一種新型分布式發電系統移動測試電源研制

文 | 周金博，孫儷，王鵬強，蔣文功

（作者單位：威騰電氣集團股份有限公司）

風電場或光伏電站經營管理的主要目標是要電量、要效益，開源節流是增加效益的主要手段。開源就是提高風電機組可利用率、上網電量，存在一定客觀因素；節流包括降低廠用電率、器件更換維修率等。對于風電場而言，風電機組及相關系統能否短期內完成測試并達到并網條件，直接決定電站收益。

風電場建設中，當風力發電機組及相關系統組裝完成后，需對其可靠性、穩定性、安全性進行測試評估，而此時風電場并未接入大電網，無法讓整套發電系統（包括控制系統、冷卻系統）穩定運行起來。一體化風電機組或光伏電站測試電源，設計目的是在無大電網支撐的情況下進行電網模擬，使得風電并網前的檢測實驗能夠進行。

針對這種需求，本文研制了一款集儲能和泄能功能于一體的風力發電機組和光伏發電系統測試電源裝置。該電源采用新穎的拓撲結構和先進的控制策略，不僅可以進行四象限運行，實現能量的雙向流動，完成風力發電機組和光伏發電系統發電前的靜態調試和動態調試，而且可以模擬電網電壓和頻率的特性，完成風力發電機組和光伏發電系統的電網適應性測試。

主電路拓撲及工作原理分析

一、主電路拓撲

如圖1所示，風力發電機組測試電源主電路由儲能單元、功率變化單元、模擬負載（泄放電阻）單元、三相三繞組隔離變壓器以及五路交流開關組成。

儲能單元包括鋰電池和超級電容，功率變換單元由DC/AC變換器和DC/DC變換器組成，DC/AC變換器和DC/DC變換器在主電路直流側并聯，鋰電池連接在主回路直流側，第一、第二交流開關QF1、QF2位于主回路上。鋰電池輸出的直流電經直流EMI濾波器進入功率變換單元母線。

DC/AC變換器采用三相橋逆變單元，將鋰電池輸出的直流電逆變為具有額定電壓、頻率的三相交流電，經LC濾波器及交流EMI濾波器后將交流電送入主回路交流側的三相三繞組隔離變壓器進行電能分配，通過次邊兩個繞組分別輸出380Vac和690Vac三相工頻交流電。

圖1 主電路拓撲結構

DC/DC變換器由三路交錯型雙向斬波電路構成，其輸出端（未與DC/AC變換器并聯的一端）經第四交流開關連接鋰電池、經第五交流開關連接超級電容、經第三交流開關連接模擬負載。第三、第四、第五交流開關QF3－QF5的輸入側并聯，第四、第五交流開關QF4、QF5輸出側的三路正極分別并聯后輸出。DC/DC變換器采用帶磁耦合電感的LC濾波電路，等效提高了開關頻率，大大降低了du/dt，同時減小了模擬負載泄能時母線直流電壓的波動，同時減少了電感的噪聲。通過第三～第五交流開關QF3～QF5（斷路器或接觸器）使功率變換單元分時復用，實現儲能單元充放電（包括儲能單元首次充電）和模擬負載泄能分時進行。

圖2 測試電源接風電機組時原理圖

圖3 DC/AC離網模式雙閉環控制框圖

二、工作原理分析

本文設計開發的電源用于風電場接大電網之前的風電機組系統調試工作，包括變槳和偏航系統的調試、風電變流器的小功率并網測試，以及整機的系統調試工作等。完成調試的初始能量由鋰電池和超級電容器組提供，當風電機組發電能量反灌時給儲能單元充電，為防止反灌能量出現“供”大于“求”，模擬負載提供泄能通道。

該電源接風力發電機組時系統原理如圖2所示，測試風力發電機組小功率并網發電時，當風電變流器網側啟動開始，閉合第五交流開關，通過超級電容為風電變流器提供沖擊性能量；當風電變流器網側啟動成功后，斷開第五交流開關；當風電機組啟動后開始能量反灌時，通過主回路給鋰電池充電，充滿后閉合第五交流開關給超級電容充電，充滿后如果還有多余能量，斷開第四交流開關和第五交流開關，同時閉合第三交流開關，利用模擬負載泄放多余的能量。當風電變流器反灌過來的功率大于電池的充電功率時，保持第四和第五交流開關斷開，同時閉合第三交流開關，通過改變DC/DC占空比來調節泄放功率，從而使得反灌功率與充電功率、泄放功率達到平衡。

該測試電源系統的創新之處在于：

（1）儲能單元與模擬負載通過功率開關并聯，集儲能與泄能于一體，在被測試系統沒有接入大電網之前提供能量支撐和能量存儲，當系統負載發生能量反灌時提供泄能通道，并且通過對DC/DC所接模擬負載的電流和功率控制，實現對儲能單元充電電流和功率的控制。

（2）超級電容通過雙向DC/DC變換器與鋰電池并聯，實現高能量密度特性和高功率特性的完美統一，大大增強了系統的波動性負載適應能力。

（3）采用三路DC/DC作為三路模擬負載的開關，實現了模擬負載的分時切入，等效開關頻率大為提高，為單路的三倍，能更好地實現電流和功率的瞬時和穩態控制，同時降低了單路電阻負載的功率，有助于散熱系統的設計，提高了經濟性能。

（4）Buck/Boost電路與模擬負載放電回路共用三路DC/DC開關，通過交流開關實現其分時復用，減少了DC/DC濾波器和IGBT的使用數量，節約了成本。

（5）功率器件直流側、交流側均有EMI濾波器，有效減小高頻分量對輸出電能質量的負面影響，抑制電磁干擾對控制系統的影響。

（6）DC/DC輸出側采用帶共模電感的耦合電感，以交錯方式運行，從而在共模電感（直流濾波電感）不變的條件下，使得差模均流電感增大，總的電感尺寸降低；使用交錯式方法運行，提高了耦合電感的等效開關頻率，使得電感工作時產生的噪音降低。

控制策略及測試實驗

與主電路對應的控制部分包括DC/AC和雙向DC/DC兩部分的控制。

DC/AC部分采用三相逆變橋結構，在并網充放電時采用PWM控制實現四象限運行，在離網接風電機組輸出變壓變頻的三相交流電時采用基于電壓和電流瞬時值的雙閉環控制方式，此方式不僅可以滿足高性能指標的要求，還可以使系統提高響應速度，增強穩定性。在電流內環中引入電流前饋加快逆變器動態響應速度，增強對非線性負載擾動的適應能力，并且減少輸出電壓的諧波含量。圖3為雙閉環控制框圖。

逆變器引入反饋控制，因此需要采用A/D轉換器以及其他各種檢測元件，但實際中A/D 轉換器和檢測元件存在零點漂移， 且功率管不一致的特性均會使 SPWM 波形正負不對稱，使得逆變器輸出電壓含有直流分量， 對逆變器本身及用電設備造成一定的危害 ，故需要考慮在系統中引入對直流分量的抑制。 對輸出電壓一個周期T內的平均值進行積分，即可得到該周期的直流分量：

圖4 鋰電池雙向DC／DC雙閉環控制框圖

圖5 超級電容雙向DC／DC雙閉環控制框圖

圖6 測試電源控制結構圖

隨后，將給定值與Uodc進行比較，其誤差經PI調節器調節，作為下一周期輸出電壓的直流分量修正值，修正值與原調制信號相加即為PWM的調制信號。

雙向DC/DC部分為非隔離型Buck-Boost雙向變換器，為了實現低壓側超級電容器和鋰電池與直流高壓之間的能量雙向流動且保持高壓側電壓恒定，因此鋰電池外接DC/DC部分采用雙PI控制結構，外環高壓側給定值Udcref與實測值Udc的偏差經PI調節器輸出高壓側電流控制信號Idcref，電流環的輸出經PWM脈寬調制控制DC/DC變換器。由于鋰電池組的輸出電流不能突變，為了彌補這一缺陷，超級電容采用單電流環控制，電流環的電流給定Idcref2為系統實際的輸出電流減去鋰電池的最大輸出電流的差值。鋰電池和超級電容系統控制框圖如圖4和圖5所示。

整套電源系統控制結構如圖6所示，FPGA的作用是對電流、電壓的采集，輸入信號邏輯處理及各種邏輯保護、接口處理；DSP 的作用是對DC/DC和DC/AC變換器控制算法的處理，上位機之間的通信，以及電流、電壓傳感器采集到的電流、電壓信號經 A/D模塊轉換后送入 FPGA，隨后，FPGA對采集信號進行邏輯處理后送入DSP，通過軟件編程實現對測試電源的控制策略，最后將各種電壓、電流、頻率及故障報警信號通過在DSP上顯示并同時傳輸給上位機。

該測試電源系統于2016年11月在甘肅武威周家井風電場完成了2.2MW直驅風電機組的系統靜態和動態調試，測試波形如圖7所示，測試電源輸出穩定的690V三相交流電源給2.2MW風電機組主控系統和變流器弱電系統提供電源完成靜態調試，圖8為動態調試時風電變流器發出的電能通過測試電源一部分用來給測試電源儲能系統進行充電，剩余能量通過泄放電阻泄放掉。

圖7 風電機組靜態調試時測試電源輸出電壓和電流波形

圖8 風電機組動態調試時測試電源輸出參數和電壓波形

攝影：李新星

結論

本文介紹了一種適用于風電場和光伏電站的移動測試電源，該電源采用新穎的拓撲結構和先進的控制策略，不僅能完成風力發電機組發電前的靜態調試和動態調試，而且能模擬電網電壓和頻率的特性，可以滿足2MW及以下功率的風電機組和1MW及以下功率的光伏發電系統在接大電網之前的系統調試以及小功率并網測試。該產品目前在北京航天萬源甘肅武威周家井風電場的應用結果表明該產品在無大電網支撐的情況下，通過自身的儲能功能和負載模擬吸收功能，大大加快了整個風電場的靜態調試和動態并網調試的進度，具有很強的實用性。對于更大功率的測試電源和光伏電站的應用，這里的分析所得結論同樣適用，可以作為分析和設計參考。