并聯(lián)，DC/DC(SC)的高壓側(cè)為并網(wǎng)逆變器的直流接口，雙向變流器DC/DC(SC)主要用于精確控制混合儲能系統(tǒng)充放電總功率的大小和方向。DC/DC(BAT)的低壓側(cè)接蓄電池儲能裝置，其主要作用是精確調(diào)節(jié)蓄電池充放電功率的大小和方向，超級電容器位于DC/DC(SC)和DC/DC(BAT)之間，起到功率緩沖作用，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)變換器的解耦。通過對DC/DC(BAT)的控制，實(shí)現(xiàn)蓄電池儲能裝置和超級電容器的功率分配，達(dá)到功率協(xié)調(diào)輸出。在實(shí)驗(yàn)平臺中，蓄電池采用36V/100AH蓄電池，超級電容器選擇70V/24F,DC/DC變換器采用升降壓雙向DC/DC變換器結(jié)構(gòu)。

3.2 DC/DC變換器設(shè)計(jì)

在本實(shí)驗(yàn)平臺中，風(fēng)電功率調(diào)控系統(tǒng)是設(shè)計(jì)關(guān)鍵[9]。所設(shè)計(jì)的變換器主電路如圖2所示。

圖2 DC/DC變換器主電路結(jié)構(gòu)圖

DC/DC變換器采用高速M(fèi)OSFET模塊IRFP240B作為主開關(guān)原件，該模塊參數(shù)：VDSS=200V，ID=20A，VGS=10V。系統(tǒng)留有蓄電池、超級電容器和儲能系統(tǒng)輸出接口。在本實(shí)驗(yàn)平臺中，雙向變流器 DC/DC(BAT)高壓側(cè)與超級電容器相連，其濾波電感選擇設(shè)計(jì)為2mH。DC/DC(SC)高壓側(cè)和儲能系統(tǒng)輸出相連，設(shè)計(jì)濾波電感為6mH。

為了使開關(guān)管可靠通斷，采用光耦TLP250設(shè)計(jì)了圖3所示的DC/DC變換器驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)光電隔離。

圖3 DC/DC變換器驅(qū)動(dòng)電路圖

電路中芯片引腳3為PWM信號輸入端，引腳7為光耦輸出，接開關(guān)管的門極。引腳8為芯片的電源端，接24V直流電。D6為穩(wěn)壓管，當(dāng)光耦輸出低電平時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)電壓為-10V，當(dāng)光耦輸出為高電平時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)電壓為14V，保證開關(guān)管的可靠通斷。

3.3 采樣電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)功率精確調(diào)控，需要采集系統(tǒng)中的交、直流電壓、電流信號，電壓采樣電路采用南京托肯公司YBV10/20X霍爾電壓傳感器，設(shè)計(jì)的采樣電路如圖4所示，有運(yùn)放構(gòu)成電壓跟隨器，主要用于提高采樣精度，同時(shí)進(jìn)行信號調(diào)理和阻抗匹配。在功率調(diào)控系統(tǒng)中，電壓采樣電路主要完成蓄電池組端電壓、超級電容器組端電壓、風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)側(cè)交流電壓值的采樣。

如上圖所示，在電壓采樣電路中，將直流輸入送入YBV10/20X的引腳1、芯片引腳2接地，引腳4為傳感器輸出，接后級信號處理電路，引腳6和引腳5分別接+15V和-15V電源。輸出信號經(jīng)過RC濾波電路，

送入由運(yùn)放OP07構(gòu)成的電壓跟隨電路中，用于提高采樣精度，同時(shí)進(jìn)行信號調(diào)理和阻抗匹配。

圖4 電壓采樣電路圖

采用ACS712-20A傳感器設(shè)計(jì)圖5所示的電流采樣電路，傳感器后接兩級運(yùn)放調(diào)理電路，所得輸出可以接入處理器的A/D轉(zhuǎn)換單元，系統(tǒng)主要采樣的電流信號為雙向變換器A和雙向DC/DC變換器B的電感電流，風(fēng)電機(jī)組網(wǎng)側(cè)變流器輸出的三相電流。

圖5 電流采樣電路圖

電流采樣電路串聯(lián)于斬波電路電感之后，芯片1、2引腳并聯(lián)，接電流+，3、4引腳并聯(lián)，接電流-，引腳6接濾波電容，引腳8為+5V電源供電，引腳7為信號輸出，后接兩級運(yùn)放調(diào)理電路。

3.4 調(diào)控系統(tǒng)控制

風(fēng)電功率調(diào)控系統(tǒng)采用DSP2812作為主控芯片，其控制算法主要由中斷子程序?qū)崿F(xiàn)，其流程圖如圖6所示。根據(jù)采樣信號結(jié)果，計(jì)算出風(fēng)電輸出實(shí)時(shí)功率，指令功率和超級電容器端電壓，根據(jù)能量層和系統(tǒng)層雙層控制策略，實(shí)現(xiàn)DC/DC變換器開關(guān)管控制，達(dá)到調(diào)控功率的目的，系統(tǒng)啟動(dòng)后，轉(zhuǎn)入中斷程序，判斷系統(tǒng)是否過流，若系統(tǒng)出現(xiàn)過流，則閉鎖PWM輸出。否則，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入功率判斷和超級電容器電壓判斷程序，進(jìn)入不同的能量管理模塊，從而使系統(tǒng)進(jìn)入系統(tǒng)層控制，得到兩組DC/DC變換器的控制PWM信號，進(jìn)行變換器控制[10]。

圖6 調(diào)控系統(tǒng)中斷子程序流程圖

4 結(jié)束語

利用混合儲能系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)電波動(dòng)功率調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電功率平抑，是解決風(fēng)能間歇性、隨機(jī)波動(dòng)性的有力手段。設(shè)計(jì)了由蓄電池和超級電容器構(gòu)成儲能混合儲能單元、兩級DC/DC變換器、儲能并網(wǎng)逆變器構(gòu)成的風(fēng)電功率調(diào)控實(shí)驗(yàn)平臺，該實(shí)驗(yàn)平臺主要由風(fēng)電模擬系統(tǒng)、風(fēng)電輸出系統(tǒng)和風(fēng)電功率調(diào)控系統(tǒng)構(gòu)成。給出了風(fēng)電功率調(diào)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理，進(jìn)行了DC/DC變換器及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，完成了系統(tǒng)中電壓、電流采樣電路設(shè)計(jì)和調(diào)控策略開發(fā)。該實(shí)驗(yàn)平臺可以進(jìn)行儲能技術(shù)在風(fēng)電系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)中的實(shí)驗(yàn)研究，為理論付諸于工程實(shí)踐打下良好的基礎(chǔ)。

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