风储能量管理系统的信号采集设计

梁 嘉，张敏吉，凌志斌

(1.中海油研究总院 新能源研究中心，北京 100028；2.上海交通大学 电气工程系，上海 200240)

风储能量管理系统的信号采集设计

梁 嘉1，张敏吉1，凌志斌2

(1.中海油研究总院 新能源研究中心，北京 100028；2.上海交通大学 电气工程系，上海 200240)

风电场储能互补设备的能量管理系统需要风机功率数据进行控制策略的运算，其中的功率平滑、调压、调频等策略对风机功率采集的实时性和精确性要求较高。一种高速率风功率采集方案可以更加精确的采集风机相关数据信息。该方案采用研华PCI-1713U数据采集卡进行数据采集，采用电压互感器进行信号调理，功率算法基于瞬时有功和无功功率数据信息，采用Labview软件编程。经现场试验，该方案可以达到秒级精确采集风机功率的目的，三级电压隔离能够保证人身安全，具有一定的实用价值和参考意义。

风储互补；信号采集；隔离；瞬时无功功率

0 引言

近年来随着国家大力提倡发展清洁能源的号召，风电得到了快速发展。但是由于风能的随机性和间歇性，风电机组的出力时常频繁波动，可靠性差。[1-2]有数据显示，我国风电装机有近30%～40%风电没有并网。将大规模的电池储能系统和风电机组进行联合，可有效抑制风电出力波动，减少弃风。

风储互补系统的控制策略通常包括正常运行时的削峰填谷、计划跟踪、平滑功率和应急运行时的调频和调压[2-3]。其中，平滑功率、调频、调压等都对实时性要求高，需要获取秒级甚至毫秒级的风机功率数据，所以在设计风储互补系统时，需要专门设计风机功率采集方案，以满足控制策略需求。

本文根据内蒙某风电场的实际情况，设计了风储系统的风功率采集系统，给出了具体的选型方案。功率计算算法设计上以瞬时功率为基础，提供了精确的有功和无功功率计算方案。我们采用Labview进行设计和模拟。目前该采集系统已在内蒙某风场的风储互补系统中应用，具有良好的效果。该方案具有计算速度快、得到的风功率波形精确等特点，具有一定的应用价值。

1 硬件设计

内蒙某风电场采用华锐1.5 MW双馈风力发电机组。风机通过690 V/35 kV升压变接入电网。风机电压的采集可以通过升压变低压侧的电压互感器进行采集，电流传感器需要自行设计。由于操作人员会直接接触能量管理系统等设备，所以数据采集系统应重点考虑操作人员人身安全问题。在本设计中，电压和电流传感器具有电压隔离作用；信号传输线路采用带屏蔽的电缆，信号调理板采用电压传感器进行信号处理，也具备隔离保护作用；数据采集卡也具有电压隔离。这三级保护确保了操作人员的人身安全和能量管理系统低压设备的安全。

1.1 数据采集卡设计选型

内蒙某风电场采用华锐1.5 MW双馈风力发电机组，为了测量该风机的功率，需要精确测量其三相电压和电流的波形，每个工频周期的采样点数应达到32以上，所以数据采集卡的采样频率通常要达到1.6 K以上。风机通过690 V/35 kV变压器接入电网，变压器低压侧电压为690 V，则数据采集卡应具有2 000 V以上的电压隔离，以保护工控机和操作人员免受高压电的损害。

本采集系统的数据采集卡采用研华PCI-1713U数据采集卡该数据采集卡为12位模拟输入，可以满足采集数据精度的要求。其拥有32个通道，支持32路单端输入或16通道差分输入，且各通道之间可单独设计输入方式。根据现场实际情况需要测量风机的两个线电压和三个相电流，共需5路输入，可以满足。其最高采样频率可以达到100 Ksample/s，可以满足采样速率的要求。其具有2 500 V的电压隔离，可以满足设备保护的需求。此外，该数据采集卡支持±10 V，±5 V，±2.5 V，±1.25 V输入，并且各个通道可通过软件编程的方式选择各异的输入电压范围。

1.2 传感器设计选型

风机的电压可以通过变压器内部的电压互感器进行测量。风机变压器内的电压互感器为V型接法，变比为690/100，可以得到风机的两个线电压Uab和Ucb。

风机的额定功率为1.5MW，则风机升压变的低压侧额定电流有效值可以达到1 255A，峰值可以达到1 755A。因此选择电流传感器时，其额定电流应该至少为1 775A，且留有10%到20%的裕量。为了便于现场安装，应采用开口式的电流传感器。综合上述各个因素，电流传感器采用额定电流为2 000A的霍尔电流传感器，测量范围达到±3 000A，额定电流对应输出电压为±4V，可以满足电流的测量。

1.3 电压信号调理电路设计

考虑信号调理板与EMS工控机的电源应保持一致，PCI-1713U数据采集卡的输入信号电压设置为±5 V。

电压互感器的输出电压为100 V，显然不能直接输入数据采集卡进行测量，需要经过适当的衰减处理才能输入到数据采集卡的输入端。因为风电场电压波动性大，为了确保在风电场电压最高时也不会使得电压输入信号超过数据采集卡的量程，我们将设计信号调理电路的电压互感器变比定为120/3.53。3.53 V的工频交流电压峰值为5 V，因此该原/副边电压设计可以确保在风电场电压波动时，数据采集卡仍可以实现对电网电压进行有效和精确的测量。电压互感器也能起到现场信号与数据采集卡内部弱电电路的隔离作用，有利于设备和人身安全。

为最大程度的避免信号干扰，确保信号的完整性，数据采集卡的工作方式设置为双端差分输入。电压信号的调理隔离电路如图1所示。

图1 电压信号隔离电路

电流传感器的额定电流为2 000 A，对应输出电压4 V。当风机升压变处于额定电流运行时，电流传感器对应的输出为交流2.51 V、同样考虑20%的裕量，以及实现现场信号与数据采集卡内部弱电电路的隔离的目的，设计上选择首先对传感器的输出电压信号进行跟随，以增强信号驱动能力，再进行隔离放大的方案。具体电路原理如图2所示。

图2 电流信号隔离电路

1.4 电压信号调理电路测试

通常来说，电网电压不可避免地存在着谐波成分，风电机组和储能系统的输出电流中也存在着电流谐波，信号调理电路应能无畸变地传输真实的信号。电流信号经过运放跟随后再经由互感器隔离传输，电压信号直接通过电压互感器隔离传输，运放的选择可以保证对电流信号的无畸变传输。因此，互感器的频率特性就成为信号调理电路能否无畸变传输信号的关键。

在电力系统中，仅存在奇次谐波电压和谐波电流，而关注的谐波一般在21次以内。如图3所示，为了测试互感器对谐波的变换情况，用信号发生器给3∶3.53的互感器输入幅值为4.22 V，频率为150 Hz、250 Hz、350 Hz、450 Hz、550 Hz、650 Hz、750 Hz、850 Hz、950 Hz、1 050 Hz的正弦交流信号来模拟3、5、7、9、11、13、15、17、19、21次谐波的波形。测试得到的3、11、21次波形如下，其中为幅值较小(1号)的是互感器输入信号，幅值较大(2号)的为互感器输出信号。

图3 谐波变换情况

可以看出，经互感器变换后的波形没有畸变，与变换前相位一致。图4是现场采集到的风机电压和电流波形。其中，幅值较小的三个波形1、2、3是三相电流波形，幅值较大的两个波形4和5是电网电压。可以看出，电网电压波形比较好，而电流波形则有较多的谐波和开关频率成分。通过上述测试可以看出，本设计可以实现对关心的工频及谐波的真实波形的检测。

图4 风机的电压和电流波形

风储系统的信号采集电路从现场采集数据并传输到控制系统，故不仅需要实现对信号的准确测量，还需要强的抗干扰能力和感应雷防护能力。

如图5所示，本项目设计中采用三级隔离实现抗干扰和对核心控制设备进行防护。

图5 三级隔离防护

上述各个电气区域中，最大的区域长度为不超过30 m，如此将感应雷引起的过电压降低到最低。同时配合瞬态二极管的保护，有效提高了系统的可靠性。

2 有功功率与无功功率计算

由前述可知，本采集系统采集到的风机电压信号为两个线电压和三个相电流，即：Uab,Ucb,Ia,Ib,Ic。由于变压器低压侧采取三相三线制接法，所以实际上还可以得到另一个线电压Uac。

有功功率的算法比较成熟，通过测得的两个线电压和三个相电流，可以通过“两表法”进行计算，即：

(1)

非正弦信号的无功功率的计算目前尚未有定论，常用的算法有均方根算法、数字移相法、傅氏算法等，但这些算法对于非正弦信号的无功功率的测算，误差很大。此外这些算法通常要求相电压进行计算，而在无法确定中性点的情况下，凭借三个线电压无法获取风机的相电压。

(2)

可以通过PARK变换将三相电压和电流转换到旋转坐标系中[5-8]。即：

(3)

(4)

将(3)、(4)代入(2)，可得：

ic(ub-uc)=iauab+icucb

(5)

则有功功率：

(6)

与式(1)一致。

(7)

无功功率：

(8)

可以看出，瞬时无功功率算法只需获取风机线电压和相电流即可进行无功功率的计算，能够凭借采集卡得到的现有数据进行无功功率计算。

3 软件设计

目前，高速数据采集系统的设计主要是基于VC、VB等编程语言，虽然这些语言灵活性好，执行效率高，但在实时绘图方面的实现难度也较大，对采集到的数据分析梳理还须借助其他工具进行，而使用Labview软件编程可以解决上述问题。Labview是图形化的编程语言，特有的图形控件可以直接将输入数据以图形方式显示。此外，Labview还提供了大量的信号处理函数和高级信号分析工具，可以直接对输入的信号进行分析和处理[9-10]。

研华的PCI-1713U数据采集卡支持使用Labview进行编程，提供了一系列的操作模块，并配以相关的例程，便于入门。

本采集系统的流程图如图6所示。

本采集系统采用差分输入以提高精度，输入设置为±5V。设置采样频率为10kHz，每秒采样点数2 000个，根据周期数可以调整计算有功功率无功功率所用的点数。有功功率和无功功率的算法采用式(1)和式(8)的计算方法。

图6 采集系统流程图

经现场测试，该系统能够每秒计算一次风机的有功功率和无功功率，作为控制策略的输入。实际测量效果如图7所示。

图7 采集系统实际测量结果

4 结论

本文设计了一种适用于风电场储能现场恶劣环境下数据采集的方案，该方案具有以下特点：

(1)硬件设计选型注重操作人员安全，通过传感器、调理板和采集卡的三重隔离保证人员和设备安全；

(2)硬件设计能够保证采集到的信号可靠性，

调理板采用的电压互感器能够保证21次以下谐波不发生信号畸变；

(3)无功计算方法采用瞬时无功功率算法，在只有风机线电压和相电流的情况下进行无功功率计算。

该方案已在风储互补系统中成功应用，该风储互补系统自2015年4月投运后，在现场运行良好。该设计和思路可供相关的应用设计参考。

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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

冯明(1990-)男，硕士研究生，研究方向为电力系统运行与控制; 熊炜(1972-)，女，副教授，研究方向为配电网经济运行。

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.05.007

2016-12-08。

TK82

A

1672-0792(2017)05-0035-05