風(fēng)儲能量管理系統(tǒng)的信號采集設(shè)計(jì)

梁 嘉，張敏吉，凌志斌

(1.中海油研究總院 新能源研究中心，北京 100028；2.上海交通大學(xué) 電氣工程系，上海 200240)

風(fēng)儲能量管理系統(tǒng)的信號采集設(shè)計(jì)

梁 嘉1，張敏吉1，凌志斌2

(1.中海油研究總院 新能源研究中心，北京 100028；2.上海交通大學(xué) 電氣工程系，上海 200240)

風(fēng)電場儲能互補(bǔ)設(shè)備的能量管理系統(tǒng)需要風(fēng)機(jī)功率數(shù)據(jù)進(jìn)行控制策略的運(yùn)算，其中的功率平滑、調(diào)壓、調(diào)頻等策略對風(fēng)機(jī)功率采集的實(shí)時性和精確性要求較高。一種高速率風(fēng)功率采集方案可以更加精確的采集風(fēng)機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)信息。該方案采用研華PCI-1713U數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采用電壓互感器進(jìn)行信號調(diào)理，功率算法基于瞬時有功和無功功率數(shù)據(jù)信息，采用Labview軟件編程。經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)，該方案可以達(dá)到秒級精確采集風(fēng)機(jī)功率的目的，三級電壓隔離能夠保證人身安全，具有一定的實(shí)用價值和參考意義。

風(fēng)儲互補(bǔ)；信號采集；隔離；瞬時無功功率

0 引言

近年來隨著國家大力提倡發(fā)展清潔能源的號召，風(fēng)電得到了快速發(fā)展。但是由于風(fēng)能的隨機(jī)性和間歇性，風(fēng)電機(jī)組的出力時常頻繁波動，可靠性差。[1-2]有數(shù)據(jù)顯示，我國風(fēng)電裝機(jī)有近30%～40%風(fēng)電沒有并網(wǎng)。將大規(guī)模的電池儲能系統(tǒng)和風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行聯(lián)合，可有效抑制風(fēng)電出力波動，減少棄風(fēng)。

風(fēng)儲互補(bǔ)系統(tǒng)的控制策略通常包括正常運(yùn)行時的削峰填谷、計(jì)劃跟蹤、平滑功率和應(yīng)急運(yùn)行時的調(diào)頻和調(diào)壓[2-3]。其中，平滑功率、調(diào)頻、調(diào)壓等都對實(shí)時性要求高，需要獲取秒級甚至毫秒級的風(fēng)機(jī)功率數(shù)據(jù)，所以在設(shè)計(jì)風(fēng)儲互補(bǔ)系統(tǒng)時，需要專門設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)功率采集方案，以滿足控制策略需求。

本文根據(jù)內(nèi)蒙某風(fēng)電場的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了風(fēng)儲系統(tǒng)的風(fēng)功率采集系統(tǒng)，給出了具體的選型方案。功率計(jì)算算法設(shè)計(jì)上以瞬時功率為基礎(chǔ)，提供了精確的有功和無功功率計(jì)算方案。我們采用Labview進(jìn)行設(shè)計(jì)和模擬。目前該采集系統(tǒng)已在內(nèi)蒙某風(fēng)場的風(fēng)儲互補(bǔ)系統(tǒng)中應(yīng)用，具有良好的效果。該方案具有計(jì)算速度快、得到的風(fēng)功率波形精確等特點(diǎn)，具有一定的應(yīng)用價值。

1 硬件設(shè)計(jì)

內(nèi)蒙某風(fēng)電場采用華銳1.5 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。風(fēng)機(jī)通過690 V/35 kV升壓變接入電網(wǎng)。風(fēng)機(jī)電壓的采集可以通過升壓變低壓側(cè)的電壓互感器進(jìn)行采集，電流傳感器需要自行設(shè)計(jì)。由于操作人員會直接接觸能量管理系統(tǒng)等設(shè)備，所以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)重點(diǎn)考慮操作人員人身安全問題。在本設(shè)計(jì)中，電壓和電流傳感器具有電壓隔離作用；信號傳輸線路采用帶屏蔽的電纜，信號調(diào)理板采用電壓傳感器進(jìn)行信號處理，也具備隔離保護(hù)作用；數(shù)據(jù)采集卡也具有電壓隔離。這三級保護(hù)確保了操作人員的人身安全和能量管理系統(tǒng)低壓設(shè)備的安全。

1.1 數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)選型

內(nèi)蒙某風(fēng)電場采用華銳1.5 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，為了測量該風(fēng)機(jī)的功率，需要精確測量其三相電壓和電流的波形，每個工頻周期的采樣點(diǎn)數(shù)應(yīng)達(dá)到32以上，所以數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率通常要達(dá)到1.6 K以上。風(fēng)機(jī)通過690 V/35 kV變壓器接入電網(wǎng)，變壓器低壓側(cè)電壓為690 V，則數(shù)據(jù)采集卡應(yīng)具有2 000 V以上的電壓隔離，以保護(hù)工控機(jī)和操作人員免受高壓電的損害。

本采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡采用研華PCI-1713U數(shù)據(jù)采集卡該數(shù)據(jù)采集卡為12位模擬輸入，可以滿足采集數(shù)據(jù)精度的要求。其擁有32個通道，支持32路單端輸入或16通道差分輸入，且各通道之間可單獨(dú)設(shè)計(jì)輸入方式。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況需要測量風(fēng)機(jī)的兩個線電壓和三個相電流，共需5路輸入，可以滿足。其最高采樣頻率可以達(dá)到100 Ksample/s，可以滿足采樣速率的要求。其具有2 500 V的電壓隔離，可以滿足設(shè)備保護(hù)的需求。此外，該數(shù)據(jù)采集卡支持±10 V，±5 V，±2.5 V，±1.25 V輸入，并且各個通道可通過軟件編程的方式選擇各異的輸入電壓范圍。

1.2 傳感器設(shè)計(jì)選型

風(fēng)機(jī)的電壓可以通過變壓器內(nèi)部的電壓互感器進(jìn)行測量。風(fēng)機(jī)變壓器內(nèi)的電壓互感器為V型接法，變比為690/100，可以得到風(fēng)機(jī)的兩個線電壓Uab和Ucb。

風(fēng)機(jī)的額定功率為1.5MW，則風(fēng)機(jī)升壓變的低壓側(cè)額定電流有效值可以達(dá)到1 255A，峰值可以達(dá)到1 755A。因此選擇電流傳感器時，其額定電流應(yīng)該至少為1 775A，且留有10%到20%的裕量。為了便于現(xiàn)場安裝，應(yīng)采用開口式的電流傳感器。綜合上述各個因素，電流傳感器采用額定電流為2 000A的霍爾電流傳感器，測量范圍達(dá)到±3 000A，額定電流對應(yīng)輸出電壓為±4V，可以滿足電流的測量。

1.3 電壓信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)

考慮信號調(diào)理板與EMS工控機(jī)的電源應(yīng)保持一致，PCI-1713U數(shù)據(jù)采集卡的輸入信號電壓設(shè)置為±5 V。

電壓互感器的輸出電壓為100 V，顯然不能直接輸入數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行測量，需要經(jīng)過適當(dāng)?shù)乃p處理才能輸入到數(shù)據(jù)采集卡的輸入端。因?yàn)轱L(fēng)電場電壓波動性大，為了確保在風(fēng)電場電壓最高時也不會使得電壓輸入信號超過數(shù)據(jù)采集卡的量程，我們將設(shè)計(jì)信號調(diào)理電路的電壓互感器變比定為120/3.53。3.53 V的工頻交流電壓峰值為5 V，因此該原/副邊電壓設(shè)計(jì)可以確保在風(fēng)電場電壓波動時，數(shù)據(jù)采集卡仍可以實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)電壓進(jìn)行有效和精確的測量。電壓互感器也能起到現(xiàn)場信號與數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)部弱電電路的隔離作用，有利于設(shè)備和人身安全。

為最大程度的避免信號干擾，確保信號的完整性，數(shù)據(jù)采集卡的工作方式設(shè)置為雙端差分輸入。電壓信號的調(diào)理隔離電路如圖1所示。

圖1 電壓信號隔離電路

電流傳感器的額定電流為2 000 A，對應(yīng)輸出電壓4 V。當(dāng)風(fēng)機(jī)升壓變處于額定電流運(yùn)行時，電流傳感器對應(yīng)的輸出為交流2.51 V、同樣考慮20%的裕量，以及實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場信號與數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)部弱電電路的隔離的目的，設(shè)計(jì)上選擇首先對傳感器的輸出電壓信號進(jìn)行跟隨，以增強(qiáng)信號驅(qū)動能力，再進(jìn)行隔離放大的方案。具體電路原理如圖2所示。

圖2 電流信號隔離電路

1.4 電壓信號調(diào)理電路測試

通常來說，電網(wǎng)電壓不可避免地存在著諧波成分，風(fēng)電機(jī)組和儲能系統(tǒng)的輸出電流中也存在著電流諧波，信號調(diào)理電路應(yīng)能無畸變地傳輸真實(shí)的信號。電流信號經(jīng)過運(yùn)放跟隨后再經(jīng)由互感器隔離傳輸，電壓信號直接通過電壓互感器隔離傳輸，運(yùn)放的選擇可以保證對電流信號的無畸變傳輸。因此，互感器的頻率特性就成為信號調(diào)理電路能否無畸變傳輸信號的關(guān)鍵。

在電力系統(tǒng)中，僅存在奇次諧波電壓和諧波電流，而關(guān)注的諧波一般在21次以內(nèi)。如圖3所示，為了測試互感器對諧波的變換情況，用信號發(fā)生器給3∶3.53的互感器輸入幅值為4.22 V，頻率為150 Hz、250 Hz、350 Hz、450 Hz、550 Hz、650 Hz、750 Hz、850 Hz、950 Hz、1 050 Hz的正弦交流信號來模擬3、5、7、9、11、13、15、17、19、21次諧波的波形。測試得到的3、11、21次波形如下，其中為幅值較小(1號)的是互感器輸入信號，幅值較大(2號)的為互感器輸出信號。

圖3 諧波變換情況

可以看出，經(jīng)互感器變換后的波形沒有畸變，與變換前相位一致。圖4是現(xiàn)場采集到的風(fēng)機(jī)電壓和電流波形。其中，幅值較小的三個波形1、2、3是三相電流波形，幅值較大的兩個波形4和5是電網(wǎng)電壓。可以看出，電網(wǎng)電壓波形比較好，而電流波形則有較多的諧波和開關(guān)頻率成分。通過上述測試可以看出，本設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對關(guān)心的工頻及諧波的真實(shí)波形的檢測。

圖4 風(fēng)機(jī)的電壓和電流波形

風(fēng)儲系統(tǒng)的信號采集電路從現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)并傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，故不僅需要實(shí)現(xiàn)對信號的準(zhǔn)確測量，還需要強(qiáng)的抗干擾能力和感應(yīng)雷防護(hù)能力。

如圖5所示，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中采用三級隔離實(shí)現(xiàn)抗干擾和對核心控制設(shè)備進(jìn)行防護(hù)。

圖5 三級隔離防護(hù)

上述各個電氣區(qū)域中，最大的區(qū)域長度為不超過30 m，如此將感應(yīng)雷引起的過電壓降低到最低。同時配合瞬態(tài)二極管的保護(hù)，有效提高了系統(tǒng)的可靠性。

2 有功功率與無功功率計(jì)算

由前述可知，本采集系統(tǒng)采集到的風(fēng)機(jī)電壓信號為兩個線電壓和三個相電流，即：Uab,Ucb,Ia,Ib,Ic。由于變壓器低壓側(cè)采取三相三線制接法，所以實(shí)際上還可以得到另一個線電壓Uac。

有功功率的算法比較成熟，通過測得的兩個線電壓和三個相電流，可以通過“兩表法”進(jìn)行計(jì)算，即：

(1)

非正弦信號的無功功率的計(jì)算目前尚未有定論，常用的算法有均方根算法、數(shù)字移相法、傅氏算法等，但這些算法對于非正弦信號的無功功率的測算，誤差很大。此外這些算法通常要求相電壓進(jìn)行計(jì)算，而在無法確定中性點(diǎn)的情況下，憑借三個線電壓無法獲取風(fēng)機(jī)的相電壓。

(2)

可以通過PARK變換將三相電壓和電流轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中[5-8]。即：

(3)

(4)

將(3)、(4)代入(2)，可得：

ic(ub-uc)=iauab+icucb

(5)

則有功功率：

(6)

與式(1)一致。

(7)

無功功率：

(8)

可以看出，瞬時無功功率算法只需獲取風(fēng)機(jī)線電壓和相電流即可進(jìn)行無功功率的計(jì)算，能夠憑借采集卡得到的現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行無功功率計(jì)算。

3 軟件設(shè)計(jì)

目前，高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是基于VC、VB等編程語言，雖然這些語言靈活性好，執(zhí)行效率高，但在實(shí)時繪圖方面的實(shí)現(xiàn)難度也較大，對采集到的數(shù)據(jù)分析梳理還須借助其他工具進(jìn)行，而使用Labview軟件編程可以解決上述問題。Labview是圖形化的編程語言，特有的圖形控件可以直接將輸入數(shù)據(jù)以圖形方式顯示。此外，Labview還提供了大量的信號處理函數(shù)和高級信號分析工具，可以直接對輸入的信號進(jìn)行分析和處理[9-10]。

研華的PCI-1713U數(shù)據(jù)采集卡支持使用Labview進(jìn)行編程，提供了一系列的操作模塊，并配以相關(guān)的例程，便于入門。

本采集系統(tǒng)的流程圖如圖6所示。

本采集系統(tǒng)采用差分輸入以提高精度，輸入設(shè)置為±5V。設(shè)置采樣頻率為10kHz，每秒采樣點(diǎn)數(shù)2 000個，根據(jù)周期數(shù)可以調(diào)整計(jì)算有功功率無功功率所用的點(diǎn)數(shù)。有功功率和無功功率的算法采用式(1)和式(8)的計(jì)算方法。

圖6 采集系統(tǒng)流程圖

經(jīng)現(xiàn)場測試，該系統(tǒng)能夠每秒計(jì)算一次風(fēng)機(jī)的有功功率和無功功率，作為控制策略的輸入。實(shí)際測量效果如圖7所示。

圖7 采集系統(tǒng)實(shí)際測量結(jié)果

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種適用于風(fēng)電場儲能現(xiàn)場惡劣環(huán)境下數(shù)據(jù)采集的方案，該方案具有以下特點(diǎn)：

(1)硬件設(shè)計(jì)選型注重操作人員安全，通過傳感器、調(diào)理板和采集卡的三重隔離保證人員和設(shè)備安全；

(2)硬件設(shè)計(jì)能夠保證采集到的信號可靠性，

調(diào)理板采用的電壓互感器能夠保證21次以下諧波不發(fā)生信號畸變；

(3)無功計(jì)算方法采用瞬時無功功率算法，在只有風(fēng)機(jī)線電壓和相電流的情況下進(jìn)行無功功率計(jì)算。

該方案已在風(fēng)儲互補(bǔ)系統(tǒng)中成功應(yīng)用，該風(fēng)儲互補(bǔ)系統(tǒng)自2015年4月投運(yùn)后，在現(xiàn)場運(yùn)行良好。該設(shè)計(jì)和思路可供相關(guān)的應(yīng)用設(shè)計(jì)參考。

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The Design of Data Acquirement System forWind-BESS Energy Manage System

LIANG Jia1, ZHANG Minji1, LING Zhibin2

(1. CNOOC Research Center New Energy Research Center,Beijing 100028, China;2. Department of Electrical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

To carry out the control strategy with precision, the energy management system of the wind energy storage system needs the complementary power data of wind turbine. The control strategies, such as power smoothing and voltage and frequency modulation, demand higher level of accuracy and real-time performance for the wind turbine power acquisition. A high speed wind power acquisition scheme can collect the data of wind turbine with better accuracy. The scheme adopts the Advantech PCI-1713U data acquisition card for data acquisition and voltage transformer for signal conditioning. The power algorithm is based on instantaneous active and reactive power data, and Labview software is used for programming. The Test-In-Place results show that the scheme can achieve the purpose of accurate acquisition of wind turbine power at second level, while the three-level voltage isolation can guarantee the personal safety, which has a certain practical value and can be reference for future study.

coordination of wind power and BESS; data acquirement; isolation; instantaneous reactive power

馮明(1990-)男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制; 熊煒(1972-)，女，副教授，研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.05.007

2016-12-08。

TK82

A

1672-0792(2017)05-0035-05