一种新型分布式发电系统移动测试电源研制

文 | 周金博，孙俪，王鹏强，蒋文功

（作者单位：威腾电气集团股份有限公司）

风电场或光伏电站经营管理的主要目标是要电量、要效益，开源节流是增加效益的主要手段。开源就是提高风电机组可利用率、上网电量，存在一定客观因素；节流包括降低厂用电率、器件更换维修率等。对于风电场而言，风电机组及相关系统能否短期内完成测试并达到并网条件，直接决定电站收益。

风电场建设中，当风力发电机组及相关系统组装完成后，需对其可靠性、稳定性、安全性进行测试评估，而此时风电场并未接入大电网，无法让整套发电系统（包括控制系统、冷却系统）稳定运行起来。一体化风电机组或光伏电站测试电源，设计目的是在无大电网支撑的情况下进行电网模拟，使得风电并网前的检测实验能够进行。

针对这种需求，本文研制了一款集储能和泄能功能于一体的风力发电机组和光伏发电系统测试电源装置。该电源采用新颖的拓扑结构和先进的控制策略，不仅可以进行四象限运行，实现能量的双向流动，完成风力发电机组和光伏发电系统发电前的静态调试和动态调试，而且可以模拟电网电压和频率的特性，完成风力发电机组和光伏发电系统的电网适应性测试。

主电路拓扑及工作原理分析

一、主电路拓扑

如图1所示，风力发电机组测试电源主电路由储能单元、功率变化单元、模拟负载（泄放电阻）单元、三相三绕组隔离变压器以及五路交流开关组成。

储能单元包括锂电池和超级电容，功率变换单元由DC/AC变换器和DC/DC变换器组成，DC/AC变换器和DC/DC变换器在主电路直流侧并联，锂电池连接在主回路直流侧，第一、第二交流开关QF1、QF2位于主回路上。锂电池输出的直流电经直流EMI滤波器进入功率变换单元母线。

DC/AC变换器采用三相桥逆变单元，将锂电池输出的直流电逆变为具有额定电压、频率的三相交流电，经LC滤波器及交流EMI滤波器后将交流电送入主回路交流侧的三相三绕组隔离变压器进行电能分配，通过次边两个绕组分别输出380Vac和690Vac三相工频交流电。

图1 主电路拓扑结构

DC/DC变换器由三路交错型双向斩波电路构成，其输出端（未与DC/AC变换器并联的一端）经第四交流开关连接锂电池、经第五交流开关连接超级电容、经第三交流开关连接模拟负载。第三、第四、第五交流开关QF3－QF5的输入侧并联，第四、第五交流开关QF4、QF5输出侧的三路正极分别并联后输出。DC/DC变换器采用带磁耦合电感的LC滤波电路，等效提高了开关频率，大大降低了du/dt，同时减小了模拟负载泄能时母线直流电压的波动，同时减少了电感的噪声。通过第三～第五交流开关QF3～QF5（断路器或接触器）使功率变换单元分时复用，实现储能单元充放电（包括储能单元首次充电）和模拟负载泄能分时进行。

图2 测试电源接风电机组时原理图

图3 DC/AC离网模式双闭环控制框图

二、工作原理分析

本文设计开发的电源用于风电场接大电网之前的风电机组系统调试工作，包括变桨和偏航系统的调试、风电变流器的小功率并网测试，以及整机的系统调试工作等。完成调试的初始能量由锂电池和超级电容器组提供，当风电机组发电能量反灌时给储能单元充电，为防止反灌能量出现“供”大于“求”，模拟负载提供泄能通道。

该电源接风力发电机组时系统原理如图2所示，测试风力发电机组小功率并网发电时，当风电变流器网侧启动开始，闭合第五交流开关，通过超级电容为风电变流器提供冲击性能量；当风电变流器网侧启动成功后，断开第五交流开关；当风电机组启动后开始能量反灌时，通过主回路给锂电池充电，充满后闭合第五交流开关给超级电容充电，充满后如果还有多余能量，断开第四交流开关和第五交流开关，同时闭合第三交流开关，利用模拟负载泄放多余的能量。当风电变流器反灌过来的功率大于电池的充电功率时，保持第四和第五交流开关断开，同时闭合第三交流开关，通过改变DC/DC占空比来调节泄放功率，从而使得反灌功率与充电功率、泄放功率达到平衡。

该测试电源系统的创新之处在于：

（1）储能单元与模拟负载通过功率开关并联，集储能与泄能于一体，在被测试系统没有接入大电网之前提供能量支撑和能量存储，当系统负载发生能量反灌时提供泄能通道，并且通过对DC/DC所接模拟负载的电流和功率控制，实现对储能单元充电电流和功率的控制。

（2）超级电容通过双向DC/DC变换器与锂电池并联，实现高能量密度特性和高功率特性的完美统一，大大增强了系统的波动性负载适应能力。

（3）采用三路DC/DC作为三路模拟负载的开关，实现了模拟负载的分时切入，等效开关频率大为提高，为单路的三倍，能更好地实现电流和功率的瞬时和稳态控制，同时降低了单路电阻负载的功率，有助于散热系统的设计，提高了经济性能。

（4）Buck/Boost电路与模拟负载放电回路共用三路DC/DC开关，通过交流开关实现其分时复用，减少了DC/DC滤波器和IGBT的使用数量，节约了成本。

（5）功率器件直流侧、交流侧均有EMI滤波器，有效减小高频分量对输出电能质量的负面影响，抑制电磁干扰对控制系统的影响。

（6）DC/DC输出侧采用带共模电感的耦合电感，以交错方式运行，从而在共模电感（直流滤波电感）不变的条件下，使得差模均流电感增大，总的电感尺寸降低；使用交错式方法运行，提高了耦合电感的等效开关频率，使得电感工作时产生的噪音降低。

控制策略及测试实验

与主电路对应的控制部分包括DC/AC和双向DC/DC两部分的控制。

DC/AC部分采用三相逆变桥结构，在并网充放电时采用PWM控制实现四象限运行，在离网接风电机组输出变压变频的三相交流电时采用基于电压和电流瞬时值的双闭环控制方式，此方式不仅可以满足高性能指标的要求，还可以使系统提高响应速度，增强稳定性。在电流内环中引入电流前馈加快逆变器动态响应速度，增强对非线性负载扰动的适应能力，并且减少输出电压的谐波含量。图3为双闭环控制框图。

逆变器引入反馈控制，因此需要采用A/D转换器以及其他各种检测元件，但实际中A/D 转换器和检测元件存在零点漂移， 且功率管不一致的特性均会使 SPWM 波形正负不对称，使得逆变器输出电压含有直流分量， 对逆变器本身及用电设备造成一定的危害 ，故需要考虑在系统中引入对直流分量的抑制。 对输出电压一个周期T内的平均值进行积分，即可得到该周期的直流分量：

图4 锂电池双向DC／DC双闭环控制框图

图5 超级电容双向DC／DC双闭环控制框图

图6 测试电源控制结构图

随后，将给定值与Uodc进行比较，其误差经PI调节器调节，作为下一周期输出电压的直流分量修正值，修正值与原调制信号相加即为PWM的调制信号。

双向DC/DC部分为非隔离型Buck-Boost双向变换器，为了实现低压侧超级电容器和锂电池与直流高压之间的能量双向流动且保持高压侧电压恒定，因此锂电池外接DC/DC部分采用双PI控制结构，外环高压侧给定值Udcref与实测值Udc的偏差经PI调节器输出高压侧电流控制信号Idcref，电流环的输出经PWM脉宽调制控制DC/DC变换器。由于锂电池组的输出电流不能突变，为了弥补这一缺陷，超级电容采用单电流环控制，电流环的电流给定Idcref2为系统实际的输出电流减去锂电池的最大输出电流的差值。锂电池和超级电容系统控制框图如图4和图5所示。

整套电源系统控制结构如图6所示，FPGA的作用是对电流、电压的采集，输入信号逻辑处理及各种逻辑保护、接口处理；DSP 的作用是对DC/DC和DC/AC变换器控制算法的处理，上位机之间的通信，以及电流、电压传感器采集到的电流、电压信号经 A/D模块转换后送入 FPGA，随后，FPGA对采集信号进行逻辑处理后送入DSP，通过软件编程实现对测试电源的控制策略，最后将各种电压、电流、频率及故障报警信号通过在DSP上显示并同时传输给上位机。

该测试电源系统于2016年11月在甘肃武威周家井风电场完成了2.2MW直驱风电机组的系统静态和动态调试，测试波形如图7所示，测试电源输出稳定的690V三相交流电源给2.2MW风电机组主控系统和变流器弱电系统提供电源完成静态调试，图8为动态调试时风电变流器发出的电能通过测试电源一部分用来给测试电源储能系统进行充电，剩余能量通过泄放电阻泄放掉。

图7 风电机组静态调试时测试电源输出电压和电流波形

图8 风电机组动态调试时测试电源输出参数和电压波形

摄影：李新星

结论

本文介绍了一种适用于风电场和光伏电站的移动测试电源，该电源采用新颖的拓扑结构和先进的控制策略，不仅能完成风力发电机组发电前的静态调试和动态调试，而且能模拟电网电压和频率的特性，可以满足2MW及以下功率的风电机组和1MW及以下功率的光伏发电系统在接大电网之前的系统调试以及小功率并网测试。该产品目前在北京航天万源甘肃武威周家井风电场的应用结果表明该产品在无大电网支撑的情况下，通过自身的储能功能和负载模拟吸收功能，大大加快了整个风电场的静态调试和动态并网调试的进度，具有很强的实用性。对于更大功率的测试电源和光伏电站的应用，这里的分析所得结论同样适用，可以作为分析和设计参考。