林云松 吳 琪 徐正華 雷 凱 徐傳進(jìn)

(東汽投資發(fā)展有限公司， 四川 德陽(yáng)， 618000)

離網(wǎng)型風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)研究

林云松 吳 琪 徐正華 雷 凱 徐傳進(jìn)

(東汽投資發(fā)展有限公司， 四川 德陽(yáng)， 618000)

文章闡述了一種離網(wǎng)型風(fēng)光儲(chǔ)混合動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)的搭建方法，并提供了一些簡(jiǎn)單的測(cè)試流程。試驗(yàn)證明，采用這樣的測(cè)試平臺(tái)，可以確定測(cè)試流程，簡(jiǎn)化測(cè)試步驟，提高測(cè)試效率和測(cè)試精度。同時(shí)，也為實(shí)現(xiàn)離網(wǎng)型風(fēng)光儲(chǔ)互補(bǔ)系統(tǒng)的全自動(dòng)化測(cè)試提供了設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)平臺(tái)。

離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)；混合動(dòng)力發(fā)電；測(cè)試平臺(tái)

1 背景

離網(wǎng)型風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)是由小型風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電互補(bǔ)構(gòu)成，有效地彌補(bǔ)了風(fēng)電和光電獨(dú)立系統(tǒng)在自然資源上的缺陷，是解決我國(guó)偏遠(yuǎn)地區(qū)缺電問題的有效方法，是提高人民生活質(zhì)量、為廣大無(wú)電和少電地區(qū)解決電力困難的有效手段。隨著電能在生活中日益重要，風(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用也在不斷擴(kuò)大， 對(duì)質(zhì)量的要求也更高[1]。 離網(wǎng)型風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)常用于偏遠(yuǎn)地區(qū)，維護(hù)不便，如何有效提高離網(wǎng)型風(fēng)光儲(chǔ)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)工作穩(wěn)定性，保障用戶用電安全、穩(wěn)定，是生產(chǎn)廠家面臨的一大難題。本文提出了一種檢測(cè)平臺(tái)搭建方案，可以對(duì)離網(wǎng)型風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)的性能進(jìn)行全方面檢測(cè)，有效提高產(chǎn)品出廠質(zhì)量，保障用戶利益。

2 風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型搭建

2.1 小型風(fēng)機(jī)數(shù)學(xué)模型搭建

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電量不僅與風(fēng)機(jī)安裝高度和安裝地風(fēng)速有關(guān)，還與風(fēng)機(jī)本身的風(fēng)功率曲線有關(guān)。 如圖1 為某系列兩種型號(hào) （600W、 1000W）的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)品的功率輸出特性曲線。

圖1 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率曲線

由圖1可以看出，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率與風(fēng)速存在一定對(duì)應(yīng)關(guān)系，但又不能以簡(jiǎn)單的函數(shù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)，因此采用多段的最小二乘法進(jìn)行函數(shù)擬合[2]， 則風(fēng)機(jī)的輸出功率可表達(dá)為：

式中： Pw（ν）—風(fēng)速為 v 時(shí)風(fēng)機(jī)輸出功率；

ν—風(fēng)速；

Vs—風(fēng)力發(fā)電機(jī)啟動(dòng)風(fēng)速；

Vf—風(fēng)力發(fā)電機(jī)切出風(fēng)速。

2.2 太陽(yáng)能電池模型的搭建

當(dāng)太陽(yáng)能入射功率一定時(shí)，太陽(yáng)能電池輸出電壓和電流與輸出功率存在一定對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)輻射下太陽(yáng)能電池輸出

因此，對(duì)太陽(yáng)能輸出功率，可以分為兩個(gè)階段，即：

·輸出電壓在最大功率點(diǎn)以下，太陽(yáng)能電池輸出功率隨電壓升高而增大，可用比例函數(shù)進(jìn)行擬和。

·輸出電壓在最大功率點(diǎn)以上，太陽(yáng)能電池輸出功率隨電壓升高而快速減小，可用最小二乘法進(jìn)行擬合[3]。

按照太陽(yáng)能電池功率輸出圖，可將太陽(yáng)能電池做以下擬合：

式中： Ps（v）—太陽(yáng)能電池輸出功率；

Vpmax—最大功率點(diǎn)電壓；

Vmax—太陽(yáng)能電池開路電壓；

K1， K2， K3—相應(yīng)系數(shù)。

2.3 儲(chǔ)能電池模型搭建

蓄電池作為系統(tǒng)的儲(chǔ)能設(shè)備，除了改善電能質(zhì)量外，更大的作用是改善用電供需平衡，在系統(tǒng)中，蓄電池組主要分為以下狀態(tài)：充電狀態(tài)、放電狀態(tài)、電量靜止?fàn)顟B(tài)。

充電狀態(tài)：當(dāng)蓄電池電量不滿，并且輸入電能大于輸出電能時(shí)，電池進(jìn)入充電狀態(tài)。此時(shí)，蓄電池充當(dāng)用電設(shè)備，消耗直流母線上的電能。

放電狀態(tài)：當(dāng)蓄電池電量不空，并且輸入電能小于輸出電能時(shí)，電池進(jìn)入放電狀態(tài)。此時(shí)，蓄電池充當(dāng)電源，為直流母線提供電能。

電量靜止?fàn)顟B(tài)：當(dāng)輸入電能等于輸出電能，或蓄電池進(jìn)入欠壓保護(hù)狀態(tài)，電池進(jìn)入電量靜止?fàn)顟B(tài)。該狀態(tài)下，可以認(rèn)為電池對(duì)系統(tǒng)無(wú)任何影響。

3 系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)的部件

為了適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)，更方便、快捷地測(cè)試系統(tǒng)性能，可以建立一套離網(wǎng)型風(fēng)光儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)，用于對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的專業(yè)測(cè)試。

3.1 風(fēng)機(jī)部分測(cè)試

對(duì)于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)， 從式 （1） 可以看出，它是隨著風(fēng)速的不同，而輸出不同的功率。在測(cè)試中，風(fēng)速是一個(gè)不穩(wěn)定量，我們無(wú)法找到一種很好的控制方法進(jìn)行檢測(cè)量的施加。但是，按照貝茲理論，一臺(tái)實(shí)際風(fēng)機(jī)所捕獲的風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械輸出功率的表達(dá)式為：

式中： ρ—空氣密度；

R—風(fēng)輪半徑；

V—風(fēng)速；

Cp—風(fēng)能利用系數(shù)。

從式 （3） 可以看出， 當(dāng)風(fēng)機(jī)型號(hào)確定， 安裝地點(diǎn)確定，風(fēng)機(jī)捕獲的機(jī)械功率與風(fēng)速成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系[4]。 因此， 可以通過為風(fēng)力發(fā)電機(jī)施加特定的機(jī)械功率，測(cè)試風(fēng)機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，即采用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，進(jìn)行性能分析。

3.2 太陽(yáng)能電池的測(cè)試模擬

對(duì)于太陽(yáng)能電池，可以由太陽(yáng)能電池生產(chǎn)廠家完成測(cè)試，但對(duì)于風(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)的控制逆變器，則需要太陽(yáng)能電池的輸入作為測(cè)試激勵(lì)。太陽(yáng)能電池的輸入狀態(tài)與日照強(qiáng)度有關(guān)，為了測(cè)試控制逆變器的性能，需要測(cè)試在各種輸入情況下的工作狀態(tài)，因此需要采用特殊的設(shè)備模擬太陽(yáng)能電池，作為測(cè)試輸入。

按照式 （2） 中的擬和函數(shù)， 可以設(shè)計(jì)模擬輸入電路如圖3所示。

圖3 太陽(yáng)能電池模擬電路

圖3 中， 由直流電流源 it大于太陽(yáng)能電池的短路電流， 穩(wěn)壓管 VD1略大于額定最大功率點(diǎn)電壓，小于太陽(yáng)能電池開路電壓。

3.3 蓄電池的測(cè)試模擬

我們知道，蓄電池主要有三個(gè)工作狀態(tài)。電量處于靜止?fàn)顟B(tài)，對(duì)于系統(tǒng)測(cè)試沒有影響，因此在系統(tǒng)測(cè)試中，我們主要考慮充電和放電兩種狀態(tài)。

在對(duì)蓄電池的充電中，主要分為恒流充電和恒壓充電兩個(gè)階段。在恒流充電中，保證輸入電流不變，輸入電壓隨著電池電量的增加而提高，保證充電效率。在恒壓充電階段，保證輸入電壓不變，隨著電池電量的增加，充電電流減小，保證電池的充電安全。

在測(cè)試過程中，電池的充電狀態(tài)，對(duì)于系統(tǒng)來說，相當(dāng)于接入用電器耗費(fèi)從風(fēng)機(jī)和太陽(yáng)能的輸入電量，因此考慮采用接入可調(diào)純電阻進(jìn)行模擬。當(dāng)電阻阻值較小，電阻兩端電壓較低，控制逆變器檢測(cè)到壓差時(shí)，認(rèn)為蓄電池處于較低電壓，會(huì)輸入比較大的電流，以保證充電效率。此時(shí)可測(cè)量輸入電流大小，作為系統(tǒng)測(cè)試依據(jù)。調(diào)大電阻，電壓上升，當(dāng)電壓上升到一定階段時(shí)，可模擬電池將要充滿電能，進(jìn)入恒壓充電階段。測(cè)試其浮充電壓等。

電池的放電狀態(tài)時(shí)，電池對(duì)系統(tǒng)提供電能，此時(shí)可采用可調(diào)電壓源模擬電池，作為輸入。在系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)輸入電壓，可模擬電池過壓和欠壓等，作為系統(tǒng)測(cè)試的重要指標(biāo)。

4 系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)和流程

4.1 系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)

對(duì)每個(gè)部件進(jìn)行模擬和測(cè)試是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)測(cè)試的第一步。為了更好提高測(cè)試精度和測(cè)試效率，需要為整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)測(cè)試流程，并搭建測(cè)試平臺(tái)。圖4為試驗(yàn)平臺(tái)整體搭建結(jié)構(gòu)圖。

圖4 離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)采用斷路器做連接控制，將控制逆變器接入后，通過改變斷路器狀態(tài)，可以調(diào)整測(cè)試電路，調(diào)節(jié)儀器的輸入和用電器的輸出，并測(cè)量相關(guān)量，可用于計(jì)算系統(tǒng)的整體性能，達(dá)到快速、準(zhǔn)確、方便地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。

4.2 系統(tǒng)測(cè)試流程

在整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試中，需要測(cè)量各種不同的測(cè)試量，并且完成各種測(cè)試 （如欠壓、 過壓、短路保護(hù)等）。 因此需要在測(cè)試過程中， 按照測(cè)試流程，搭建不同的測(cè)試電路，以完成所有測(cè)試。本文主要設(shè)計(jì)測(cè)試平臺(tái)，并完成簡(jiǎn)要的一些參數(shù)的測(cè)試，因此設(shè)計(jì)測(cè)試流程如圖5所示。

圖5為測(cè)試充電參數(shù)和輸出電能的測(cè)試流程。主要分為部件連接、輸入測(cè)試、測(cè)試電路建立、相關(guān)參數(shù)測(cè)試等幾大部分。在初期測(cè)試中，可以人工控制測(cè)試電路建立，然后通過人工讀表等方式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)測(cè)量。在進(jìn)一步的工作中，可以方便地使用程序控制繼電器等方法實(shí)現(xiàn)測(cè)試電路的自動(dòng)建立，采用工作計(jì)算機(jī)讀回測(cè)試儀器數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)軟件控制測(cè)試流程，更有效地提高測(cè)試效率，減少勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖5 系統(tǒng)充電和輸出電能測(cè)試流程圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本試驗(yàn)系統(tǒng)經(jīng)過初步測(cè)試，可以對(duì)系統(tǒng)的多個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，有效地提高了產(chǎn)品驗(yàn)證速度和精度。是對(duì)離網(wǎng)型風(fēng)光儲(chǔ)互補(bǔ)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試的比較好的測(cè)試架構(gòu)方案。對(duì)提高生產(chǎn)效率，杜絕不合格產(chǎn)品，可以起到比較好的作用。

參考本試驗(yàn)系統(tǒng)，可以采用高自動(dòng)化儀器設(shè)備， 通過 GPIB 口控制各種測(cè)試用設(shè)備， 采用繼電器等器件自動(dòng)搭建測(cè)試回路，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化流水線式測(cè)試。

[1] 趙晶,趙爭(zhēng)鳴,周德佳.太陽(yáng)能光復(fù)發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展 [J]. 電氣應(yīng)用,2007,26(10):6-10

[2] 李品,劉勇前,郭偉釗.離網(wǎng)型風(fēng)光儲(chǔ)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究 [J]. 現(xiàn)代電力,2010,27(6):51-61

[3] 茆美琴,余世杰,等.風(fēng)光符合發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仿真建模研究 [J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2003,15(3):361-364

[4] 談?shì)碓?楊金煥,李康弟.改進(jìn)風(fēng)/光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的新方法 [J]. 華東電力,2005,(12)

Research of Test Platform on O ff-grid W ind-PV-ES System

Lin Yunsong,Wu Qi,Xu Zhenghua,Lei Kai,Xu Chuanjin
（ Dongqi Investment&Development Co.,Ltd.Deyang Sichuan 618000）

This paper describes amethod for off-grid wind-PV-ES hybrid power system testing,and provides some simp le testing processes.In this test platform,the testing process is clearer,the testing procedure is simplifier,the testing efficiency and testing accuracy are higher.In addition,this paper provides good design ideas and design platforms for fully automatic test of off-grid wind-PV-EShybrid power system.

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林云松 （1985- ）， 男， 工學(xué)碩士， 2010 年畢業(yè)于電子科技大學(xué)檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置專業(yè)， 現(xiàn)主要從事太陽(yáng)能光伏產(chǎn)品研發(fā)工作。