离网型风光储系统测试平台研究

林云松 吴 琪 徐正华 雷 凯 徐传进

(东汽投资发展有限公司， 四川 德阳， 618000)

离网型风光储系统测试平台研究

林云松 吴 琪 徐正华 雷 凯 徐传进

(东汽投资发展有限公司， 四川 德阳， 618000)

文章阐述了一种离网型风光储混合动力发电系统测试平台的搭建方法，并提供了一些简单的测试流程。试验证明，采用这样的测试平台，可以确定测试流程，简化测试步骤，提高测试效率和测试精度。同时，也为实现离网型风光储互补系统的全自动化测试提供了设计思路和设计平台。

离网发电系统；混合动力发电；测试平台

1 背景

离网型风光储系统是由小型风力发电和太阳能发电互补构成，有效地弥补了风电和光电独立系统在自然资源上的缺陷，是解决我国偏远地区缺电问题的有效方法，是提高人民生活质量、为广大无电和少电地区解决电力困难的有效手段。随着电能在生活中日益重要，风光储发电系统的应用也在不断扩大， 对质量的要求也更高[1]。 离网型风光发电系统经常用于偏远地区，维护不便，如何有效提高离网型风光储互补发电系统工作稳定性，保障用户用电安全、稳定，是生产厂家面临的一大难题。本文提出了一种检测平台搭建方案，可以对离网型风光储系统的性能进行全方面检测，有效提高产品出厂质量，保障用户利益。

2 风光储系统数学模型搭建

2.1 小型风机数学模型搭建

风力发电机的发电量不仅与风机安装高度和安装地风速有关，还与风机本身的风功率曲线有关。 如图1 为某系列两种型号 （600W、 1000W）的小型风力发电机组产品的功率输出特性曲线。

图1 小型风力发电机功率曲线

由图1可以看出，风力发电机的输出功率与风速存在一定对应关系，但又不能以简单的函数进行对应，因此采用多段的最小二乘法进行函数拟合[2]， 则风机的输出功率可表达为：

式中： Pw（ν）—风速为 v 时风机输出功率；

ν—风速；

Vs—风力发电机启动风速；

Vf—风力发电机切出风速。

2.2 太阳能电池模型的搭建

当太阳能入射功率一定时，太阳能电池输出电压和电流与输出功率存在一定对应关系，如图2所示。

图2 标准辐射下太阳能电池输出

因此，对太阳能输出功率，可以分为两个阶段，即：

·输出电压在最大功率点以下，太阳能电池输出功率随电压升高而增大，可用比例函数进行拟和。

·输出电压在最大功率点以上，太阳能电池输出功率随电压升高而快速减小，可用最小二乘法进行拟合[3]。

按照太阳能电池功率输出图，可将太阳能电池做以下拟合：

式中： Ps（v）—太阳能电池输出功率；

Vpmax—最大功率点电压；

Vmax—太阳能电池开路电压；

K1， K2， K3—相应系数。

2.3 储能电池模型搭建

蓄电池作为系统的储能设备，除了改善电能质量外，更大的作用是改善用电供需平衡，在系统中，蓄电池组主要分为以下状态：充电状态、放电状态、电量静止状态。

充电状态：当蓄电池电量不满，并且输入电能大于输出电能时，电池进入充电状态。此时，蓄电池充当用电设备，消耗直流母线上的电能。

放电状态：当蓄电池电量不空，并且输入电能小于输出电能时，电池进入放电状态。此时，蓄电池充当电源，为直流母线提供电能。

电量静止状态：当输入电能等于输出电能，或蓄电池进入欠压保护状态，电池进入电量静止状态。该状态下，可以认为电池对系统无任何影响。

3 系统测试平台的部件

为了适应大规模生产，更方便、快捷地测试系统性能，可以建立一套离网型风光储测试系统，用于对整个系统的专业测试。

3.1 风机部分测试

对于小型风力发电机， 从式 （1） 可以看出，它是随着风速的不同，而输出不同的功率。在测试中，风速是一个不稳定量，我们无法找到一种很好的控制方法进行检测量的施加。但是，按照贝兹理论，一台实际风机所捕获的风能转变为机械输出功率的表达式为：

式中： ρ—空气密度；

R—风轮半径；

V—风速；

Cp—风能利用系数。

从式 （3） 可以看出， 当风机型号确定， 安装地点确定，风机捕获的机械功率与风速成一一对应关系[4]。 因此， 可以通过为风力发电机施加特定的机械功率，测试风机的各项性能指标，即采用电动机带动风力发电机，进行性能分析。

3.2 太阳能电池的测试模拟

对于太阳能电池，可以由太阳能电池生产厂家完成测试，但对于风光储发电系统的控制逆变器，则需要太阳能电池的输入作为测试激励。太阳能电池的输入状态与日照强度有关，为了测试控制逆变器的性能，需要测试在各种输入情况下的工作状态，因此需要采用特殊的设备模拟太阳能电池，作为测试输入。

按照式 （2） 中的拟和函数， 可以设计模拟输入电路如图3所示。

图3 太阳能电池模拟电路

图3 中， 由直流电流源 it大于太阳能电池的短路电流， 稳压管 VD1略大于额定最大功率点电压，小于太阳能电池开路电压。

3.3 蓄电池的测试模拟

我们知道，蓄电池主要有三个工作状态。电量处于静止状态，对于系统测试没有影响，因此在系统测试中，我们主要考虑充电和放电两种状态。

在对蓄电池的充电中，主要分为恒流充电和恒压充电两个阶段。在恒流充电中，保证输入电流不变，输入电压随着电池电量的增加而提高，保证充电效率。在恒压充电阶段，保证输入电压不变，随着电池电量的增加，充电电流减小，保证电池的充电安全。

在测试过程中，电池的充电状态，对于系统来说，相当于接入用电器耗费从风机和太阳能的输入电量，因此考虑采用接入可调纯电阻进行模拟。当电阻阻值较小，电阻两端电压较低，控制逆变器检测到压差时，认为蓄电池处于较低电压，会输入比较大的电流，以保证充电效率。此时可测量输入电流大小，作为系统测试依据。调大电阻，电压上升，当电压上升到一定阶段时，可模拟电池将要充满电能，进入恒压充电阶段。测试其浮充电压等。

电池的放电状态时，电池对系统提供电能，此时可采用可调电压源模拟电池，作为输入。在系统中，调节输入电压，可模拟电池过压和欠压等，作为系统测试的重要指标。

4 系统测试平台和流程

4.1 系统测试平台

对每个部件进行模拟和测试是对整个系统测试的第一步。为了更好提高测试精度和测试效率，需要为整个系统设计测试流程，并搭建测试平台。图4为试验平台整体搭建结构图。

图4 离网型风光互补系统测试平台结构图

系统采用断路器做连接控制，将控制逆变器接入后，通过改变断路器状态，可以调整测试电路，调节仪器的输入和用电器的输出，并测量相关量，可用于计算系统的整体性能，达到快速、准确、方便地对系统进行测试。

4.2 系统测试流程

在整个系统的测试中，需要测量各种不同的测试量，并且完成各种测试 （如欠压、 过压、短路保护等）。 因此需要在测试过程中， 按照测试流程，搭建不同的测试电路，以完成所有测试。本文主要设计测试平台，并完成简要的一些参数的测试，因此设计测试流程如图5所示。

图5为测试充电参数和输出电能的测试流程。主要分为部件连接、输入测试、测试电路建立、相关参数测试等几大部分。在初期测试中，可以人工控制测试电路建立，然后通过人工读表等方式，实现系统参数测量。在进一步的工作中，可以方便地使用程序控制继电器等方法实现测试电路的自动建立，采用工作计算机读回测试仪器数据，利用计算机软件控制测试流程，更有效地提高测试效率，减少劳动强度。

图5 系统充电和输出电能测试流程图

5 结束语

本试验系统经过初步测试，可以对系统的多个参数进行测试，有效地提高了产品验证速度和精度。是对离网型风光储互补系统进行测试的比较好的测试架构方案。对提高生产效率，杜绝不合格产品，可以起到比较好的作用。

参考本试验系统，可以采用高自动化仪器设备， 通过 GPIB 口控制各种测试用设备， 采用继电器等器件自动搭建测试回路，实现全自动化流水线式测试。

[1] 赵晶,赵争鸣,周德佳.太阳能光复发电技术现状及其发展 [J]. 电气应用,2007,26(10):6-10

[2] 李品,刘勇前,郭伟钊.离网型风光储互补发电系统优化设计方法研究 [J]. 现代电力,2010,27(6):51-61

[3] 茆美琴,余世杰,等.风光符合发电系统结构仿真建模研究 [J]. 系统仿真学报,2003,15(3):361-364

[4] 谈蓓月,杨金焕,李康弟.改进风/光互补发电系统优化设计的新方法 [J]. 华东电力,2005,(12)

Research of Test Platform on O ff-grid W ind-PV-ES System

Lin Yunsong,Wu Qi,Xu Zhenghua,Lei Kai,Xu Chuanjin
（ Dongqi Investment&Development Co.,Ltd.Deyang Sichuan 618000）

This paper describes amethod for off-grid wind-PV-ES hybrid power system testing,and provides some simp le testing processes.In this test platform,the testing process is clearer,the testing procedure is simplifier,the testing efficiency and testing accuracy are higher.In addition,this paper provides good design ideas and design platforms for fully automatic test of off-grid wind-PV-EShybrid power system.

off-grid power generation system,hybrid power system,test p latform

林云松 （1985- ）， 男， 工学硕士， 2010 年毕业于电子科技大学检测技术与自动化装置专业， 现主要从事太阳能光伏产品研发工作。