CN109103899A - 一种海上并网风力发电系统无功补偿装置及其控制方法 - Google Patents

一种海上并网风力发电系统无功补偿装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明的一种海上并网风力发电系统无功补偿装置，包括互感器、信号调理电路、同步采样电路、数字信号处理器DSP、可编程逻辑器FPGA、系统保护模块、声光报警装置、驱动电路、逆变器。通过互感器和直流测量环节将采集到的电网侧电压、负载侧电流、无功补偿装置的输出电流和直流侧电压，经处理后送入数字信号处理器DSP；DSP根据釆样得到的系统电压、负载侧电流得出无功电流参考值，然后通过运算比较产生相应的SPWM脉宽值送给可编程逻辑器FPGA，产生对应控制逆变器开关器件IGBT的脉冲信号，使逆变器产生的补偿电流能够快速准确地跟踪参考电流。本发明能够快速实现无功补偿，同时具备声光报警检测装置，性能安全可靠。

Description

一种海上并网风力发电系统无功补偿装置及其控制方法
技术领域
本发明属于并网风力发电技术领域，涉及一种海上并网风力发电系统无功补偿装置及其控制方法。
背景技术
随着中国政策对可再生能源发电的重视和风力发电技术的快速发展，风力发电建设已进入一个快速发展的时期。风力发电在带来清洁能源的同时，还具有间歇性和随机性，这些特性会对电力系统带来一些负面影响。海上风电场一般都会离岸几十公里，需要通过海上升压站和长距离的海底电缆才能实现功率传输，长距离的海底电缆在空载情况下呈容性，随着传输功率的增加，海底电缆可能处于消耗感性无功或产生容性无功的状态，由于无功功率与电压稳定性的强相关性，使得大型风电场的接入将对电网电压的稳定性产生一定的影响。
因此，有必要采取措施来快速准确地跟踪风力发电系统所需无功电流并给与相应补偿。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种能够快速准确地跟踪系统所需无功电流并给与相应补偿的一种海上并网风力发电系统无功补偿装置及其控制方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。
本发明的一种海上并网风力发电系统无功补偿装置，用于海上并网风力发电系统；所述的海上并网风力发电系统包括风轮机、齿轮箱、双馈式感应发电机组、支撑架、PI控制器、无功补偿装置、海上升压站、海底电缆、陆上集控中心，其特征在于，包括互感器、信号调理电路、同步采样电路、数字信号处理器DSP、可编程逻辑器FPGA、系统保护模块、声光报警装置、驱动电路、逆变器。
所述的互感器，包括电压互感器和电流互感器。用于采集风力发电系统电压与电流、负载侧电流、无功补偿装置的输出电流和直流侧电压。
信号调理电路，用于将互感器采集到的信号调理成一定范围的单极性电压信号，以满足数字信号处理器DSP的工作范围；从而避免数字信号处理器DSP因输入值过高而损坏。
所述的同步采样电路，用于产生与风力发电系统电网交流电压同步的触发脉冲，包括锁相环及锯齿波发生器。所述的锁相环产生一个跟随风力发电系统电网频率及相位的时钟信号，并使锯齿波发生器产生与电网交流电源同步的锯齿波；触发脉冲产生电路将锯齿波电压与控制电压进行比较，当锯齿波电压大于控制电压时，产生与电网电压保持同步的触发脉冲。由于锯齿波与电网交流电压是同步的，所以触发脉冲与电网电压也能保持同步。
数字信号处理器DSP，用于将调理后的输入信号转化为数字量，并按照一定的算法计算出电流电压的参考值以及相应的脉冲调制系数。所述的数字信号处理器DSP与可编程逻辑器FPGA相连，对釆样得到的风力发电系统电压与电流、直流侧电压以及逆变器输出电流计算产生相应的SPWM脉宽值，并将调制系数发送给可编程逻辑器FPGA的脉冲发生器。
可编程逻辑器FPGA，通过自身内部的三角载波比较式直接电流控制方法，产生对应控制逆变器的SPWM脉冲信号，通过驱动电路来驱动逆变器中IGBT的导通。
系统保护模块，用于保护系统及内部器件的安全；
声光报警装置，用于线路发生故障时的声光报警；当系统发生故障时，接收系统保护模块产生的声光报警信号，启动声光报警装置，发出警报和闪烁相应的故障灯。
驱动电路，用于放大SPWM脉冲信号来控制IGBT的通断；
逆变器，用于将直流侧的电压转化为所需要的交流信号；
通过互感器及其直流测量环节将采集到的风力发电电网侧的电压、负载侧电流、无功补偿装置的输出电流和直流侧电压，经处理送入到数字信号处理器DSP；数字信号处理器DSP根据釆样得到的系统电压，负载侧电流得出无功电流的参考值，然后通过运算比较产生相应的SPWM脉宽值送给可编程逻辑器FPGA，产生对应控制逆变器开关器件IGBT的脉冲信号，使逆变器产生的补偿电流能够快速准确地跟踪参考电流。
优选的，所述的电压互感器采用VSM025A型霍尔电压互感器，所述的电流互感器采用CSM300B霍尔电流互感器。
优选的，所述的数字信号处理器DSP采用TMS320F28335芯片。
优选的，所述的可编程逻辑器FPGA采用EP3C40Q240C8芯片。
本发明的一种海上并网风力发电系统无功补偿控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
电压互感器、电流互感器测出电压、电流信号(包括电网侧电压、负载侧电流、直流侧电压以及无功补偿装置输出电流)，输出与原信号成比例的电压信号；
所述的成比例的电压信号经过信号调理电路，将电压信号转换成适合A/D允许输入范围的电压并进行数模转换；同时，同步采样电路产生一个与电网电压频率、相位相同的同步工作脉冲以及电网基波频率倍数的A/D同步采样启动信号；
数字信号处理器DSP根据A/D转换成的数字量，对A/D同步釆样得到的系统电压与电流计算出无功电流的参考值,同时通过程序运算产生符合逆变器要求的SPWM脉宽值，并通过串行通信将调制系数k送入可编程逻辑器FPGA中；
可编程逻辑器FPGA输出的SPWM信号触发相应的IGBT的通断，实现无功电流的动态跟踪及补偿。
与现有技术相比，本发明包括以下优点和有益效果：
1.采用数字信号处理器DSP进行相关的电流电压计算，采用可编程逻辑器FPGA产生驱动脉冲，减缓DSP处理大量数据的压力；
2.采用数字信号处理器DSP+可编程逻辑器FPGA的控制结构，处理速度效率高并且其开发周期较短便于维护和扩展,能够高效快速的完成数据的采样以及复杂算法的计算，能够快速检测、跟踪参考电流，迅速完成对系统的无功补偿；
3.结构灵活可靠、通用性强；
4.具备声光报警装置，提高了运行的安全可靠性。
附图说明
图1为具有本发明的一种海上并网风力发电系统无功补偿装置的海上并网风力发电系统整体结构示意图。
图2为本发明的海上并网风力发电系统无功补偿装置的一个实施例的结构框图。
图3为本发明的一个实施例的可编程逻辑器FPGA的逻辑结构图。
其中，风轮机1，齿轮箱2，双馈式感应发电机组3，支撑架4，PI控制器，无功补偿装置5，海上升压站6。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1为一种海上并网风力发电系统整体结构示意图，配置有本发明的一种海上并网风力发电系统无功补偿装置。如图1所示，所述海上并网风力发电系统包括风轮机1，齿轮箱2，双馈式感应发电机组3，支撑架4，PI控制器，无功补偿装置5，海上升压站6，海底电缆，陆上集控中心。其中，风轮机1、齿轮箱2利用风力带动叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使双馈式感应发电机组3发电；支撑架4作为海上风力发电系统的基础，用于将风电机组固定于海中。可在海上升压站低压侧和陆上集控中心分别配置本发明所述的无功补偿装置对海上风力发电系统进行无功补偿，从而保证最小的总无功补偿装置容量在系统的各种运行状态下都能满足要求。
图2为本发明的海上并网风力发电系统无功补偿装置的一个实施例的结构框图。如图2所示，本实施例海上并网风力发电系统无功补偿装置包括互感器、信号调理电路、同步采样电路、数字信号处理器DSP、可编程逻辑器FPGA、系统保护模块、声光报警装置、驱动电路、逆变器。
互感器，用于采集到风力发电系统电压与电流、负载侧电流、无功补偿装置的输出电流和直流侧电压；
信号调理电路，用于将互感器采集到的信号调理成一定范围的单极性电压信号，以满足数字信号处理器DSP的工作范围；从而避免数字信号处理器DSP因输入值过高而损坏。
同步采样电路，用于产生与风力发电系统电网交流电压同步的触发脉冲。所述的同步采样电路，包括锁相环及锯齿波发生器；所述的锁相环产生一个跟随风力发电系统电网频率及相位的时钟信号，并使锯齿波发生器产生与电网交流电源同步的锯齿波；触发脉冲产生电路将锯齿波电压与控制电压进行比较，当锯齿波电压大于控制电压时，产生与电网电压保持同步的触发脉冲。由于锯齿波与电网交流电压是同步的，所以触发脉冲与电网电压也能保持同步。
数字信号处理器DSP，用于将调理后的输入信号转化为数字量，并按照一定的算法计算出电流电压的参考值以及相应的脉冲调制系数；
可编程逻辑器FPGA，通过自身内部的三角载波比较式直接电流控制方法，产生对应控制逆变器的SPWM脉冲信号；
系统保护模块，用于保护系统及内部器件的安全；
声光报警装置，用于线路发生故障时的声光报警；当系统发生故障时，接收系统保护模块产生的声光报警信号，启动声光报警装置，发出警报和闪烁相应的故障灯。
驱动电路，用于放大SPWM脉冲信号来控制IGBT的通断；
逆变器，用于将直流侧的电压转化为所需要的交流信号；
通过互感器及其直流测量环节将采集到的风力发电电网侧的电压、负载侧电流、无功补偿装置的输出电流和直流侧电压，经处理送入到数字信号处理器DSP；数字信号处理器DSP根据釆样得到的系统电压，负载侧电流得出无功电流的参考值，然后通过运算比较产生相应的SPWM脉宽值送给可编程逻辑器FPGA，产生对应控制逆变器开关器件IGBT的脉冲信号，使逆变器产生的补偿电流能够快速准确地跟踪参考电流。
所述的互感器包括电压互感器和电流互感器。其中，电压互感器采用VSM025A型霍尔电压互感器，电流互感器采用CSM300B霍尔电流互感器。
所述的数字信号处理器DSP采用TMS320F28335芯片。
所述的可编程逻辑器FPGA采用EP3C40Q240C8芯片。
所述的数字信号处理器DSP与可编程逻辑器FPGA相连，对釆样得到的风力发电系统电压与电流、直流侧电压以及逆变器输出电流计算产生相应的SPWM脉宽值，并将调制系数发送给可编程逻辑器FPGA的脉冲发生器。
所述可编程逻辑器FPGA可产生脉冲信号，通过驱动电路来驱动逆变器中IGBT的导通。
本发明的海上并网风力发电系统无功补偿控制方法的一种实施例，包括以下步骤：
其电压互感器、电流互感器测出电压、电流信号(包括电网侧电压、负载侧电流、直流侧电压以及补偿装置输出电流)，输出与原信号成比例的电压信号；
所述的成比例的电压信号经过信号调理电路，将电压信号转换成适合A/D允许输入范围的电压并进行数模转换；同时，同步采样电路产生一个与电网电压频率、相位相同的同步工作脉冲以及电网基波频率倍数的A/D同步采样启动信号；
数字信号处理器DSP根据A/D转换成的数字量，按照一定的控制算法,对A/D同步釆样得到的系统电压与电流计算出无功电流的参考值,同时通过程序运算产生符合逆变器要求的SPWM脉宽值，并通过串行通信将调制系数k送入可编程逻辑器FPGA中；
可编程逻辑器FPGA输出的SPWM信号触发相应的IGBT的通断，实现无功电流的动态跟踪及补偿。
本实施例的一种海上并网风力发电系统无功补偿装置及控制方法，采用数字信号处理器DSP+可编程逻辑器FPGA的控制结构能够高效快速的完成数据的采样以及复杂算法的计算，快速完成对系统无功的补偿。
图3为本发明的一个实施例的可编程逻辑器FPGA的逻辑结构图。如图3所示，本发明的可编程逻辑器FPGA内部主要由三角载波发生模块、正弦调制波发生模块、SPWM发生模块、死区发生模块四部分组成，如图2所示。在接收到数字信号处理器DSP通过串行通信发送的调制系数后，可编程逻辑器FPGA会根据调制系数，通过内部模块产生相应的SPWM信号。而可编程逻辑器FPGA中的死区发生模块可以很好的防止逆变器同一桥臂上的开关器件发生短路现象，起到了保护器件的作用。可编程逻辑器FPGA输出的SPWM信号经过驱动电路得以放大。可编程逻辑器FPGA输出的SPWM信号触发相应的IGBT的通断，实现无功电流的动态跟踪及补偿，达到最终的设计目的。

Claims (9)

1.一种海上并网风力发电系统无功补偿装置，用于海上并网风力发电系统；所述的海上并网风力发电系统包括风轮机、齿轮箱、双馈式感应发电机组、支撑架、PI控制器、无功补偿装置、海上升压站、海底电缆、陆上集控中心，其特征在于，包括：
互感器，用于采集风力发电系统电压与电流、负载侧电流、无功补偿装置的输出电流和直流侧电压；
信号调理电路，用于将互感器采集到的信号调理成一定范围的单极性电压信号，以满足数字信号处理器DSP的工作范围；
同步采样电路，用于产生与风力发电系统电网交流电压同步的触发脉冲；
数字信号处理器DSP，用于将调理后的输入信号转化为数字量，并按照一定的算法计算出电流电压的参考值以及相应的脉冲调制系数；
可编程逻辑器FPGA，通过自身内部的三角载波比较式直接电流控制方法，产生对应控制逆变器的SPWM脉冲信号；
系统保护模块，用于保护系统及内部器件的安全；
声光报警装置，用于线路发生故障时的声光报警；
驱动电路，用于放大SPWM脉冲信号来控制IGBT的通断；
逆变器，用于将直流侧的电压转化为所需要的交流信号；
通过互感器及其直流测量环节将采集到的风力发电电网侧的电压、负载侧电流、无功补偿装置的输出电流和直流侧电压，经处理送入到数字信号处理器DSP；数字信号处理器DSP根据釆样得到的系统电压，负载侧电流得出无功电流的参考值，然后通过运算比较产生相应的SPWM脉宽值送给可编程逻辑器FPGA，产生对应控制逆变器开关器件IGBT的脉冲信号，使逆变器产生的补偿电流能够快速准确地跟踪参考电流。
2.根据权利要求1所述的一种海上并网风力发电系统无功补偿装置，其特征是，所述的同步采样电路，包括锁相环及锯齿波发生器；所述的锁相环产生一个跟随风力发电系统电网频率及相位的时钟信号，并使锯齿波发生器产生与电网交流电源同步的锯齿波；触发脉冲产生电路将锯齿波电压与控制电压进行比较，当锯齿波电压大于控制电压时，产生与电网电压保持同步的触发脉冲。
3.根据权利要求1所述的一种海上并网风力发电系统无功补偿装置，其特征是，所述的互感器包括电压互感器和电流互感器。
4.根据权利要求3所述的一种海上并网风力发电系统无功补偿装置，其特征是，所述的电压互感器采用VSM025A型霍尔电压互感器。
5.根据权利要求3所述的一种海上并网风力发电系统无功补偿装置，其特征是，所述的电流互感器采用CSM300B霍尔电流互感器。
6.根据权利要求1所述的一种海上并网风力发电系统无功补偿装置，其特征是，所述的数字信号处理器DSP采用TMS320F28335芯片。
7.根据权利要求1所述的一种海上并网风力发电系统无功补偿装置，其特征是，所述的可编程逻辑器FPGA采用EP3C40Q240C8芯片。
8.根据权利要求1所述的一种海上并网风力发电系统无功补偿装置，其特征是，所述的数字信号处理器DSP与可编程逻辑器FPGA相连，对釆样得到的风力发电系统电压与电流、直流侧电压以及逆变器输出电流计算产生相应的SPWM脉宽值，并将调制系数发送给可编程逻辑器FPGA的脉冲发生器。
9.一种海上并网风力发电系统无功补偿控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
电压互感器、电流互感器测出电压、电流信号，输出与原信号成比例的电压信号；
所述的成比例的电压信号经过信号调理电路，将电压信号转换成适合A/D允许输入范围的电压并进行数模转换；同时，同步采样电路产生一个与电网电压频率、相位相同的同步工作脉冲以及电网基波频率倍数的A/D同步采样启动信号；
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