分布式風儲控制系統硬件設計

張敏吉，梁嘉，孫洋洲，李強，凌志斌

(1. 中海油研究總院，北京市100015；2.上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海市200240)

分布式風儲控制系統硬件設計

張敏吉1，梁嘉1，孫洋洲1，李強1，凌志斌2

(1. 中海油研究總院，北京市100015；2.上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海市200240)

分布式風儲系統是儲能與風電配合的一種新的形式，其控制系統運行環境惡劣但可靠性要求高。為了實現分布式風儲系統的穩定運行，以確保安全、滿足性能、硬件成熟、數據存儲可靠為基本原則對內蒙古某風電場的分布式風儲系統的控制系統硬件進行了設計。設計采用了無風扇高可靠工業控制計算機作為主控制器，以數據采集卡實現現場信號的采集，設計的電壓電流信號調理電路實現了現場信號的隔離輸入，主控制器與現場信號實現了三級信號隔離，保障了設備和人員的安全。通過后備電源設計保證了控制系統的掉電安全。上述設計在風電場實現并成功運行，可為風儲系統的推廣與應用提供參考。

分布式風儲系統；風儲配合；電池儲能；控制系統信號調理；數據采集

0 引 言

近年來，隨著人們對環境的重視，風電作為一種較為成熟的清潔能源在世界范圍內迅速發展。據國家能源局數據，我國風電規模已居世界第一，但是棄風問題自2010年成為行業頑疾[1]。其中，2012年的情況最為嚴重，棄風率達17%，2013年上半年降至13.5%，2014年上半年進一步降至8.5%。2015年棄風率再次上升，2015年上半年全國平均棄風率15.2%，由此造成經濟損失接近87億元。

電池儲能系統(battery energy storage system, BESS)與風電機組協調控制，可平抑風電功率的波動，減小風電對電網的影響[2]。大容量電池儲能技術應用在風電并網[3]中能夠起到平滑風電場/機組輸出功率[4]、提高風電輸出與預測的置信度[5]、削峰填谷[6]、提高風電可調度能力和輔助風電場[7]參與調頻[8]等其他輔助作用。

本文依托現有風電場建設“一機一儲”的分布式風儲系統并成功投入運行。項目所在風場設計裝機容量49.5 MW，采用33臺1.5 MW雙饋風力發電機組。風機出口電壓690 V AC，通過690 V/35 kV/1 600 kV·A升壓變壓器匯入風電場35 kV線路，再經35 kV/220 kV升壓變壓器并入當地電網。

1 分布式風儲系統

采用“一機一儲”的分布式風儲系統的風電場如圖1[9]所示。

圖1 “一機一儲”風儲配合示意圖Fig.1 Diagram of one storage system for one wind turbine

由于資金的限制和穩步推進的考慮，同時為了能夠實現和驗證儲能系統的協調控制功能，本文僅在風電場選取了2臺1.5 MW風電機組作為示范工程機組，每臺風電機組配置1個250 kW×2 h集裝箱儲能系統，儲能系統通過風機的690 V/35 kV升壓變壓器低壓側接入風電場。

“一機一儲”風儲系統的控制系統通過指令控制電池儲能系統發出/吸收的有功功率和無功功率與風電機組的輸出配合，實現了對單臺風電機組的平滑風電功率、削峰填谷、無功補償的功能并取得了好的效果。

2套儲能系統容量相對風電場容量比例僅為1%，如對風電場每臺風電機組實現“一機一儲”，則儲能容量相對風電場容量比例可達33%，無功調壓、有功調頻和計劃跟蹤的效果方可體現。

本文所設計的風儲系統控制硬件部分由主控制器、數據調理采集和存儲、后備電源組成。硬件設計原則為：設計確保安全、滿足性能、硬件成熟、數據存儲可靠。

2 控制系統硬件構架

“一機一儲”風儲配置方式決定了風儲控制系統必然采取分布式控制結構和方式[10]。為保證可靠性，控制系統采用就地控制、遠程監視的分級管理方式。實時控制由位于現場的就地控制系統實現，2套儲能集裝箱擁有各自獨立的就地控制系統，就地控制系統通過對690 V/35 kV升壓變壓器低壓側總的輸出功率、電壓和頻率進行監測和反饋，按照設定的運行模式控制電池充放電，達到平滑風電功率、削峰填谷、無功補償、無功調壓、有功調頻和計劃跟蹤的目的。

位于中控室的監控后臺通過光纖以太網起到實時監測、報表打印等人機交互及歷史數據記錄功能。即使監控后臺因故損壞，或者儲能集裝箱與中控室的通訊意外中斷，也不會影響現場集裝箱儲能系統的正常運行，系統可靠性得到良好的保證。

圖2為風儲就地控制系統結構框圖。電網側的反饋采樣點選取為風電機組低壓側與儲能系統的匯流點。

圖2 風儲系統控制結構框圖Fig.2 Control structure of wind power storage system

在就地控制系統中，將匯流點三相電壓、電流進行P/Q分解，計算得到風電機組和儲能系統總有功和總無功，其中總有功作為功率平滑、削峰填谷、計劃跟蹤控制的主要依據，總無功作為無功補償和無功調壓的主要依據。將三相電壓信號進行頻率提取，作為調頻模式下的有功輸出控制的主要依據。

圖3為風儲就地控制系統硬件構架。就地控制器具有數據采集和實時存儲功能，并定期將就地數據上傳到中控室監控后臺加以儲存，以便于后期的統計分析之用。運行人員可通過中控室的監控后臺設定儲能集裝箱就地控制器運行于風電功率平滑、計劃功率跟蹤、調壓、調頻、削峰填谷等模式，工作模式指令以通訊形式下發給就地控制器執行。監控后臺可實現對歷史數據和事件記錄的檢索查詢、數據分析、生成圖形曲線和報表并打印輸出。

圖3 就地控制系統硬件構架框圖Fig.3 Hardware structure of local control system

3 就地控制系統主控制器

主控制器選擇上考慮到控制實時性、硬件通用性、可靠性、擴展性、易維護性及相應的軟件資源等因素，本文采用在工業控制領域廣泛應用的工業控制計算機作為就地控制系統的主控制器。

就地控制系統的控制周期對風儲系統的響應速度和控制性能至關重要。經對控制策略的運算量估算，采用工業控制計算機可確保就地控制系統指令響應速度達到ms級，為實現高的控制性能奠定了基礎。

在電子系統中，運動的機械部件的可靠性遠低于靜止的電子部件，為保證就地控制器的可靠性，本文設計中采取了如下措施：(1)低功耗、無風扇的研華工控機UNO3085作為就地控制系統主控制器，其平均無故障工作時間達到近20萬h，遠遠高于常規工控機平均無故障工作時間；(2)采用固態硬盤取代計算機中傳統的機械旋轉硬盤，以避免機械旋轉部件相對較低的可靠性對控制器整體可靠性的影響。

4 信號測量電路

工控機中配置數據采集卡可以便捷地實現對電壓、電流等信號的測量。數據采集卡輸入信號的范圍多為±1 V DC，±2 V DC，±5 V DC或±10 V DC。一方面，輸入信號超出采集卡輸入電壓范圍將無法被準確測量，嚴重時甚至會造成數據采集卡的損壞；另一方面，輸入信號過小將降低測量的有效精度。綜合考慮信號調理電路供電等因素，本設計中將數據采集卡的輸入信號范圍設定為±5 V DC。外部輸入信號額定值將被調理到±4 V DC左右，在保證一定的裕量同時盡量利用有效量程以保障測量精度。

4.1 電壓、電流傳感器

在風電機組與儲能系統的匯流點以V/V接法安裝了2只690 V/100 V電壓互感器，以實現電力標準方式的對一次電壓信號Uab、Ubc和Uca的隔離測量。100 V交流信號無法被數據采集卡直接測量，需要經過適當的衰減處理才能輸入到數據采集卡輸入端。

電流的測量點位于風機690 V/35 kV升壓變壓器的低壓側。為便于現場工程安裝，優先選用了開口式霍爾電流傳感器。1.5 MW風電機組額定輸出電流有效值為1 255 A，對應峰值為1 775 A。但基于前期對風電輸出功率的長時間監測發現，短期實際輸出電流峰值接近2 100 A，故選用額定電流2 000 A，線性過載能力1.5倍的開口式霍爾式電流傳感器。如此確保了電流信號的無損輸入。電流傳感器輸入輸出變比為2 000 A/4 V。

在每個690 V/35 kV升壓變壓器內安裝3只霍爾電流傳感器以測量abc三相電流。3個電流傳感器通過屏蔽電纜輸入儲能集裝箱內的就地控制系統。為防止外界對電流信號的干擾，電纜屏蔽層接地。

4.2 信號調理隔離電路

為保證安全、隔斷共模干擾和實現輸入匹配，信號調理隔離電路實現將電壓互感器二次側信號和霍爾電流傳感器輸出信號隔離變換為就地控制系統數據采集卡可以接受的信號，信號調理隔離電路至少需要3個電壓和3個電流通道。本設計中，同時利用數據采集卡實現對就地控制系統控制電源的掉電監測，故本信號調理隔離電路共7個通道。

考慮到風電場電壓的波動[11]，確保在風電場電壓最高時也不會導致電壓輸入信號超過數據采集卡量程，設計信號調理電路的電壓互感器變比為 120 V/3.53 V。副邊3.53 V的工頻交流電壓峰值對應 5 V DC，因此該原/副邊電壓設計可確保在風電場電壓波動時，輸入到后級數據采集卡的信號幅度不超過 5 V DC，數據采集卡仍可實現對電網電壓的有效和準確的測量。電壓互感器同時起到了現場信號與數據采集卡內部弱電電路的隔離作用，有利于設備和人生安全。

為最大程度避免信號干擾，確保信號完整性，數據采集卡設置為雙端差分輸入的工作方式。電壓信號的調理隔離電路如圖4所示。

圖4 電壓信號隔離輸入差分輸出Fig.4 Voltage input isolated and differential output

如前所述，本文中電流傳感器的電流變比為 2 000 A/4 V。當并網點電流峰值2 100 A，電流傳感器對應的輸出為4.2 V，處于數據采集卡合適的量程之內。考慮到電流傳感器與就地控制器之間有30～40 m的距離，為避免現場干擾信號通過數據采集卡侵入工控機內部，實現現場信號與數據采集卡內部弱電電路的隔離的目的，在數據采集卡之前采用3 V/3.53 V電壓互感器再次進行了隔離。由于電流互感器輸出信號距離較遠，且其驅動能力有限，在傳感器輸出電壓信號接入信號調理板后首先進行運放跟隨，以避免負載效應引起的誤差。具體電路原理如圖5所示。

圖5 電流信號調理隔離電路Fig.5 Isolated condition circuit for current signal

本文就地控制系統為220 V供電，同時配置了不間斷電源(uninterruptible power supply，UPS)作為后備電源，以確保外部電源停電時能夠向中控室監控后臺發出告警信息以便及時處理。要完成外部電源停電報警的功能，就地控制系統需實現對外部電源的掉電檢測。

利用數據采集卡對控制電源的幅度進行實時檢測實現對控制電源是否正常的監測。本文利用1只300 V/2 V電壓互感器將控制電源信號以隔離的方式輸入到數據采集卡的輸入端，數據采集卡將檢測到交流電壓信號。若供電電壓跌落到正常電壓的70%以下，且持續時間3 s以上，即判斷為外部控制電源掉電故障。外部控制電源掉電的檢測電路如圖6所示。最終設計完成信號調理板如圖7所示。

圖6 控制電源掉電檢測電路Fig.6 Drop detective circuit for control power supply

圖7 信號隔離調理板Fig.7 PCB of signal condition and isolation

4.3 調理電路的頻率特性測試

電網電壓不可避免地存在諧波成分[12]，風電機組和儲能系統輸出電流中也存在電流諧波[13]。

信號調理電路中，電壓信號直接通過電壓互感器隔離傳輸，電流信號經過運放跟隨后再經由互感器隔離傳輸，無論哪種情況，信號調理電路均應能無畸變地傳輸真實的信號。因此本文在對調理電路的變比進行測試驗證之后對其頻率特性進行了測試，以檢驗是否滿足實際使用要求。在電力系統中，僅存在奇次諧波電壓和諧波電流[14]，主要的諧波一般在21次以內，因此將最高測試頻率限定為21次諧波。

為測試互感器對諧波的變換情況，用信號發生器產生頻率為150，250，350，450，550，650，750，850，950，1 050 Hz的正弦交流信號來分別模擬3，5，7，9，11，13，15，17，19，21次諧波的波形。限于篇幅，列出測試得到的電流通道的輸入輸出的3次諧波和21次諧波波形如圖8所示。

圖8 3次和21次諧波波形圖Fig.8 Thrid and 21th harmonic wave

對比可看出，信號調理電路的輸出波形與輸入端一致，沒有發生畸變，相位也一致，對有功功率、無功功率計算的準確性可以得到保證。信號隔離調理板起到了對輸入信號進行準確調理和有效隔離的作用。

4.4 就地控制器數據采集卡

三相電壓、電流信號的測量則通過具有隔離功能的外設部件互連標準(peripheral component interconnect，PCI)接口數據采集卡，配合電壓電流傳感調理電路來實現。鑒于大功率風電變流器[15]開關頻率較低，電流值開關紋波較大，為保證相關數據測量的準確性，數據采集速度不低于每通道5 kbit/s，精度不低于12 bit。

數據采集卡前端模擬信號采集電路與PCI總線之間具有2 500 V DC的光電隔離能力，再次確保切斷現場干擾傳入核心控制器的途徑，提高了控制系統可靠性，同時保障了人身安全。

為消除現場可能的共模干擾的影響，數據采集卡采取差分輸入方式。3個線電壓通過信號調理板輸入數據采集卡0-1/2-3/4-5這3個通道；電流信號通過信號調理板輸入數據采集卡6-7/8-9/10-11這3個通道；就地控制系統電源電壓通過信號調理板輸入數據采集卡12-13通道。

5 就地控制系統后備電源

正常情況下，就地控制系統的控制電源由 380 V/690 V升壓變壓器的低壓側提供。當變壓器或者線路原因造成電源出現異常時， UPS作為就地控制系統的后備電源以確保其在停電時能夠及時向中控室發出告警信息。UPS功率和容量的合理設計是保障上述功能得以實現的關鍵。

本文就地控制系統主控制器額定功率40 W，顯示器額定功率35 W，考慮光端機、數據調理電路、數據采集卡等部件，控制系統功耗，就地控制系統總功率不大于100 W。如設置顯示器平常關閉，則控制系統總功率不大于65 W。考慮到負荷切換時可能的沖擊電流，實際UPS選型時額定功率不低于500 W。經過篩選，UPS采用APC公司的APC SUA 750 ICH，其供電時間與負荷大小的關系曲線如圖9所示。

圖9 UPS負荷-時間曲線Fig.9 Load-operation duration curve of UPS

從圖9可知，UPS在負載100 W情況下可以持續工作約50 min，在負載65 W情況下可以持續工作約80 min。即就地控制系統斷電后，在就地控制系統向風電場中控室集控后臺發出斷電告警信息后，至就地控制系統掉電停機前，有50 min以上的時間供現場值班人員檢查和處理電源故障。

6 結 論

(1)風儲系統的控制系統主控制器采用無風扇工業控制計算機兼顧了控制系統通用性、靈活性和可靠性的要求。

(2)信號測量通過傳感器隔離、信號隔離調理和數據采集卡隔離實現信號的三級隔離以確保設備和人員的安全性。

(3)電壓電流信號傳感器、信號調理的設計選型基于允許電壓波動范圍和歷史電流記錄數據，保證了信號的有效和準確測量。采樣頻率的選擇也考慮到了大功率風電系統開關紋波的影響。實際信號測試驗證了信號調理電路的良好的頻率特性。

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(編輯 蔣毅恒)

Control System Hardware Design of Distributed Wind Turbine-Energy Storage System

ZHANG Minji1, LIANG Jia1,SUN Yangzhou1, LI Qiang1,LING Zhibin2

(1. CNOOC Research Institute, Beijing 100015, China; 2.College of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Distributed wind power-battery energy system (DWPBES) is a new cooperation form of energy storage and wind power, whose control system operating environment is poor, but requires high reliability. In order to ensure the stable operation of DWPBES, this paper designs the hardware of the control system of the DWPBES in a wind farm in Inner Mongolia, based on the principle of safety, performance, hardware maturity and data storage reliability. The fan-less industrial personal computer (IPC) is adopted as main controller. The data acquisition card is used to collect field signal. And this paper designs the voltage and current signal conditioning circuit to realize the isolated input of the field signal. We realize the three-stagessignal isolation for the main controller and field signal, which can ensure the safety of equipment and personnel. We adopt the uninterrupted power supply(UPS)to ensure the power down safety of control system.The designs above have been implemented and successfully operatedin a wind farm, which can be a reference for the popularization and application of the wind power-battery energy storage system.

distributed wind power-battery energy storage system;coordination of wind power and battery energy storage; battery energy storage;signal condition of control system;data acquisition

TM 614

A

1000-7229(2016)08-0149-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.08.023

2016-04-11

張敏吉(1979)，男，碩士，工程師，主要研究方向為光伏、儲能技術等；

梁嘉(1984)，男，碩士，工程師，主要研究方向為光伏、儲能集成應用技術等；

孫洋洲(1969)，男，教授級高工，主要研究方向為電化學、儲能電池技術等；

李強(1977)，男，博士后，主要研究方向是清潔能源、CO2減排技術等；

凌志斌(1976)，男，副教授，主要研究方向為新能源發電、電池儲能技術等。