風(fēng)電氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊臥龍

摘 要：氫是在一個(gè)干凈的相同類型的高能量密度的最終體積的載體，可以將一次能源轉(zhuǎn)換諸如風(fēng)能電能，熱和化學(xué)能。監(jiān)控能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的系統(tǒng)。所述STM32F 103作為核心控制器，所述系統(tǒng)的能量管理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括一個(gè)MCGS觸摸屏作為監(jiān)控接口，硬件電路，軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，和監(jiān)控系統(tǒng)的通信，數(shù)據(jù)收集，管理控制，與其他功能過(guò)程監(jiān)控接口配置過(guò)程。最后，監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)成功執(zhí)行，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)被收集和分析。可行性和本文所設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證的風(fēng)力氫存儲(chǔ)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電;氫儲(chǔ)能;監(jiān)測(cè);可靠

中圖分類號(hào)：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）06-0176-03

0 引言

風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)絡(luò)的連接的難度是一個(gè)難以解決的問(wèn)題。據(jù)國(guó)家能源局的數(shù)據(jù)，中國(guó)減少和降低風(fēng)在2013年就達(dá)到了162×108千瓦時(shí)，這是一個(gè)巨大的浪費(fèi)。各種儲(chǔ)能技術(shù)已成為研究的中心。其中，氫儲(chǔ)能技術(shù)利用風(fēng)的電解水，然后被存儲(chǔ)，以獲得氫氣和氧氣。通過(guò)燃燒氫或燃料電池，由此能夠順利進(jìn)入到電網(wǎng)產(chǎn)生穩(wěn)定的電能。氫能存儲(chǔ)技術(shù)是解決大規(guī)模風(fēng)電儲(chǔ)存，儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)，響應(yīng)時(shí)間更快，具有的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有污染的新途徑。這種新型的能量存儲(chǔ)的特別好地適合于新的能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)在山區(qū)和遠(yuǎn)程位置的島嶼。氫能存儲(chǔ)的發(fā)電不僅用于新能源的存儲(chǔ)，它也可以用來(lái)填補(bǔ)調(diào)峰和電網(wǎng)的低谷。氫能量存儲(chǔ)系統(tǒng)包括電解水系統(tǒng)，氫存儲(chǔ)系統(tǒng)，及燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。涉及的是變化的能量的電解水技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)，高效率的貯氫技術(shù)，在低成本鏈路的燃料電池技術(shù)的高效率，并且每個(gè)鏈路系統(tǒng)的匹配技術(shù)。總結(jié)了效率貯氫技術(shù)的國(guó)家和國(guó)際研究，進(jìn)行了不同的氫存儲(chǔ)技術(shù)的比較分析，展望其應(yīng)用在氫儲(chǔ)能。

在七十年代開(kāi)始，許多國(guó)外領(lǐng)先的研究人員研究的技術(shù)可行性和基于可再生能源的氫能存儲(chǔ)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，以及基于氫的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)置各種基于系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及其應(yīng)用，流量控制方法。但是，大多數(shù)研究集中在小規(guī)模系統(tǒng)氫能量的儲(chǔ)存諸如用于存儲(chǔ)風(fēng)能獨(dú)立的系統(tǒng)。設(shè)置與氫能的存儲(chǔ)系統(tǒng)的建模質(zhì)子交換膜燃料電池的數(shù)學(xué)模型;設(shè)計(jì)用于存儲(chǔ)風(fēng)氫能源系統(tǒng)，其中結(jié)合氫存儲(chǔ)能量和超級(jí)電容器的能量存儲(chǔ)，并且包括電解槽系統(tǒng)的每個(gè)模塊的因果序列圖集中在數(shù)學(xué)控制模型和策略，為整個(gè)系統(tǒng)的能量控制的結(jié)構(gòu)。國(guó)內(nèi)的研究技術(shù)，氫能存儲(chǔ)已經(jīng)開(kāi)始晚了，它只是在風(fēng)和光的份額不斷增加的背景下成為中國(guó)新能源基地，能源的傳統(tǒng)形式可以對(duì)新能源的儲(chǔ)能能力提供足夠的能量存儲(chǔ)增加。開(kāi)工項(xiàng)目的研究。最重要的研究主要集中在關(guān)鍵技術(shù)使轉(zhuǎn)換機(jī)制，電能，氫氣生產(chǎn)的新能源，大規(guī)模存儲(chǔ)和合作的能量網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)籌控制的兩家運(yùn)營(yíng)商之間。

因此提出了一種風(fēng)電氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，基于STM32基礎(chǔ)能源管理WP-HES與CCMFCS的監(jiān)控系統(tǒng)，配電控制策略，并研究了數(shù)學(xué)模型的戰(zhàn)略上。以CGS作為監(jiān)控系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)軟件的配置，與被設(shè)計(jì)相對(duì)完整的功能的信息處理層。STM32核心控制器設(shè)計(jì)信息的收集和輸出層，實(shí)現(xiàn)集中收集和風(fēng)力發(fā)電和儲(chǔ)能系統(tǒng)狀態(tài)信息的功率輸出的控制。它采用的技術(shù)和RS485串行通信總線用于完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)秸麄€(gè)控制系統(tǒng)和創(chuàng)建能源管理。在實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型。

1 風(fēng)電氫儲(chǔ)能技術(shù)

由于強(qiáng)大的隨機(jī)風(fēng)電出力，這是不容易儲(chǔ)存和運(yùn)輸，并且需要一個(gè)廉潔高效的風(fēng)能和消費(fèi)者或負(fù)載的生成之間的橋梁能源載體。因?yàn)闅浔凰L(fēng)能電解產(chǎn)生具有其發(fā)電，大能量密度和快速響應(yīng)時(shí)間，這將是最好的橋[1]。

該系統(tǒng)包括風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，電源控制器，高效率的AC-DC轉(zhuǎn)換器和堿性電解液。在能量轉(zhuǎn)換的第一步是由風(fēng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生的電力即提供所需的電解氫生產(chǎn)系統(tǒng)的電力。該方法的原理是主要化學(xué)用電的作用下，水通過(guò)化學(xué)反應(yīng)分解成氫氣和氧氣。堿電解100-300kPa控制的環(huán)境。在電解電池中的陰極，水分子被分解成氫離子（H+）和氫氧根離子（OH-）。氫離子反應(yīng)與由動(dòng)力源供給而產(chǎn)生的氫原子和氫原子的電子結(jié)合以產(chǎn)生氫分子（H2）。氫氧根離子（OH-）的電場(chǎng)的陰極和陽(yáng)極，在那里它們失去電子以形成水分子和氧分子之間的作用下達(dá)到通過(guò)離子交換膜的陽(yáng)極[2]。陽(yáng)極和陰極反應(yīng)如下：

水的電解過(guò)程中，沒(méi)有其它污染物，以產(chǎn)生僅用于煤化學(xué)工業(yè)所需的氫氣和氧氣，是氫氣和氧氣的最為理想的來(lái)源。在這個(gè)過(guò)程中，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)是在傳統(tǒng)煤化工“有問(wèn)題”，不僅要充分利用風(fēng)能資源的最大，不僅要解決風(fēng)電并網(wǎng)的連接，CO難的瓶頸和二氧化碳排放量降低顯著，全球能源網(wǎng)絡(luò)，為實(shí)現(xiàn)綠色和低碳的排放將提供技術(shù)支持。

2 風(fēng)電氫儲(chǔ)能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1總體設(shè)計(jì)方案

該WP-HES&CCMFCS監(jiān)視系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在圖1中所示的總體結(jié)構(gòu)采用三層結(jié)構(gòu)，諸如物理層執(zhí)行層，信息收集和輸出層，和信息處理層[3]。

2.2功能模塊電路設(shè)計(jì)

電源是穩(wěn)定和精確的外部時(shí)鐘源是外部數(shù)據(jù)采集和精確計(jì)數(shù)期間所需要的處理器核控制系統(tǒng)的正常操作兩個(gè)因素。處理配備基本外部電路陽(yáng)臺(tái)通常被稱為最小系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)年齡為下底，其性能直接影響到操作系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性[4]。STM32最小系統(tǒng)部分電路圖2所示。

2.3數(shù)據(jù)采集與輸出電路

該WP-HES&CCFCS能量管理的主要任務(wù)監(jiān)控系統(tǒng)較低級(jí)別的計(jì)算機(jī)包括收集的風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率和氣體存儲(chǔ)罐的剩余氣體的壓力，輸出所述電磁閥控制的開(kāi)關(guān)值，并輸出功率以執(zhí)行層DC/DC轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)的主控制芯片DSP，所以該系統(tǒng)的下位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)三個(gè)任務(wù)，例如收集模擬量，輸出切換值，并與上計(jì)算機(jī)和運(yùn)行過(guò)程中的執(zhí)行裝置進(jìn)行通信[5]。主控制器設(shè)計(jì)框架圖3所示。

2.4監(jiān)測(cè)系統(tǒng)人機(jī)交互軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

過(guò)程中的具體操作的計(jì)算機(jī)軟件上下被描述為如：首先，風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的模塊計(jì)算AD計(jì)算機(jī)較小計(jì)數(shù)輸出，并根據(jù)收集的信號(hào)的SOC相當(dāng)于存儲(chǔ)罐中的氣體，并提供計(jì)算出檢查程序的相應(yīng)功能的代碼數(shù)據(jù)通信，并將其發(fā)送給計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件，除了上述數(shù)據(jù)，該監(jiān)控軟件還接收電力需求，并通過(guò)多能量集群系統(tǒng)產(chǎn)生的氫的煤化學(xué)等價(jià)物。的能量管理策略協(xié)調(diào)后生成的上述數(shù)據(jù)計(jì)算和電磁閥和所述數(shù)據(jù)的執(zhí)行轉(zhuǎn)換器電磁閥控制數(shù)據(jù)經(jīng)由komunikasi.CSP每個(gè)轉(zhuǎn)換器被直接連接到主機(jī)計(jì)算機(jī)的主控制程序返回到主控制器并接收要被控制的功率。根據(jù)上述內(nèi)容，不難看出，能量管理控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)WP-HES&CCMFCS的整個(gè)過(guò)程涉及各種模塊，諸如風(fēng)電場(chǎng)輸出，SOC氣體罐，控制裝置的計(jì)算，和計(jì)算機(jī)的通信上下的計(jì)算。為了簡(jiǎn)化整個(gè)系統(tǒng)的軟件編程難度，提高運(yùn)行效率代碼，本文使用的模塊化編程方法[6]。由軟件配置CGS完成能量管理策略編程接口和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件總體框架圖4所示。

數(shù)據(jù)的整個(gè)過(guò)程上的計(jì)算機(jī)之間交換和使用Modbus協(xié)議，串行中斷服務(wù)功能，串行端口傳輸功能，串行端口接收功能，數(shù)據(jù)幀監(jiān)視功能，Modbus協(xié)議驅(qū)動(dòng)器功能，子，如CRC校驗(yàn)功能降低計(jì)算機(jī)這是需要調(diào)整的功能。主計(jì)算機(jī)發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求的數(shù)據(jù)幀給STM32，每個(gè)中斷執(zhí)行的服務(wù)功能的數(shù)據(jù)的字節(jié)被接收到的串行端口的時(shí)間后，接收到的號(hào)碼被存儲(chǔ)順序緩沖器陣列英寸串行端口接收功能，同時(shí)對(duì)應(yīng)于該數(shù)據(jù)幀中的陣列值的指針?lè)峙洌鰯?shù)據(jù)幀的監(jiān)視功能，以確定數(shù)據(jù)幀是否已被接受。如果驗(yàn)收完成后，會(huì)進(jìn)行CRC校驗(yàn)。如果檢查是成功的，Modbus協(xié)議驅(qū)動(dòng)功能啟動(dòng)。該功能的功能碼被確定，則執(zhí)行相應(yīng)的功能。實(shí)現(xiàn)讀出和寫(xiě)入的外圍寄存器的功能，并且根據(jù)該處理結(jié)果來(lái)更新該數(shù)據(jù)幀的指針，終于完成了傳輸，是由串行端口發(fā)送功能更新指針數(shù)據(jù)的任務(wù)周期[7，8]。下位機(jī)通信過(guò)程流程圖5所示。

2.5監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

WP-HES&CCMFCS能量管理系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)采集的風(fēng)電場(chǎng)輸出口三相電壓、三相電流和兩個(gè)儲(chǔ)氣罐氣壓信號(hào)，因此ADC采用8通道連續(xù)掃描轉(zhuǎn)換模式，在這種轉(zhuǎn)換模式下STM32對(duì)所有設(shè)定通道挨個(gè)進(jìn)行掃描，并使用DMA將所測(cè)得的通道轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)從ADC儲(chǔ)存緩沖區(qū)轉(zhuǎn)存到SRAM，觸發(fā)信號(hào)來(lái)自定時(shí)器T2。系統(tǒng)對(duì)ADC數(shù)據(jù)采集速度要求較低，因此所有通道的采樣時(shí)間都設(shè)為239.5個(gè)周期，這樣可以兼顧采樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[9，10]。至此完成了對(duì)ADC的配置，其配置過(guò)程流程圖如圖6所示。

STM32 ADC為了滿足有些系統(tǒng)的中斷式數(shù)據(jù)采集需求，將ADC通道分成了規(guī)則組和注入組等兩個(gè)組，本系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)的采用都是規(guī)則組里完成的，由定時(shí)器觸發(fā)規(guī)則通道數(shù)據(jù)計(jì)算器，開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，當(dāng)規(guī)則組轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)產(chǎn)生中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)函數(shù)讀取采集數(shù)據(jù)，DMA將所測(cè)得的通道轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)從ADC儲(chǔ)存緩沖區(qū)轉(zhuǎn)存到SRAM，清理ADC數(shù)據(jù)緩沖器，供下一次采集使用。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

本文能量管理系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控界面采用某企業(yè)自動(dòng)化軟件公司生產(chǎn)的觸摸屏TPC7062TX，功率信號(hào)的采集選用JSY MK-211系列電能采集模塊，風(fēng)電輸出功率由JWY 30C型直流穩(wěn)壓電源模擬，下位機(jī)能量控制系統(tǒng)采用了基于STM32F 103ZET6為主控芯片的紅牛開(kāi)發(fā)板了，電磁閥由帶光禍隔離的繼電器模塊，由此構(gòu)成了包括上位機(jī)、下位機(jī)和部分執(zhí)行器件的WP-HES&CCMFCS監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)合通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖7所示。

3.2監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試分析

Modbus通訊協(xié)議，必須區(qū)分的上部和下部裝置的位置之間進(jìn)行。首先，創(chuàng)建和調(diào)試基于Modbus協(xié)議格式下計(jì)算機(jī)通信程序。當(dāng)完成計(jì)算機(jī)頂裝置的構(gòu)型中，電磁閥按鈕和風(fēng)力發(fā)電輸出框?qū)⒃谟脩舸翱趤?lái)建立。數(shù)據(jù)信道被連接到保持寄存器，用于存儲(chǔ)所述下計(jì)算機(jī)的功率的計(jì)算結(jié)果，按鈕通道連接到對(duì)應(yīng)于較低的計(jì)算機(jī)繼電器的控制引腳的寄存器。在測(cè)試過(guò)程中，改變對(duì)應(yīng)于切換狀態(tài)和電磁閥的功率調(diào)節(jié)模塊的下計(jì)算機(jī)輸出功率值的LED的狀態(tài)產(chǎn)生時(shí)，風(fēng)窗口主窗口MCGS變化，從圖8所示的顯示值，所顯示與所測(cè)量的功率被發(fā)現(xiàn)是基本相同。0.03千瓦的誤差，測(cè)量模塊是原因。電磁閥的狀態(tài)是一樣的主窗口的狀態(tài)。按鈕的動(dòng)畫(huà)屬性是一致的。要被監(jiān)視畫(huà)面上顯示的數(shù)據(jù)是正常的，則表示該能量管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和通信功能是正常的。實(shí)驗(yàn)測(cè)試，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在整個(gè)能量管理系統(tǒng)的穩(wěn)定操作，RS485總線是準(zhǔn)確的，并且提供了大量的可靠的測(cè)試數(shù)據(jù)的隨后的數(shù)據(jù)分析。

從圖9所示中19：25-19：35分時(shí)間段各參數(shù)波形可以看出儲(chǔ)氫管SOC<10%，系統(tǒng)處于危險(xiǎn)區(qū)工作模式，本文設(shè)計(jì)的能量分配策略是將此時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)工作方式設(shè)定為快速充電模式，使系統(tǒng)恢復(fù)到預(yù)警區(qū)。從圖可以看出此時(shí)不管協(xié)調(diào)請(qǐng)求功率和風(fēng)電場(chǎng)輸出功率多大，風(fēng)電場(chǎng)輸出功率一直等于儲(chǔ)能系統(tǒng)輸入功率，所有的電磁閥都處于關(guān)閉狀態(tài)。

經(jīng)過(guò)上述分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了本文提出的能量管理系統(tǒng)以及能量管理控制策略可行性和可靠性。

4 結(jié)語(yǔ)

WP-HES和CCMFCS能源管理監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)，該系統(tǒng)是建立監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，它是在所有的工作狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)被收集和分析。結(jié)果，該系統(tǒng)在操作中非常穩(wěn)定，在上水平和較低的電平之間的通信是正常的，數(shù)據(jù)收集已經(jīng)顯示是正確的?？尚行院臀闹刑岢龅哪芰抗芾聿呗缘目煽啃?，將根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各種操作參數(shù)的變化曲線的分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

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