一种基于混合储能的风电功率调控实验系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于混合储能的风电功率调控实验系统，将不同的储能方式进行组合，可以实现储能特性互补，应用于风电波动功率调节，实现风电功率平抑。该实验系统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，给出系统的具体设计方法。系统由蓄电池和超级电容器组成混合储能系统，提升储能系统整体性能，参与风电波动功率的实时调节。设计了DC/DC变换器主电路图、驱动电路图、电压采样电路、电流采样电路和中断控制程序。借助该实验平台，可以进行储能技术在风电系统功率调节中的实验研究、风电功率平抑策略研究、储能控制技术研究，能够为相关理论付诸于工程实践打下良好的基础。
【专利说明】
一种基于混合储能的风电功率调控实验系统
[0001]本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及风电功率调控实验系统设计，主要应用于风电特性和功率控制技术研究。
【背景技术】
[0002]风力发电已成为解决能源危机，促进新能源可持续发展的重要新能源发电方式之一。然而，风能的间歇性、随机性会导致风电场输出功率的波动，进而引起电网波动。通常采用储能系统进行波动功率调节，实现风电功率平抑。将不同的储能方式进行组合，可以实现储能特性互补，提高储能系统的整体性能，同时降低储能系统的投资运行成本。有鉴于此，本专利提出一种基于混合储能的风电功率调控实验系统，该实验系统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。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种基于混合储能的风电功率调控实验系统，实验系统如图1所不，主要由风电1?拟系统、风电输出系统和风电功率调控系统构成。风电1?拟系统主要用于产生风电功率，模拟实际的风力系统，在实验系统中，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。
[0004]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。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变换器构成。实验系统中，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。
[0005]在本实验系统中，风电功率调控系统是设计关键，系统中，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。设计的变换器主电路如图2所示，为了使开关管可靠通断，采用光耦TLP250设计驱动电路，如图3所不O
[0006]为了实现功率调控，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。电流采样电路采用ACS712-20A传感器实现，具体电路如图5所示，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。
[0007]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PffM信号，进行变换器控制。
【附图说明】
[0008]图1:基于混合储能的风电功率调控实验系统结构图；
[0009]图2:DC/DC变换器主电路图；
[0010]图3:DC/DC变换器驱动电路图；
[0011]图4:电压采样电路；
[0012]图5:电流米样电路；
[0013]图6:中断子程序流程图。
【具体实施方式】
[0014]为了使从事风力发电相关技术人员能更好地理解本发明方案，下面参照附图对本发明实施方式进行详细说明。
[0015]参见图1，本系统提供了基于混合储能的风电功率调控实验系统结构图，该系统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。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，在实验系统中，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。
[0016]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。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。实验系统中，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。
[0017]参见图2，给出了 DC/DC变换器主电路图，该系统采用高速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。在本实验系统中，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 ACVDC(SC)高压侧和储能系统输出相连，设计滤波电感为6mH。
[0018]参见图3，给出了DC/DC变换器驱动电路图。采用光耦TLP250设计驱动电路，实现光电隔离。引脚3为P丽信号输入端，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。
[0019]参见图4，给出了电压采样电路，采用YBV10/20X霍尔电压传感器设计电压采样电路，采集系统中的交、直流电压信号。以直流电压采样为例，将直流输入送入YBVl 0/20X的弓I脚1、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+15￥和_15V电源。输出信号经过RC滤波电路，送入由运放0P07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。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。
[0020]参见图5，给出了电流采样电路，该电路采用采用ACS712-20A传感器实现。采样电路串联与斩波电路电感之后，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。运放调理电路采用0P07实现，通过选择外围电路参数，使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。
[0021]参见图6，给出了中断子程序流程图。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PffM信号，进行变换器控制。
[0022]以上内容是结合优选技术方案对本发明所做的详细说明，不能认定发明的具体实施仅限于这些，对于在不脱离本发明思想前提下做出的简单推演及替换，都应当视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种基于混合储能的风电功率调控实验系统，其特征在于:系统给出了基于混合储能的风电功率调控实验系统结构图，系统主要由风电1?拟系统、风电输出系统和风电功率调控系统构成。2.根据权利要求1所述的一种基于混合储能的风电功率调控实验系统，其特征在于: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，在实验系统中，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。3.按照权利要求1或2所述的一种基于混合储能的风电功率调控实验系统，其特征在于: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。4.按照权利要求1所述的一种基于混合储能的风电功率调控实验系统，其特征在于: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。5.按照权利要求1所述的一种基于混合储能的风电功率调控实验系统，其特征在于: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。6.按照权利要求1、或5所述的一种基于混合储能的风电功率调控实验系统，其特征在于: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。7.按照权利要求1、或5、或6所述的一种基于混合储能的风电功率调控实验系统，其特征在于: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。8.按照权利要求1、或5、或6、或7所述的一种基于混合储能的风电功率调控实验系统，其特征在于:，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。9.按照权利要求1、或5、或6、或7、或8所述的一种基于混合储能的风电功率调控实验系统，其特征在于:实验系统中，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。10.按照权利要求1、或4、或5、或6、或7、或8、或9所述的一种基于混合储能的风电功率调控实验系统，其特征在于:给出了DC/DC变换器主电路图，该系统采用高速MOSFET模块IRFP240B作为主开关原件，该模块参数:Vdss = 200V，Id = 20A ,Vgs = 1V0
【文档编号】H02J3/32GK106058928SQ201610515473
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月2日
【发明人】张元敏, 王武
【申请人】许昌学院