CN102394498A - 双馈风电场电压测量的单片机数字滤波装置 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种双馈风电场电压测量的单片机数字滤波装置，包括：主要采集机端电压信号，并将该信号调理为单片机系统可采集的电压信号的信号采集调理电路；对调理后的电压信号进行采集，并根据数字滤波算法对数据进行滤波并输出的单片机；以及对单片机输出的电压信号进行调理并输出的信号输出调理电路。本发明可以有效的提高电网的质量，单片机与数字滤波相结合的信号测量装置与现有的PLC测量模块相比，有效的降低了噪声对测量的影响，提高了电压测量精度；机端电压反馈信号测量精度的提高，有利于提高电压协调控制的精度；单片机与数字滤波相结合的信号测量装置，成本低，编程灵活，实施效果好。

Description

双馈风电场电压测量的单片机数字滤波装置

技术领域

本发明涉及一种风力发电领域，特别是涉及一种双馈风电场电压测量的单片机数字滤波装置。

背景技术

近年来随着风力发电不断地发展，风电场装机容量逐年上升，风力发电所占的比例越来越大，尤其是在欧美的一些发达国家，风力发电所占电网供电比例已经非常高，如丹麦已经超过了20％，逐渐成为了一种常规能源。因此积极发挥风力发电的优势，将有利于电网质量的提高。在传统电厂的无功调节中，往往通过投放SVC(Static Var Compensator静止无功补偿器)和SVG(Static Var Generator静止无功发生器)等无功调节设备进行电网的无功调节和电压调节，但是此类设备成本较高，且较难实现动态的投放，不利于电厂电压协调的动态控制。双馈风电机组具有发大容量容性无功和感性无功的能力且便于动态控制，因此，积极发挥双馈风电场风电机组的无功调节能力，实现风电场内部的电压协调控制，有利于提高电网电压的稳定性。在风电场电压协调控制时，为了降低场级控制的复杂程度，提高场级控制效率和精度，首先应该针对每个独立的风机采用电压闭环控制策略，然后再由场级控制器协调控制。

对于每个独立的风机，可以通过采集风电机组机端电压作为反馈信号，然后控制风电机组的发出相应的容性或者感性无功对电压进行闭环调节。然而由于电网的原因，在该闭环控制系统中，风电机组发出较大的无功量只能对机端电压进行较小的电压幅值调节，即前向通道增益较小。同时，对应于反馈通道，机端电压有较小变化时，通过计算得到的无功输入给定变化会很大，即反馈通道增益较大，易造成风电机组无功输入给定出现频繁的大幅值波动，不仅使得电压调节精度降低，而且对风电机组的寿命造成危害。因此，研究合理的软硬件方案，提高反馈低增益信号的测量精度，对于提高风电场电压协调控制的精度以及保护风电机组都有较为重要的意义，同时，低增益信号的高精度滤波测量方法具有较为普遍的推广意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种双馈风电场电压测量的单片机数字滤波装置，使其提高双馈风电场单个风电机组在电压协调控制时的控制精度和稳定性，从而克服现有技术的不足。

为解决上述技术问题，本发明一种双馈风电场电压测量的单片机数字滤波装置，包括：主要采集风电机组机端电压信号，并将该信号调理为单片机系统可采集的电压信号的信号采集调理电路；对调理后的电压信号进行采集，并根据数字滤波算法对数据进行滤波并输出的单片机；以及对单片机输出的电压信号进行调理并输出的信号输出调理电路。

作为本发明的一种改进，所述的信号输出调理电路与参考电压给定构成电压闭环。

所述的单片机采用FIR滤波器。

所述的单片机通过ADC转换器对信号采集调理电路调理后的电压信号进行采集。

所述的单片机通过DAC转换器将经数字滤波后的信号输出。

所述的单片机采用C8051F005单片机。

所述的单片机采用片外25MHz晶振，同时采用片外高精度基准电压2.5V。

所述的单片机片内设置12位ADC、12位DAC。

所述的信号采集调理电路包括：

采集风电机组机端电压信号的电流互感器；

对采集的信号进行光电隔离的光电隔离单元；

对采集的信号进行调理，将信号调理为单片机能够采集的信号并进行保护的输入信号调理单元。

采用这样的设计后，本发明具有以下有益效果：

1、风电场电压协调控制可以有效的提高电网的质量，单片机与数字滤波相结合的信号测量装置与现有的PLC测量模块相比，有效的降低了噪声对测量的影响，提高了电压测量精度；

2、机端电压反馈信号测量精度的提高，有利于提高电压协调控制的精度；

3、单片机与数字滤波相结合的信号测量装置，成本低，编程灵活，实施效果好。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明双馈风电场电压测量的单片机数字滤波装置的单个风电机组电压调节控制框图。

图2是本发明双馈风电场电压测量的单片机数字滤波装置的组成框图。

图3是本发明双馈风电场电压测量的单片机数字滤波装置的FIR数字滤波器波特图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明双馈风电场电压测量的单片机数字滤波装置，主要包括信号采集调理电路、单片机和信号输出调理电路。

其中，信号采集调理电路主要采集风电机组机端电压信号，并将该信号调理为单片机系统可采集的电压信号。

单片机对调理后的电压信号进行采集，然后根据数字滤波算法对数据进行滤波并输出。采用数字滤波算法主要对采集的电压数据进行数字滤波，以降低噪声的影响，提高机端电压信号的测量精度。

信号输出调理电路对单片机输出的电压信号进行调理然后输出。

较佳的，信号输出调理电路对单片机输出的电压信号进行调理并输出后，使之与参考电压量级相当，与参考电压给定构成控制。请参阅图1所示，无功/电压控制器通过计算无功指令，将指令发给变流器，由变流器驱动双馈风电机组发出相应的无功功率调节机端电压。同时，由电压采集滤波单元对机端电压进行采集，并作为反馈信号与参考电压形成电压闭环控制，从而实现机端电压的自动调节。

请参阅图2所示，信号采集调理电路通常包括电流互感器、光电隔离单元和输入信号调理单元。电流互感器完成传感器的功能，采集机端电压信号。光电隔离单元对采集的信号进行光电隔离，减小信号的干扰。输入信号调理单元对采集的信号进行调理，将信号调理为单片机能够采集的信号，并进行相应的保护设计。

本发明的单片机优选采用C8051F005单片机，通过ADC转换器对信号采集调理电路调理后的电压信号进行采集，主要完成信号的滤波运算并通过DAC转换器输出。

需要补充说明的是：C8051F005单片机虽然依然是51的架构体系，但是其指令可达25MIPS，计算速度足以满足本发明的要求。同时，片上系统的设计，包括片内12位ADC和12位DAC，简化了设计过程和硬件结构同时提高了系统可靠性，JTAG接口便于程序的下载和更新。另外，虽然单片机有片内的晶振电路和电压基准源，但是为了提高系统的速度，本发明采用片外25MHz晶振，同时采用片外高精度的稳定基准电压2.5V为ADC和DAC提供转换的参考基准电压源，以提高信号采集和输出的精度和稳定性。

请参阅图3所示，本发明中的数字滤波算法采用较为常用的FIR(Finite Impulse Response)滤波器实现，即有限长单位冲激响应滤波器。FIR可以在保证任意幅频特性的同时具有严格的线性相频特性，同时其单位抽样响应是有限长的，因而滤波器是稳定的系统。下面详细介绍一下本发明的滤波器设计过程：

数字滤波器传递函数可以写为：

$G\left(s\right)=\frac{a_1{s}^{n-1}+L+a_{n-1}s+a_0}{s^n+b_1{s}^{n-1}+L+b_{n-1}s+b_0}---\left(1\right)$

由G(s)可得其状态空间模型A，B，C，D，并选择合适的采样时间T_s，并定义

C_d＝C，D_d＝D，则可将式(1)离散化为：

G(z)＝C_d(zI-A_d)^-1B_d+D_d    (2)

将式(2)改写形式可得：

$G\left(z\right)=\frac{{\mathrm{\α}}_1{z}^{n-1}+L+{\mathrm{\α}}_{n-1}z+{\mathrm{\α}}_0}{z^n+{\mathrm{\β}}_1{z}^{n-1}+L+{\mathrm{\β}}_{n-1}z+{\mathrm{\β}}_0}=\frac{y\left(z\right)}{u\left(z\right)}---\left(3\right)$

本发明所涉及的系统没有强制输入u(z)，因此，将式(3)简写成便于编程的形式为：

y(k)＝b·y＝b₁y(k-1)+L+b_n-1y(k-n+1)+b_ny(k-n)    (4)

式中，b＝[b₁，b₂…b_n]，y＝[y_k-1，y_k-2…y_k-n].

本发明运用FIR滤波器设计规则，将滤波截止频率设计为10Hz，既能满足系统动态要求，也能有效的抑制工频干扰，同时将滤波器阻带衰减设计为-40dB，其他参数进行相应的设置，得到滤波器滤波系数为对称的14维向量b＝[b₁ L b₁₄]，其波特图如图3所示。将系数固化到程序中，测量时单片机实时进行运算，即可实现本发明所设计的高精度的稳定滤波过程。

综上所述，本发明公开了双馈风电场电压协调控制中的风电机组机端电压高精度滤波测量装置，该装置利用嵌入式单片机代替原有的PLC模块构成测量装置，并配合运用数字滤波算法，实现了低增益反馈信号的高精度测量。根据风电机组发出无功闭环调节机端电压时，前向通道增益较低而反馈通道增益较高的特点，通过设计合理的嵌入式单片机硬件电路以及低通数字滤波算法，对反馈机端电压信号进行了数字滤波，降低反馈信号噪声的影响，提高反馈信号的测量准确度。本发明的应用可以有效的提高双馈风电场电压协调控制的精度和稳定性，同时对低增益信号的高精度测量方法具有普遍推广意义。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双馈风电场电压测量的单片机数字滤波装置，其特征在于包括：

主要采集风电机组机端电压信号，并将该信号调理为单片机系统可采集的电压信号的信号采集调理电路；

对调理后的电压信号进行采集，并根据数字滤波算法对数据进行滤波并输出的单片机；以及

对单片机输出的电压信号进行调理并输出的信号输出调理电路。

2.根据权利要求1所述的双馈风电场电压测量的单片机数字滤波装置，其特征在于所述的信号输出调理电路与参考电压给定构成电压闭环。

3.根据权利要求1所述的双馈风电场电压测量的单片机数字滤波装置，其特征在于所述的单片机采用FIR滤波器。

4.根据权利要求1所述的双馈风电场电压测量的单片机数字滤波装置，其特征在于所述的单片机通过ADC转换器对信号采集调理电路调理后的电压信号进行采集。

5.根据权利要求1所述的双馈风电场电压测量的单片机数字滤波装置，其特征在于所述的单片机通过DAC转换器将经数字滤波后的信号输出。

6.根据权利要求1所述的双馈风电场电压测量的单片机数字滤波装置，其特征在于所述的单片机采用C8051F005单片机。

7.根据权利要求1所述的双馈风电场电压测量的单片机数字滤波装置，其特征在于所述的单片机采用片外25MHz晶振，同时采用片外高精度基准电压2.5V。

8.根据权利要求1所述的双馈风电场电压测量的单片机数字滤波装置，其特征在于所述的单片机片内设置12位ADC、12位DAC。

9.根据权利要求1所述的双馈风电场电压测量的单片机数字滤波装置，其特征在于所述的信号采集调理电路包括：

采集风电机组机端电压信号的电流互感器；

对采集的信号进行光电隔离的光电隔离单元；

对采集的信号进行调理，将信号调理为单片机能够采集的信号并进行保护的输入信号调理单元。

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