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開放式儲能控制系統(tǒng)平臺
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開放式儲能控制系統(tǒng)平臺
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開放式儲能控制系統(tǒng)平臺
新型電力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺
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方案介紹
一、儲能系統(tǒng)的意義
隨著全球能源供應(yīng)的緊張和全球氣候的變化以及環(huán)境的污染，越來越多的國家認(rèn)識到新能源的重要性，都在大力發(fā)展新能源發(fā)電，尤其是風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等。由于太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等清潔能源發(fā)電由于其在開發(fā)利用中對環(huán)境污染小和取之不竭的優(yōu)勢，受到了極大的關(guān)注。但是，可再生能源發(fā)電的功率輸出具有波動性和隨機(jī)性的特點(diǎn)，風(fēng)能和太陽能受天氣條件和地理環(huán)境影響比較大，因此風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)也帶來不少缺陷。大規(guī)模的分布式發(fā)電并網(wǎng)，其過來輸出功率的波動性嚴(yán)重威脅到了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。
儲能系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，它可以做到削峰填谷，即儲能系統(tǒng)在負(fù)荷低谷時吸收系統(tǒng)中多余的電能進(jìn)行儲存，在高峰負(fù)荷時把存儲的電能釋放供給系統(tǒng)負(fù)荷，有效的消除了晝夜間的峰谷差值，一方面保證了供電的可靠性和運(yùn)行的穩(wěn)定性，保證了良好的電壓質(zhì)量，另外也解決了因高峰負(fù)荷需要的輸電線路投資大的問題。
目前，對于風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電等分布式發(fā)電接入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的儲能系統(tǒng)，國內(nèi)外對此已經(jīng)有了廣泛的研究與應(yīng)用，采用機(jī)械儲能、超級電容器儲能、蓄電池儲能等儲能技術(shù)來控制分布式發(fā)電并網(wǎng)穩(wěn)定性、電力系統(tǒng)電壓質(zhì)量以到達(dá)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。
二、系統(tǒng)總體方案闡述
研旭復(fù)合儲能半實(shí)物仿真系統(tǒng)既適用于基礎(chǔ)的本科教學(xué)、實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)（參見下文二、教學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)），又適合于科研進(jìn)階研究，提供相關(guān)科研算例數(shù)據(jù)（參見下文三、科研進(jìn)階成果）。
儲能系統(tǒng)平臺主要包括以下部分：
a)儲能DC-AC雙向變流器（PCS）
b)雙向DC-DC變流器
c)磷酸鐵鋰電池組
d)超級電容組
e)電池/超容管理系統(tǒng)（BMS）
f)超級電容管理系統(tǒng)（CMS）
g)快速原型控制器YXSPACE
h)可編程負(fù)載（選配）
2.1 儲能DC-AC雙向變流器（PCS）
儲能逆變器是整個微電網(wǎng)系統(tǒng)的核心設(shè)備，是應(yīng)用在儲能環(huán)節(jié)，以雙向逆變?yōu)榛咎攸c(diǎn)，具有一系列特殊性能、功能的并網(wǎng)逆變器。能有效調(diào)控電力資源，能很好地平衡晝夜及不同季節(jié)的用電差異，調(diào)劑余缺，保障電網(wǎng)安全。是可再生能源應(yīng)用的重要前提和實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)互動化管理的有效手段。
PCS特點(diǎn)：
1 正常運(yùn)行狀態(tài)下的功率跟蹤
實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)正常運(yùn)行狀態(tài)下的功率跟蹤， 實(shí)現(xiàn)電池的充放電管理及指定的微電網(wǎng)與主網(wǎng)的功率交換。
2 孤島運(yùn)行方式下的標(biāo)準(zhǔn)源
微電網(wǎng)由并網(wǎng)轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行方式下，支撐系統(tǒng)能夠提供參考電壓和頻率，實(shí)現(xiàn)各電源間的功率平衡分配，保證孤島系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，提供抗短時沖擊能力，平滑供電，儲能，消峰填谷。支持不間斷并網(wǎng)到孤網(wǎng)模式轉(zhuǎn)換。
3同期并網(wǎng)
微電網(wǎng)由孤網(wǎng)轉(zhuǎn)為并網(wǎng)時，支撐單元能夠跟蹤主網(wǎng)電壓與頻率，帶動微電網(wǎng)系統(tǒng)無縫并入主電網(wǎng)
4 可根據(jù)當(dāng)?shù)刎?fù)載對逆變器進(jìn)行相應(yīng)的時隙控制，直流軟起功能，保證儲能裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，恒功率放電和恒流、恒壓充電策略。
5 可以工作在并網(wǎng)逆變運(yùn)行模式，亦可工作在儲能充電工作模式，能夠根據(jù)微電網(wǎng)控制系統(tǒng)的指令輸出有功和無功功率；
6 當(dāng)公共電網(wǎng)恢復(fù)正常時且接到孤網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)指令后，自身完成由孤網(wǎng)運(yùn)行模式向并網(wǎng)運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過程造成的脫網(wǎng)時間≤20ms；當(dāng)公共電網(wǎng)掉電或者異常時，自動切換至孤網(wǎng)運(yùn)行模式，完成由并網(wǎng)運(yùn)行模式向孤網(wǎng)運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)換，該模式轉(zhuǎn)換時間≤20ms；
2.2 磷酸鐵鋰電池模組
磷酸鐵鋰電池由128組3.2v50AH鋰電池模塊組成，一共分為1組，由128個電池串聯(lián)。共20KWh，直流電壓400V。
（2）電池BMS管理系統(tǒng)
電池管理系統(tǒng)（BMS）主要就是為了能夠提高電池的利用率，防止電池出現(xiàn)過度充電和過度放電，延長電池的使用壽命，監(jiān)控電池的狀態(tài)，同時將電池組的各種檢測數(shù)據(jù)傳輸給PCS，供PCS策略調(diào)度時參考。
（3）技術(shù)參數(shù)/指標(biāo)
1）檢測母線電壓、母線電流，電池組電量等基本信息
2）模擬量測量功能：實(shí)時測量蓄電池模塊電壓、充放電電流、溫度和單體電池端電壓等參數(shù)，并計(jì)算給出蓄電池模塊的SOC值；
3）均衡功能：保證儲能電池的一致性，BMS具有電池模塊內(nèi)部單節(jié)電池間的均衡
4）電池系統(tǒng)運(yùn)行報(bào)警功能；在電池系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)過壓、欠壓、過流、通信異常、異常等狀態(tài)時，可上報(bào)告警信息
5）電池系統(tǒng)保護(hù)功能：在電池系統(tǒng)運(yùn)行時，如果電池的電壓，電流，出現(xiàn)超過安全保護(hù)門限的緊急情況時，可切斷故障，保護(hù)電池。
6）與PCS通訊交互，通訊方式為RS485。
7）實(shí)時電壓顯示，配有7寸工控觸摸屏，可以實(shí)時顯示每塊電池的電壓，溫度采集等參數(shù)。
8）蓄電池組的電氣保護(hù)：過壓保護(hù)、低壓保護(hù)、過流保護(hù)、高溫保護(hù)；
2.3 超級電容模組
超級電容組是由6組48V，165F電容模塊組成，6串1并。孤島運(yùn)行時，可為系統(tǒng)提供瞬間功率支撐；容量10kW.60s，額定輸出直流電壓280V，電流50A。
（2）48V 165F模組參數(shù)
2.4 雙向DC-DC變流器
雙向DC-DC變流器，是將磷酸鐵鋰電池組和超級電容組的直流電進(jìn)行升/降壓，使其接入到400V-800V直流母線上，可實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動，完成儲能系統(tǒng)的充放電，同時可接受中央控制器的調(diào)度和監(jiān)測。
（1）設(shè)備特點(diǎn)
1）全數(shù)字化，各種參數(shù)及信號全部數(shù)字化處理運(yùn)行。性能和可控性均遠(yuǎn)優(yōu)于普通的模擬變換器。
2）能工作于恒流、恒壓、MPPT 和壓控電流源等多種工作模式，并可在線快速頻繁地切換工作模式。
3）模塊帶有液晶屏顯示，可實(shí)時顯示各種參數(shù)。
4）帶 RS485 串口通信功能，遵循 MODBUS-RTU 協(xié)議，方便終端遠(yuǎn)程監(jiān)控其工作狀態(tài)和參數(shù)。
5）各種異常情況保護(hù)功能：帶有過壓，過流，過熱，短路保護(hù)功能，故障撤銷后自動恢復(fù)工作。
2 教學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)——儲能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)列表：
1）儲能系統(tǒng)整體原理認(rèn)知實(shí)驗(yàn)（基礎(chǔ)）
2）BMS電池管理系統(tǒng)操作實(shí)驗(yàn)（基礎(chǔ)）
3）雙向DC/DC恒壓放電控制實(shí)驗(yàn)（研究）
4）雙向DC/DC恒壓充電控制實(shí)驗(yàn)（研究）
5）雙向DC/DC恒流放電控制實(shí)驗(yàn)（研究）
6）雙向DC/DC恒流充電控制實(shí)驗(yàn)（研究）
7）雙向DC/DC能量自動雙向流動實(shí)驗(yàn)（創(chuàng)新）
8）雙向DC/AC恒流放電控制實(shí)驗(yàn)（研究）
9）雙向DC/AC恒流充電控制實(shí)驗(yàn)（研究）
10）雙向DC/AC恒功率放電控制實(shí)驗(yàn)（研究）
11）雙向DC/AC恒功率充電控制實(shí)驗(yàn)（研究）
12）雙向DC/AC能量自動雙向流動實(shí)驗(yàn)（創(chuàng)新）
13）控制采集板、驅(qū)動功率板等板卡硬件原理（開源）
14）DSP的入門、使用和燒寫實(shí)驗(yàn)（開源）
15）CCS軟件使用（開源）
16）軟件開發(fā)流程講解（開源）
三、科研進(jìn)階成果——復(fù)合儲能功率分配策略案例
1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/strong>
驗(yàn)證復(fù)合儲能對系統(tǒng)中脈沖負(fù)載沖擊的補(bǔ)償作用。
2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
試驗(yàn)系統(tǒng)由模擬柴發(fā)、PCS、可變電阻負(fù)載及鋰電池同超級電容器組成的復(fù)合儲能等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
其中，模擬柴油發(fā)電機(jī)以電壓源模式運(yùn)行穩(wěn)定交流電壓或者直接采用電網(wǎng)，PCS雙向變流器整流模式運(yùn)行，復(fù)合儲能裝置DC/DC變流器采用下垂控制或者恒功率模式運(yùn)行。
3）試驗(yàn)工況
工況一：采用下垂控制對功率波動在復(fù)合儲能之間進(jìn)行分配（主要驗(yàn)證本地控制）
模擬柴發(fā)（或電網(wǎng)）及復(fù)合儲能裝置帶10kW電阻負(fù)載運(yùn)行，并通過在運(yùn)行過程中設(shè)置可變電阻負(fù)載功率由10kW突變至20kw(模擬脈沖負(fù)載)，持續(xù)時間為5s，然后恢復(fù)至10kW。其中，鋰電池和超級電容器均采用下垂控制（下垂系數(shù)通過RCP可調(diào)），觀察在該過程中復(fù)合儲能在負(fù)載變化時的響應(yīng)曲線（主要觀察鋰電池和超級電容器的輸出電流變化曲線和母線電壓變化曲線）。
恒壓模式下負(fù)載變化時母線電壓變化曲線
下垂模式下負(fù)載變化時母線電壓變化曲線
工況二：采用低通濾波器對復(fù)合儲能功率指令進(jìn)行分配（主要驗(yàn)證不同設(shè)備之間的通信）
模擬柴發(fā)（或電網(wǎng)）及復(fù)合儲能裝置帶10kW電阻負(fù)載運(yùn)行，并通過在運(yùn)行過程中設(shè)置可變電阻負(fù)載功率由10kW突變至20kw(模擬脈沖負(fù)載)，持續(xù)時間為5s，然后恢復(fù)至10kW。其中，鋰電池和超級電容器均采用功率控制（負(fù)載變化時功率控制指令可以由同一臺RCP采用低通濾波法分別給出至鋰電池和超級電容器），觀察該過程中復(fù)合儲能在負(fù)載變化時的響應(yīng)曲線（主要觀察鋰電池和超級電容器的輸出電流變化曲線和母線電壓變化曲線）。
負(fù)載變化時鋰電池輸出電流變化曲線
負(fù)載變化時超級電容輸出電流變化曲線
四、快速原型控制器介紹
研旭公司推出的YXSPACE產(chǎn)品系列，能夠?qū)⒂脩粼O(shè)計(jì)的圖形化的高級語言編寫的控制算法（Simulink）轉(zhuǎn)換成DIDO、AIAO量，完成實(shí)際硬件控制。其基本控制框圖如下所示：
控制算法模型一般采用Matlab中的Simulink工具搭建，將模型中的接口與硬件驅(qū)動接口綁定后，再結(jié)合TI公司的CCS編譯工具產(chǎn)生可執(zhí)行文件，下載至YXSPACE控制器中運(yùn)行。
實(shí)物圖片：
YXSPACE獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：
（1）采用目前市面成品常用的控制芯片作為CPU，其仿真結(jié)果針對實(shí)際研究更具有參考性；
（2）在Matlab中設(shè)計(jì)的控制算法自動生成代碼，自動加載到實(shí)時目標(biāo)機(jī)中運(yùn)行，避免了繁瑣的編程和Debug工作
（3）使用門檻低，會Matlab仿真即可完成實(shí)驗(yàn)測試工作，所有測試工作只需一人即可完成
（4）模型與硬件接口鏈接簡單，只需記住端口編號即可，更不用配置硬件各類細(xì)節(jié)，免去一切不必要的麻煩；
（5）性價比高，在同等功能的前提下，YXSPACE成本更低。
（6）具備自主編寫的驅(qū)動庫，可以直接導(dǎo)入到Simulink庫中，用戶可以直接在Matlab軟件中拖動相應(yīng)的硬件元件庫，將模型中的數(shù)據(jù)直接與硬件對接，無需再花費(fèi)時間去查詢硬件映射。8種庫文件，可適用于各種工程調(diào)試需求。
（7）模型轉(zhuǎn)換文件的透明化，用戶可直接查看模型轉(zhuǎn)換后的源碼。
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