分布式风储控制系统硬件设计

张敏吉，梁嘉，孙洋洲，李强，凌志斌

(1. 中海油研究总院，北京市100015；2.上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海市200240)

分布式风储控制系统硬件设计

张敏吉1，梁嘉1，孙洋洲1，李强1，凌志斌2

(1. 中海油研究总院，北京市100015；2.上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海市200240)

分布式风储系统是储能与风电配合的一种新的形式，其控制系统运行环境恶劣但可靠性要求高。为了实现分布式风储系统的稳定运行，以确保安全、满足性能、硬件成熟、数据存储可靠为基本原则对内蒙古某风电场的分布式风储系统的控制系统硬件进行了设计。设计采用了无风扇高可靠工业控制计算机作为主控制器，以数据采集卡实现现场信号的采集，设计的电压电流信号调理电路实现了现场信号的隔离输入，主控制器与现场信号实现了三级信号隔离，保障了设备和人员的安全。通过后备电源设计保证了控制系统的掉电安全。上述设计在风电场实现并成功运行，可为风储系统的推广与应用提供参考。

分布式风储系统；风储配合；电池储能；控制系统信号调理；数据采集

0 引 言

近年来，随着人们对环境的重视，风电作为一种较为成熟的清洁能源在世界范围内迅速发展。据国家能源局数据，我国风电规模已居世界第一，但是弃风问题自2010年成为行业顽疾[1]。其中，2012年的情况最为严重，弃风率达17%，2013年上半年降至13.5%，2014年上半年进一步降至8.5%。2015年弃风率再次上升，2015年上半年全国平均弃风率15.2%，由此造成经济损失接近87亿元。

电池储能系统(battery energy storage system, BESS)与风电机组协调控制，可平抑风电功率的波动，减小风电对电网的影响[2]。大容量电池储能技术应用在风电并网[3]中能够起到平滑风电场/机组输出功率[4]、提高风电输出与预测的置信度[5]、削峰填谷[6]、提高风电可调度能力和辅助风电场[7]参与调频[8]等其他辅助作用。

本文依托现有风电场建设“一机一储”的分布式风储系统并成功投入运行。项目所在风场设计装机容量49.5 MW，采用33台1.5 MW双馈风力发电机组。风机出口电压690 V AC，通过690 V/35 kV/1 600 kV·A升压变压器汇入风电场35 kV线路，再经35 kV/220 kV升压变压器并入当地电网。

1 分布式风储系统

采用“一机一储”的分布式风储系统的风电场如图1[9]所示。

图1 “一机一储”风储配合示意图Fig.1 Diagram of one storage system for one wind turbine

由于资金的限制和稳步推进的考虑，同时为了能够实现和验证储能系统的协调控制功能，本文仅在风电场选取了2台1.5 MW风电机组作为示范工程机组，每台风电机组配置1个250 kW×2 h集装箱储能系统，储能系统通过风机的690 V/35 kV升压变压器低压侧接入风电场。

“一机一储”风储系统的控制系统通过指令控制电池储能系统发出/吸收的有功功率和无功功率与风电机组的输出配合，实现了对单台风电机组的平滑风电功率、削峰填谷、无功补偿的功能并取得了好的效果。

2套储能系统容量相对风电场容量比例仅为1%，如对风电场每台风电机组实现“一机一储”，则储能容量相对风电场容量比例可达33%，无功调压、有功调频和计划跟踪的效果方可体现。

本文所设计的风储系统控制硬件部分由主控制器、数据调理采集和存储、后备电源组成。硬件设计原则为：设计确保安全、满足性能、硬件成熟、数据存储可靠。

2 控制系统硬件构架

“一机一储”风储配置方式决定了风储控制系统必然采取分布式控制结构和方式[10]。为保证可靠性，控制系统采用就地控制、远程监视的分级管理方式。实时控制由位于现场的就地控制系统实现，2套储能集装箱拥有各自独立的就地控制系统，就地控制系统通过对690 V/35 kV升压变压器低压侧总的输出功率、电压和频率进行监测和反馈，按照设定的运行模式控制电池充放电，达到平滑风电功率、削峰填谷、无功补偿、无功调压、有功调频和计划跟踪的目的。

位于中控室的监控后台通过光纤以太网起到实时监测、报表打印等人机交互及历史数据记录功能。即使监控后台因故损坏，或者储能集装箱与中控室的通讯意外中断，也不会影响现场集装箱储能系统的正常运行，系统可靠性得到良好的保证。

图2为风储就地控制系统结构框图。电网侧的反馈采样点选取为风电机组低压侧与储能系统的汇流点。

图2 风储系统控制结构框图Fig.2 Control structure of wind power storage system

在就地控制系统中，将汇流点三相电压、电流进行P/Q分解，计算得到风电机组和储能系统总有功和总无功，其中总有功作为功率平滑、削峰填谷、计划跟踪控制的主要依据，总无功作为无功补偿和无功调压的主要依据。将三相电压信号进行频率提取，作为调频模式下的有功输出控制的主要依据。

图3为风储就地控制系统硬件构架。就地控制器具有数据采集和实时存储功能，并定期将就地数据上传到中控室监控后台加以储存，以便于后期的统计分析之用。运行人员可通过中控室的监控后台设定储能集装箱就地控制器运行于风电功率平滑、计划功率跟踪、调压、调频、削峰填谷等模式，工作模式指令以通讯形式下发给就地控制器执行。监控后台可实现对历史数据和事件记录的检索查询、数据分析、生成图形曲线和报表并打印输出。

图3 就地控制系统硬件构架框图Fig.3 Hardware structure of local control system

3 就地控制系统主控制器

主控制器选择上考虑到控制实时性、硬件通用性、可靠性、扩展性、易维护性及相应的软件资源等因素，本文采用在工业控制领域广泛应用的工业控制计算机作为就地控制系统的主控制器。

就地控制系统的控制周期对风储系统的响应速度和控制性能至关重要。经对控制策略的运算量估算，采用工业控制计算机可确保就地控制系统指令响应速度达到ms级，为实现高的控制性能奠定了基础。

在电子系统中，运动的机械部件的可靠性远低于静止的电子部件，为保证就地控制器的可靠性，本文设计中采取了如下措施：(1)低功耗、无风扇的研华工控机UNO3085作为就地控制系统主控制器，其平均无故障工作时间达到近20万h，远远高于常规工控机平均无故障工作时间；(2)采用固态硬盘取代计算机中传统的机械旋转硬盘，以避免机械旋转部件相对较低的可靠性对控制器整体可靠性的影响。

4 信号测量电路

工控机中配置数据采集卡可以便捷地实现对电压、电流等信号的测量。数据采集卡输入信号的范围多为±1 V DC，±2 V DC，±5 V DC或±10 V DC。一方面，输入信号超出采集卡输入电压范围将无法被准确测量，严重时甚至会造成数据采集卡的损坏；另一方面，输入信号过小将降低测量的有效精度。综合考虑信号调理电路供电等因素，本设计中将数据采集卡的输入信号范围设定为±5 V DC。外部输入信号额定值将被调理到±4 V DC左右，在保证一定的裕量同时尽量利用有效量程以保障测量精度。

4.1 电压、电流传感器

在风电机组与储能系统的汇流点以V/V接法安装了2只690 V/100 V电压互感器，以实现电力标准方式的对一次电压信号Uab、Ubc和Uca的隔离测量。100 V交流信号无法被数据采集卡直接测量，需要经过适当的衰减处理才能输入到数据采集卡输入端。

电流的测量点位于风机690 V/35 kV升压变压器的低压侧。为便于现场工程安装，优先选用了开口式霍尔电流传感器。1.5 MW风电机组额定输出电流有效值为1 255 A，对应峰值为1 775 A。但基于前期对风电输出功率的长时间监测发现，短期实际输出电流峰值接近2 100 A，故选用额定电流2 000 A，线性过载能力1.5倍的开口式霍尔式电流传感器。如此确保了电流信号的无损输入。电流传感器输入输出变比为2 000 A/4 V。

在每个690 V/35 kV升压变压器内安装3只霍尔电流传感器以测量abc三相电流。3个电流传感器通过屏蔽电缆输入储能集装箱内的就地控制系统。为防止外界对电流信号的干扰，电缆屏蔽层接地。

4.2 信号调理隔离电路

为保证安全、隔断共模干扰和实现输入匹配，信号调理隔离电路实现将电压互感器二次侧信号和霍尔电流传感器输出信号隔离变换为就地控制系统数据采集卡可以接受的信号，信号调理隔离电路至少需要3个电压和3个电流通道。本设计中，同时利用数据采集卡实现对就地控制系统控制电源的掉电监测，故本信号调理隔离电路共7个通道。

考虑到风电场电压的波动[11]，确保在风电场电压最高时也不会导致电压输入信号超过数据采集卡量程，设计信号调理电路的电压互感器变比为 120 V/3.53 V。副边3.53 V的工频交流电压峰值对应 5 V DC，因此该原/副边电压设计可确保在风电场电压波动时，输入到后级数据采集卡的信号幅度不超过 5 V DC，数据采集卡仍可实现对电网电压的有效和准确的测量。电压互感器同时起到了现场信号与数据采集卡内部弱电电路的隔离作用，有利于设备和人生安全。

为最大程度避免信号干扰，确保信号完整性，数据采集卡设置为双端差分输入的工作方式。电压信号的调理隔离电路如图4所示。

图4 电压信号隔离输入差分输出Fig.4 Voltage input isolated and differential output

如前所述，本文中电流传感器的电流变比为 2 000 A/4 V。当并网点电流峰值2 100 A，电流传感器对应的输出为4.2 V，处于数据采集卡合适的量程之内。考虑到电流传感器与就地控制器之间有30～40 m的距离，为避免现场干扰信号通过数据采集卡侵入工控机内部，实现现场信号与数据采集卡内部弱电电路的隔离的目的，在数据采集卡之前采用3 V/3.53 V电压互感器再次进行了隔离。由于电流互感器输出信号距离较远，且其驱动能力有限，在传感器输出电压信号接入信号调理板后首先进行运放跟随，以避免负载效应引起的误差。具体电路原理如图5所示。

图5 电流信号调理隔离电路Fig.5 Isolated condition circuit for current signal

本文就地控制系统为220 V供电，同时配置了不间断电源(uninterruptible power supply，UPS)作为后备电源，以确保外部电源停电时能够向中控室监控后台发出告警信息以便及时处理。要完成外部电源停电报警的功能，就地控制系统需实现对外部电源的掉电检测。

利用数据采集卡对控制电源的幅度进行实时检测实现对控制电源是否正常的监测。本文利用1只300 V/2 V电压互感器将控制电源信号以隔离的方式输入到数据采集卡的输入端，数据采集卡将检测到交流电压信号。若供电电压跌落到正常电压的70%以下，且持续时间3 s以上，即判断为外部控制电源掉电故障。外部控制电源掉电的检测电路如图6所示。最终设计完成信号调理板如图7所示。

图6 控制电源掉电检测电路Fig.6 Drop detective circuit for control power supply

图7 信号隔离调理板Fig.7 PCB of signal condition and isolation

4.3 调理电路的频率特性测试

电网电压不可避免地存在谐波成分[12]，风电机组和储能系统输出电流中也存在电流谐波[13]。

信号调理电路中，电压信号直接通过电压互感器隔离传输，电流信号经过运放跟随后再经由互感器隔离传输，无论哪种情况，信号调理电路均应能无畸变地传输真实的信号。因此本文在对调理电路的变比进行测试验证之后对其频率特性进行了测试，以检验是否满足实际使用要求。在电力系统中，仅存在奇次谐波电压和谐波电流[14]，主要的谐波一般在21次以内，因此将最高测试频率限定为21次谐波。

为测试互感器对谐波的变换情况，用信号发生器产生频率为150，250，350，450，550，650，750，850，950，1 050 Hz的正弦交流信号来分别模拟3，5，7，9，11，13，15，17，19，21次谐波的波形。限于篇幅，列出测试得到的电流通道的输入输出的3次谐波和21次谐波波形如图8所示。

图8 3次和21次谐波波形图Fig.8 Thrid and 21th harmonic wave

对比可看出，信号调理电路的输出波形与输入端一致，没有发生畸变，相位也一致，对有功功率、无功功率计算的准确性可以得到保证。信号隔离调理板起到了对输入信号进行准确调理和有效隔离的作用。

4.4 就地控制器数据采集卡

三相电压、电流信号的测量则通过具有隔离功能的外设部件互连标准(peripheral component interconnect，PCI)接口数据采集卡，配合电压电流传感调理电路来实现。鉴于大功率风电变流器[15]开关频率较低，电流值开关纹波较大，为保证相关数据测量的准确性，数据采集速度不低于每通道5 kbit/s，精度不低于12 bit。

数据采集卡前端模拟信号采集电路与PCI总线之间具有2 500 V DC的光电隔离能力，再次确保切断现场干扰传入核心控制器的途径，提高了控制系统可靠性，同时保障了人身安全。

为消除现场可能的共模干扰的影响，数据采集卡采取差分输入方式。3个线电压通过信号调理板输入数据采集卡0-1/2-3/4-5这3个通道；电流信号通过信号调理板输入数据采集卡6-7/8-9/10-11这3个通道；就地控制系统电源电压通过信号调理板输入数据采集卡12-13通道。

5 就地控制系统后备电源

正常情况下，就地控制系统的控制电源由 380 V/690 V升压变压器的低压侧提供。当变压器或者线路原因造成电源出现异常时， UPS作为就地控制系统的后备电源以确保其在停电时能够及时向中控室发出告警信息。UPS功率和容量的合理设计是保障上述功能得以实现的关键。

本文就地控制系统主控制器额定功率40 W，显示器额定功率35 W，考虑光端机、数据调理电路、数据采集卡等部件，控制系统功耗，就地控制系统总功率不大于100 W。如设置显示器平常关闭，则控制系统总功率不大于65 W。考虑到负荷切换时可能的冲击电流，实际UPS选型时额定功率不低于500 W。经过筛选，UPS采用APC公司的APC SUA 750 ICH，其供电时间与负荷大小的关系曲线如图9所示。

图9 UPS负荷-时间曲线Fig.9 Load-operation duration curve of UPS

从图9可知，UPS在负载100 W情况下可以持续工作约50 min，在负载65 W情况下可以持续工作约80 min。即就地控制系统断电后，在就地控制系统向风电场中控室集控后台发出断电告警信息后，至就地控制系统掉电停机前，有50 min以上的时间供现场值班人员检查和处理电源故障。

6 结 论

(1)风储系统的控制系统主控制器采用无风扇工业控制计算机兼顾了控制系统通用性、灵活性和可靠性的要求。

(2)信号测量通过传感器隔离、信号隔离调理和数据采集卡隔离实现信号的三级隔离以确保设备和人员的安全性。

(3)电压电流信号传感器、信号调理的设计选型基于允许电压波动范围和历史电流记录数据，保证了信号的有效和准确测量。采样频率的选择也考虑到了大功率风电系统开关纹波的影响。实际信号测试验证了信号调理电路的良好的频率特性。

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(编辑 蒋毅恒)

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

张敏吉(1979)，男，硕士，工程师，主要研究方向为光伏、储能技术等；

梁嘉(1984)，男，硕士，工程师，主要研究方向为光伏、储能集成应用技术等；

孙洋洲(1969)，男，教授级高工，主要研究方向为电化学、储能电池技术等；

李强(1977)，男，博士后，主要研究方向是清洁能源、CO2减排技术等；

凌志斌(1976)，男，副教授，主要研究方向为新能源发电、电池储能技术等。