離網型風光儲系統測試平臺研究

林云松 吳 琪 徐正華 雷 凱 徐傳進

(東汽投資發展有限公司， 四川 德陽， 618000)

離網型風光儲系統測試平臺研究

林云松 吳 琪 徐正華 雷 凱 徐傳進

(東汽投資發展有限公司， 四川 德陽， 618000)

文章闡述了一種離網型風光儲混合動力發電系統測試平臺的搭建方法，并提供了一些簡單的測試流程。試驗證明，采用這樣的測試平臺，可以確定測試流程，簡化測試步驟，提高測試效率和測試精度。同時，也為實現離網型風光儲互補系統的全自動化測試提供了設計思路和設計平臺。

離網發電系統；混合動力發電；測試平臺

1 背景

離網型風光儲系統是由小型風力發電和太陽能發電互補構成，有效地彌補了風電和光電獨立系統在自然資源上的缺陷，是解決我國偏遠地區缺電問題的有效方法，是提高人民生活質量、為廣大無電和少電地區解決電力困難的有效手段。隨著電能在生活中日益重要，風光儲發電系統的應用也在不斷擴大， 對質量的要求也更高[1]。 離網型風光發電系統經常用于偏遠地區，維護不便，如何有效提高離網型風光儲互補發電系統工作穩定性，保障用戶用電安全、穩定，是生產廠家面臨的一大難題。本文提出了一種檢測平臺搭建方案，可以對離網型風光儲系統的性能進行全方面檢測，有效提高產品出廠質量，保障用戶利益。

2 風光儲系統數學模型搭建

2.1 小型風機數學模型搭建

風力發電機的發電量不僅與風機安裝高度和安裝地風速有關，還與風機本身的風功率曲線有關。 如圖1 為某系列兩種型號 （600W、 1000W）的小型風力發電機組產品的功率輸出特性曲線。

圖1 小型風力發電機功率曲線

由圖1可以看出，風力發電機的輸出功率與風速存在一定對應關系，但又不能以簡單的函數進行對應，因此采用多段的最小二乘法進行函數擬合[2]， 則風機的輸出功率可表達為：

式中： Pw（ν）—風速為 v 時風機輸出功率；

ν—風速；

Vs—風力發電機啟動風速；

Vf—風力發電機切出風速。

2.2 太陽能電池模型的搭建

當太陽能入射功率一定時，太陽能電池輸出電壓和電流與輸出功率存在一定對應關系，如圖2所示。

圖2 標準輻射下太陽能電池輸出

因此，對太陽能輸出功率，可以分為兩個階段，即：

·輸出電壓在最大功率點以下，太陽能電池輸出功率隨電壓升高而增大，可用比例函數進行擬和。

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

按照太陽能電池功率輸出圖，可將太陽能電池做以下擬合：

式中： Ps（v）—太陽能電池輸出功率；

Vpmax—最大功率點電壓；

Vmax—太陽能電池開路電壓；

K1， K2， K3—相應系數。

2.3 儲能電池模型搭建

蓄電池作為系統的儲能設備，除了改善電能質量外，更大的作用是改善用電供需平衡，在系統中，蓄電池組主要分為以下狀態：充電狀態、放電狀態、電量靜止狀態。

充電狀態：當蓄電池電量不滿，并且輸入電能大于輸出電能時，電池進入充電狀態。此時，蓄電池充當用電設備，消耗直流母線上的電能。

放電狀態：當蓄電池電量不空，并且輸入電能小于輸出電能時，電池進入放電狀態。此時，蓄電池充當電源，為直流母線提供電能。

電量靜止狀態：當輸入電能等于輸出電能，或蓄電池進入欠壓保護狀態，電池進入電量靜止狀態。該狀態下，可以認為電池對系統無任何影響。

3 系統測試平臺的部件

為了適應大規模生產，更方便、快捷地測試系統性能，可以建立一套離網型風光儲測試系統，用于對整個系統的專業測試。

3.1 風機部分測試

對于小型風力發電機， 從式 （1） 可以看出，它是隨著風速的不同，而輸出不同的功率。在測試中，風速是一個不穩定量，我們無法找到一種很好的控制方法進行檢測量的施加。但是，按照貝茲理論，一臺實際風機所捕獲的風能轉變為機械輸出功率的表達式為：

式中： ρ—空氣密度；

R—風輪半徑；

V—風速；

Cp—風能利用系數。

從式 （3） 可以看出， 當風機型號確定， 安裝地點確定，風機捕獲的機械功率與風速成一一對應關系[4]。 因此， 可以通過為風力發電機施加特定的機械功率，測試風機的各項性能指標，即采用電動機帶動風力發電機，進行性能分析。

3.2 太陽能電池的測試模擬

對于太陽能電池，可以由太陽能電池生產廠家完成測試，但對于風光儲發電系統的控制逆變器，則需要太陽能電池的輸入作為測試激勵。太陽能電池的輸入狀態與日照強度有關，為了測試控制逆變器的性能，需要測試在各種輸入情況下的工作狀態，因此需要采用特殊的設備模擬太陽能電池，作為測試輸入。

按照式 （2） 中的擬和函數， 可以設計模擬輸入電路如圖3所示。

圖3 太陽能電池模擬電路

圖3 中， 由直流電流源 it大于太陽能電池的短路電流， 穩壓管 VD1略大于額定最大功率點電壓，小于太陽能電池開路電壓。

3.3 蓄電池的測試模擬

我們知道，蓄電池主要有三個工作狀態。電量處于靜止狀態，對于系統測試沒有影響，因此在系統測試中，我們主要考慮充電和放電兩種狀態。

在對蓄電池的充電中，主要分為恒流充電和恒壓充電兩個階段。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。

在測試過程中，電池的充電狀態，對于系統來說，相當于接入用電器耗費從風機和太陽能的輸入電量，因此考慮采用接入可調純電阻進行模擬。當電阻阻值較小，電阻兩端電壓較低，控制逆變器檢測到壓差時，認為蓄電池處于較低電壓，會輸入比較大的電流，以保證充電效率。此時可測量輸入電流大小，作為系統測試依據。調大電阻，電壓上升，當電壓上升到一定階段時，可模擬電池將要充滿電能，進入恒壓充電階段。測試其浮充電壓等。

電池的放電狀態時，電池對系統提供電能，此時可采用可調電壓源模擬電池，作為輸入。在系統中，調節輸入電壓，可模擬電池過壓和欠壓等，作為系統測試的重要指標。

4 系統測試平臺和流程

4.1 系統測試平臺

對每個部件進行模擬和測試是對整個系統測試的第一步。為了更好提高測試精度和測試效率，需要為整個系統設計測試流程，并搭建測試平臺。圖4為試驗平臺整體搭建結構圖。

圖4 離網型風光互補系統測試平臺結構圖

系統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，可以調整測試電路，調節儀器的輸入和用電器的輸出，并測量相關量，可用于計算系統的整體性能，達到快速、準確、方便地對系統進行測試。

4.2 系統測試流程

在整個系統的測試中，需要測量各種不同的測試量，并且完成各種測試 （如欠壓、 過壓、短路保護等）。 因此需要在測試過程中， 按照測試流程，搭建不同的測試電路，以完成所有測試。本文主要設計測試平臺，并完成簡要的一些參數的測試，因此設計測試流程如圖5所示。

圖5為測試充電參數和輸出電能的測試流程。主要分為部件連接、輸入測試、測試電路建立、相關參數測試等幾大部分。在初期測試中，可以人工控制測試電路建立，然后通過人工讀表等方式，實現系統參數測量。在進一步的工作中，可以方便地使用程序控制繼電器等方法實現測試電路的自動建立，采用工作計算機讀回測試儀器數據，利用計算機軟件控制測試流程，更有效地提高測試效率，減少勞動強度。

圖5 系統充電和輸出電能測試流程圖

5 結束語

本試驗系統經過初步測試，可以對系統的多個參數進行測試，有效地提高了產品驗證速度和精度。是對離網型風光儲互補系統進行測試的比較好的測試架構方案。對提高生產效率，杜絕不合格產品，可以起到比較好的作用。

參考本試驗系統，可以采用高自動化儀器設備， 通過 GPIB 口控制各種測試用設備， 采用繼電器等器件自動搭建測試回路，實現全自動化流水線式測試。

[1] 趙晶,趙爭鳴,周德佳.太陽能光復發電技術現狀及其發展 [J]. 電氣應用,2007,26(10):6-10

[2] 李品,劉勇前,郭偉釗.離網型風光儲互補發電系統優化設計方法研究 [J]. 現代電力,2010,27(6):51-61

[3] 茆美琴,余世杰,等.風光符合發電系統結構仿真建模研究 [J]. 系統仿真學報,2003,15(3):361-364

[4] 談蓓月,楊金煥,李康弟.改進風/光互補發電系統優化設計的新方法 [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， 工學碩士， 2010 年畢業于電子科技大學檢測技術與自動化裝置專業， 現主要從事太陽能光伏產品研發工作。