風(fēng)電氫儲能系統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

楊臥龍

摘 要：氫是在一個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)測系統(tǒng)，包括一個MCGS觸摸屏作為監(jiān)控接口，硬件電路，軟件開發(fā)過程中，和監(jiān)控系統(tǒng)的通信，數(shù)據(jù)收集，管理控制，與其他功能過程監(jiān)控接口配置過程。最后，監(jiān)控系統(tǒng)測試平臺成功執(zhí)行，實驗數(shù)據(jù)被收集和分析。可行性和本文所設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行驗證的風(fēng)力氫存儲系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電;氫儲能;監(jiān)測;可靠

中圖分類號：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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難以解決的問題。據(jù)國家能源局的數(shù)據(jù)，中國減少和降低風(fēng)在2013年就達(dá)到了162×108千瓦時，這是一個巨大的浪費。各種儲能技術(shù)已成為研究的中心。其中，氫儲能技術(shù)利用風(fēng)的電解水，然后被存儲，以獲得氫氣和氧氣。通過燃燒氫或燃料電池，由此能夠順利進(jìn)入到電網(wǎng)產(chǎn)生穩(wěn)定的電能。氫能存儲技術(shù)是解決大規(guī)模風(fēng)電儲存，儲存時間長，響應(yīng)時間更快，具有的優(yōu)點是沒有污染的新途徑。這種新型的能量存儲的特別好地適合于新的能量儲存系統(tǒng)在山區(qū)和遠(yuǎn)程位置的島嶼。氫能存儲的發(fā)電不僅用于新能源的存儲，它也可以用來填補調(diào)峰和電網(wǎng)的低谷。氫能量存儲系統(tǒng)包括電解水系統(tǒng)，氫存儲系統(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，并且每個鏈路系統(tǒng)的匹配技術(shù)。總結(jié)了效率貯氫技術(shù)的國家和國際研究，進(jìn)行了不同的氫存儲技術(shù)的比較分析，展望其應(yīng)用在氫儲能。

在七十年代開始，許多國外領(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系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，以及基于氫的能量存儲系統(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)氫能量的儲存諸如用于存儲風(fēng)能獨立的系統(tǒng)。設(shè)置與氫能的存儲系統(tǒng)的建模質(zhì)子交換膜燃料電池的數(shù)學(xué)模型;設(shè)計用于存儲風(fēng)氫能源系統(tǒng)，其中結(jié)合氫存儲能量和超級電容器的能量存儲，并且包括電解槽系統(tǒng)的每個模塊的因果序列圖集中在數(shù)學(xué)控制模型和策略，為整個系統(tǒng)的能量控制的結(jié)構(gòu)。國內(nèi)的研究技術(shù)，氫能存儲已經(jīng)開始晚了，它只是在風(fēng)和光的份額不斷增加的背景下成為中國新能源基地，能源的傳統(tǒng)形式可以對新能源的儲能能力提供足夠的能量存儲增加。開工項目的研究。最重要的研究主要集中在關(guān)鍵技術(shù)使轉(zhuǎn)換機制，電能，氫氣生產(chǎn)的新能源，大規(guī)模存儲和合作的能量網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)籌控制的兩家運營商之間。

因此提出了一種風(fēng)電氫儲能系統(tǒng)的監(jiān)測系統(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)的計算機軟件的配置，與被設(shè)計相對完整的功能的信息處理層。STM32核心控制器設(shè)計信息的收集和輸出層，實現(xiàn)集中收集和風(fēng)力發(fā)電和儲能系統(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€控制系統(tǒng)和創(chuàng)建能源管理。在實時動態(tài)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型。

1 風(fēng)電氫儲能技術(shù)

由于強大的隨機風(fēng)電出力，這是不容易儲存和運輸，并且需要一個廉潔高效的風(fēng)能和消費者或負(fù)載的生成之間的橋梁能源載體。因為氫被水風(fēng)能電解產(chǎn)生具有其發(fā)電，大能量密度和快速響應(yīng)時間，這將是最好的橋[1]。

該系統(tǒng)包括風(fēng)力發(fā)電場，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-）的電場的陰極和陽極，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)到通過離子交換膜的陽極[2]。陽極和陰極反應(yīng)如下：

水的電解過程中，沒有其它污染物，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源。在這個過程中，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)是在傳統(tǒng)煤化工“有問題”，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)，為實現(xiàn)綠色和低碳的排放將提供技術(shù)支持。

2 風(fēng)電氫儲能監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1總體設(shè)計方案

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

電源是穩(wěn)定和精確的外部時鐘源是外部數(shù)據(jù)采集和精確計數(shù)期間所需要的處理器核控制系統(tǒng)的正常操作兩個因素。處理配備基本外部電路陽臺通常被稱為最小系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計計算機年齡為下底，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)較低級別的計算機包括收集的風(fēng)電場的輸出功率和氣體存儲罐的剩余氣體的壓力，輸出所述電磁閥控制的開關(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)的下位機主要實現(xiàn)三個任務(wù)，例如收集模擬量，輸出切換值，并與上計算機和運行過程中的執(zhí)行裝置進(jìn)行通信[5]。主控制器設(shè)計框架圖3所示。

2.4監(jiān)測系統(tǒng)人機交互軟件系統(tǒng)設(shè)計

過程中的具體操作的計算機軟件上下被描述為如：首先，風(fēng)力發(fā)電場的模塊計算AD計算機較小計數(shù)輸出，并根據(jù)收集的信號的SOC相當(dāng)于存儲罐中的氣體，并提供計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)送給計算機監(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，并通過多能量集群系統(tǒng)產(chǎn)生的氫的煤化學(xué)等價物。的能量管理策略協(xié)調(diào)后生成的上述數(shù)據(jù)計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每個轉(zhuǎn)換器被直接連接到主機計算機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)測系統(tǒng)WP-HES&CCMFCS的整個過程涉及各種模塊，諸如風(fēng)電場輸出，SOC氣體罐，控制裝置的計算，和計算機的通信上下的計算。為了簡化整個系統(tǒng)的軟件編程難度，提高運行效率代碼，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)的整個過程上的計算機之間交換和使用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)動器功能，子，如CRC校驗功能降低計算機這是需要調(diào)整的功能。主計算機發(fā)送一個請求的數(shù)據(jù)幀給STM32，每個中斷執(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間后，接收到的號碼被存儲順序緩沖器陣列英寸串行端口接收功能，同時對應(yīng)于該數(shù)據(jù)幀中的陣列值的指針分配，所述數(shù)據(jù)幀的監(jiān)視功能，以確定數(shù)據(jù)幀是否已被接受。如果驗收完成后，會進(jìn)行CRC校驗。如果檢查是成功的，Modbus協(xié)議驅(qū)動功能啟動。該功能的功能碼被確定，則執(zhí)行相應(yīng)的功能。實現(xiàn)讀出和寫入的外圍寄存器的功能，并且根據(jù)該處理結(jié)果來更新該數(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]。下位機通信過程流程圖5所示。

2.5監(jiān)測數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

WP-HES&CCMFCS能量管理系統(tǒng)需要實時采集的風(fēng)電場輸出口三相電壓、三相電流和兩個儲氣罐氣壓信號，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對所有設(shè)定通道挨個進(jìn)行掃描，并使用DMA將所測得的通道轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)從ADC儲存緩沖區(qū)轉(zhuǎn)存到SRAM，觸發(fā)信號來自定時器T2。系統(tǒng)對ADC數(shù)據(jù)采集速度要求較低，因此所有通道的采樣時間都設(shè)為239.5個周期，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ADC的配置，其配置過程流程圖如圖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，由定時器觸發(fā)規(guī)則通道數(shù)據(jù)計算器，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，當(dāng)規(guī)則組轉(zhuǎn)換結(jié)束時產(chǎn)生中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)函數(shù)讀取采集數(shù)據(jù)，DMA將所測得的通道轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)從ADC儲存緩沖區(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)測系統(tǒng)實驗平臺搭建

3.1 實驗平臺搭建

本文能量管理系統(tǒng)上位機監(jiān)控界面采用某企業(yè)自動化軟件公司生產(chǎn)的觸摸屏TPC7062TX，功率信號的采集選用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，下位機能量控制系統(tǒng)采用了基于STM32F 103ZET6為主控芯片的紅牛開發(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、下位機和部分執(zhí)行器件的WP-HES&CCMFCS監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)合通信實驗平臺，如圖7所示。

3.2監(jiān)測系統(tǒng)測試分析

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)議格式下計算機通信程序。當(dāng)完成計算機頂裝置的構(gòu)型中，電磁閥按鈕和風(fēng)力發(fā)電輸出框?qū)⒃谟脩舸翱趤斫ⅰ?shù)據(jù)信道被連接到保持寄存器，用于存儲所述下計算機的功率的計算結(jié)果，按鈕通道連接到對應(yīng)于較低的計算機繼電器的控制引腳的寄存器。在測試過程中，改變對應(yīng)于切換狀態(tài)和電磁閥的功率調(diào)節(jié)模塊的下計算機輸出功率值的LED的狀態(tài)產(chǎn)生時，風(fēng)窗口主窗口MCGS變化，從圖8所示的顯示值，所顯示與所測量的功率被發(fā)現(xiàn)是基本相同。0.03千瓦的誤差，測量模塊是原因。電磁閥的狀態(tài)是一樣的主窗口的狀態(tài)。按鈕的動畫屬性是一致的。要被監(jiān)視畫面上顯示的數(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。實驗測試，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在整個能量管理系統(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分時間段各參數(shù)波形可以看出儲氫管SOC<10%，系統(tǒng)處于危險區(qū)工作模式，本文設(shè)計的能量分配策略是將此時監(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)。從圖可以看出此時不管協(xié)調(diào)請求功率和風(fēng)電場輸出功率多大，風(fēng)電場輸出功率一直等于儲能系統(tǒng)輸入功率，所有的電磁閥都處于關(guān)閉狀態(tài)。

經(jīng)過上述分析實驗結(jié)果，驗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

WP-HES和CCMFCS能源管理監(jiān)控系統(tǒng)測試平臺，該系統(tǒng)是建立監(jiān)視系統(tǒng)的運行狀態(tài)時，它是在所有的工作狀態(tài)，實驗數(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。可行性和文中提出的能量管理策略的可靠性，將根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的各種操作參數(shù)的變化曲線的分析結(jié)果進(jìn)行驗證。

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