CN201444176U

CN201444176U - 风力发电谐波监测装置

Info

Publication number: CN201444176U
Application number: CN 200920015291
Authority: CN
Inventors: 尹常永
Original assignee: Shenyang Institute of Engineering
Current assignee: Shenyang Institute of Engineering
Priority date: 2009-07-15
Filing date: 2009-07-15
Publication date: 2010-04-28
Anticipated expiration: 2019-07-15

Abstract

本实用新型公开一种风力发电谐波检测装置，它包括单片机、采样模块、电压互感器、电流互感器、显示部分及UART接口部分；所述电压互感器及电流互感器的输出端分别接采样模块的输入端；所述采样模块、UART接口部分及显示部分的端口分别接单片机的端口；所述采样模块完成电流及电压的实时同步采样，其电流通道的增益及复位信号由所述单片机进行控制；本实用新型还设有零线电流互感器及零线采样模块；所述零线电流互感器的端口接零线采样模块的端口；所述零线采样模块的输出端接单片机的输入端。本实用新型系统可靠性高，成本低廉，预测精度高，抗干扰能力强，扩展性好。

Description

风力发电谐波监测装置

技术领域

本实用新型属电力谐波监测装置领域，尤其涉及一种风力发电谐波检测装置。

背景技术

风电给系统带来谐波的途径主要有两种。一种是风机本身配备的电力电子装置可能带来谐波问题。对于直接和电网相连的恒速风机，软启动阶段要通过电力电子装置与电网相连，因此会产生一定的谐波，不过过程很短。对于变速风机是通过整流和逆变装置接入系统，如果电力装置的切换频率恰好在产生谐波的范围内，则会产生很严重的谐波问题。另一种是风机的并联补偿电容器可能和线路电抗发生谐振，在实际运行中，在风电场出口变压器的低压侧有产生大量谐波的现象。

风力发电谐波对电力系统影响的主要表现：

(1)影响线路的稳定运行

供配电系统中的电力线路与电力变压器一般采用电磁式继电器、感应式继电器或晶体管继电器予以检测保护，使得在故障情况下保证线路与设备的安全。但由于电磁式继电器与感应式继电器对10％以下含量高达40％时又导致继电保护误动作，因而在谐波影响下不能全面有效地起到保护作用。晶体管继电器虽然具有许多优点，但由于采用了整流取样电路，容易受谐波影响，产生误动或拒动。这样，谐波将严重威胁供配电系统的稳定与安全运行。

(2)影响电网的质量

电力系统中的谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变。如民用配电系统中的中性线，由于荧光灯、调光灯、计算机等负载，会产生大量的奇次谐波，其中3次谐波的含量较多，可达40％；三相配电线路中，相线上的3的整数倍谐波在中性线上会叠加，使中性线的电流值可能超过相线上的电流。另外，相同频率的谐波电压与谐波电流要产生同次谐波的有功功率与无功功率，从而降低电网电压，浪费电网的容量。

(3)对电力电容器的危害

当电网存在谐波时，投入电容器后其端电压增大，通过电容器的电流增加得更大，使电容器损耗功率增加。对于膜纸复合介质电容器，虽然允许有谐波时的损耗功率为无谐波时损耗功率的1.38倍；对于全膜电容器允许有谐波时的损耗功率为无谐波时的1.43倍，但如果谐波含量较高，超出电容器允许条件，就会使电容器过电流和过负荷，损耗功率超过上述值，使电容器异常发热，在电场和温度的作用下绝缘介质会加速老化。尤其是电容器投入在电压已经畸变的电网中时，还可能使电网的谐波加剧，即产生谐波扩大现象。另外，谐波的存在往往使电压呈现尖顶波形，尖顶电压波易在介质中诱发局部放电，且由于电压变化率大，局部放电强度大，对绝缘介质更能起到加速老化的作用，从而缩短电容器的使用寿命。一般来说，电压每升高10％，电容器的寿命就要缩短1/2左右。再者，在谐波严重的情况下，还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。

(4)对电力变压器的危害

谐波使变压器的铜耗增大，其中包括电阻损耗、导体中的涡流损耗与导体外部因漏磁通引起的杂散损耗都要增加。谐波还使变压器的铁耗增大，这主要表现在铁心中的磁滞损耗增加，谐波使电压的波形变得越差，则磁滞损耗越大。同时由于以上两方面的损耗增加，因此要减少变压器的实际使用容量，或者说在选择变压器额定容量时需要考虑留出电网中的谐波含量。除此之外，谐波还导致变压器噪声增大，变压器的振动噪声主要是由于铁心的磁致伸缩引起的，随着谐波次数的增加，振动频率在1KHZ左右的成分使混杂噪声增加，有时还发出金属声。

(5)对电力电缆的危害

由于谐波次数高频率上升，再加之电缆导体截面积越大趋肤效应越明显，从而导致导体的交流电阻增大，使得电缆的允许通过电流减小。另外，电缆的电阻、系统母线侧及线路感抗与系统串联，提高功率因数用的电容器及线路的容抗与系统并联，在一定数值的电感与电容下可能发生谐振。

(6)对电动机的危害

谐波对异步电动机的影响，主要是增加电动机的附加损耗，降低效率，严重时使电动机过热。尤其是负序谐波在电动机中产生负序旋转磁场，形成与电动机旋转方向相反的转矩，起制动作用，从而减少电动机的出力。另外电动机中的谐波电流，当频率接近某零件的固有频率时还会使电动机产生机械振动，发出很大的噪声。

(7)对低压开关设备的危害

对于配电用断路器来说，全电磁型的断路器易受谐波电流的影响使铁耗增大而发热，同时由于对电磁铁的影响与涡流影响使脱扣困难，且谐波次数越高影响越大；热磁型的断路器，由于导体的集肤次应与铁耗增加而引起发热，使得额定电流降低与脱扣电流降低；电子型的断路器，谐波也要使其额定电流降低，尤其是检测峰值的电子断路器，额定电流降低得更多。由此可知，上述三种配电断路器都可能因谐波产生误动作。

对于漏电断路器来说，由于谐波汇漏电流的作用，可能使断路器异常发热，出现误动作或不动作。对于电磁接角器来说，谐波电流使磁体部件温升增大，影响接点，线圈温度升高使额定电流降低。对于热继电器来说，因受谐波电流的影响也要使额定电流降低。在工作中它们都有可能造成误动作。

(8)对弱电系统设备的干扰

对于计算机网络、通信、有线电视、报警与楼宇自动化等弱电设备，电力系统中的谐波通过电磁感应、静电感应与传导方式耦合到这些系统中，产生干扰。其中电感应与静电感应的耦合强度与干扰频率成正比，传导则通过公共接地耦合，有大量不平衡电流流入接地极，从而干扰弱电系统。

(9)影响电力测量的准确性

目前采用的电力测量仪表中有磁电型和感应型，它们受谐波的影响较大。特别是电能表(多采用感应型)，当谐波较大时将产生计量混乱，测量不准确。

谐波会影响输电线路的稳定运行，影响电网的质量，并危害电力变压器的运行。风力发电由于其本身如上特点，并网后会给电力系统带来不利影响或危害，并造成电力系统一些运行特性的改变，研究风力发电谐波对电力系统的影响，并进行必要的监测不论是对电力系统的运行，还是风电系统的运行都是非常重要的。

目前的谐波监测产品，采用同步采样方式进行电压电流数据的采集和分析，硬件架构采用DSP+AD+模拟前端运放，相对复杂，需要锁相环等硬件电路，硬件成本高，电路复杂，生产和调试环节多，同时维护和维修困难。且由于模拟前端的抗干扰能力差及温度漂移的影响，还造成精度和稳定度差。

中国专利(专利号为ZL200620051808.3)针对数字化谐波检测系统中普遍存在的延时问题而公开一种多通道谐波检测与分析装置，该装置包括电压变送器、电流变送器、A/D转换器、i_p，i_q算法器、自适应预测滤波器、减法器显示器，该装置将谐波检测、分析及故障录波集成于一体，实现了一台微机检测多条线路的谐波并可进行故障录波，但上述装置在实际运行中存在着环境适应性限制因素多，预测精度低，抗干扰能力差等缺点。

实用新型内容

本实用新型旨在克服现有技术的不足之处而提供一种系统可靠性高，成本低廉，预测精度高，抗干扰能力强，扩展性好的风力发电谐波监测装置。

为达到上述目的，本实用新型是这样实现的：

一种风力发电谐波监测装置，它包括单片机、采样模块、电压互感器、电流互感器、显示部分及UART接口部分；所述电压互感器及电流互感器的输出端分别接采样模块的输入端；所述采样模块、UART接口部分及显示部分的端口分别接单片机的端口；

所述采样模块完成电流及电压的实时同步采样，其电流通道的增益及复位信号由所述单片机进行控制。

作为一种优选方案，本实用新型还设有零线电流互感器及零线采样模块；所述零线电流互感器的端口接零线采样模块的端口；所述零线采样模块的输出端接单片机的输入端。

作为另一种优选方案，本实用新型还设有时钟控制模块；所述时钟控制模块的输出端接采样模块的输入端。

进一步地，本实用新型所述单片机可采用dsPIC33FJ64GP206芯片。

更进一步地，本实用新型所述采样模块可采用MCP3909芯片。

另外，本实用新型所述零线采样模块可采用MCP6002芯片。

其次，本实用新型所述时钟控制模块可采用3.2768Mhz有源晶体。

再次，本实用新型所述采样模块包括A相MCP3909芯片、B相MCP3909芯片及C相MCP3909芯片；所述电压互感器包括A相电压互感器、B相电压互感器及C相电压互感器；所述电流互感器包括A相电流互感器、B相电流互感器及C相电流互感器；所述A相电压互感器及A相电流互感器的输出端接A相MCP3909芯片的输入端；所述B相电压互感器及B相电流互感器的输出端接B相MCP3909芯片的输入端；所述C相电压互感器及C相电流互感器的输出端接C相MCP3909芯片的输入端。

本实用新型无需用以对电网频率进行同步的外部过零检测和锁相环电路的方法，通过软件测量电网频率，并修正由于电网频率波动对测量引起的误差。由于硬件可靠性高在工程上具有一定优势。

与现有技术相比本实用新型具有如下特点：

1、采用带DSP处理器的16位单片机，兼顾了系统的性能和可靠性，大幅节约成本。

2、采用了专用的前端模拟芯片，解决了同步采样和前端模拟滤波同时取消了运放的电路，只采用简单的阻容抗混叠滤波，大幅简化电路，同时提高精度和抗干扰能力。

3、内置大容量存储器，可以储存特定的波形数据和各种信息，可以为系统的分析提供有力支持。

4、运用了准同步算法，采用了数字手段来减小工频干扰和窗口函数来提高谐波计算的精度。

5、有完备的调试接口，采用上位机软件和全数字调整方法，校准简单快速，并且支持软件的在线更新和系统自检，对生产和调试有非常重要的实际意义。

6、支持多种通讯方式，包括RS232\RS485\RS422\CANBUS\以太网等，同时兼容大多数的电力规约，如IEC101\IEC102\IEC103\IEC104\CDT\DISA\1801\IEC61850\MODBUS\PROFIBUS等，可以和各种通讯总控装置或后台、集控站系统连接。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。本实用新型的保护范围不仅局限于下列内容的表述。

图1为本实用新型的电路原理框图；

图2为本实用新型一种实施方式电路原理框图；

图3为本实用新型一种实施方式单片机部分具体电路原理图；

图4为本实用新型一种实施方式采样模块部分具体电路原理图。

具体实施方式

如图1、2所示，一种风力发电谐波监测装置，它包括单片机、采样模块、电压互感器、电流互感器、显示部分及UART接口部分；所述电压互感器及电流互感器的输出端分别接采样模块的输入端；所述采样模块、UART接口部分及显示部分的端口分别接单片机的端口；

本实用新型还设有零线电流互感器及零线采样模块；所述零线电流互感器的端口接零线采样模块的端口；所述零线采样模块的输出端接单片机的输入端。本实用新型所述零线采样模块可采用MCP6002芯片。

本实用新型还设有时钟控制模块；所述时钟控制模块的输出端接采样模块的输入端。时钟控制模块可采用3.2768Mhz有源晶体。采样模块的时钟信号由3.2768Mhz有源晶体提供。本实用新型所述采样模块可采用MCP3909芯片。

本实用新型所述单片机采用dsPIC33FJ64GP206芯片。

本实用新型所述采样模块包括A相MCP3909芯片、B相MCP3909芯片及C相MCP3909芯片；所述电压互感器包括A相电压互感器、B相电压互感器及C相电压互感器；所述电流互感器包括A相电流互感器、B相电流互感器及C相电流互感器；所述A相电压互感器及A相电流互感器的输出端接A相MCP3909芯片的输入端；所述B相电压互感器及B相电流互感器的输出端接B相MCP3909芯片的输入端；所述C相电压互感器及C相电流互感器的输出端接C相MCP3909芯片的输入端。

如图3、4所示，本实用新型采用Microchip公司的dsPIC33FJ64GP206高性能16位带DSP协处理器的单片机和专用芯片MCP3909为核心谐波监测装置。MCP3909可作为两通道的16位ADC，每个MCP3909完成一相的电流和电压实时同步采样。三个MCP3909的时钟信号由3.2768Mhz有源晶体提供，同时其复位信号由dsPIC33FJ64GP206控制，从而实现三相同步采样。MCP3909通过SPI接口和dsPIC33FJ64GP206连接，dsPIC为SPI的主控制器。MCP3909的电流通道的增益可分别由dsPIC33FJ64GP206的I/O独立控制，可根据不同电流输入幅度调整合适的增益。本实用新型所述UART接口部分与所述dsPIC33FJ64GP206芯片相接，带有液晶显示器和触摸屏的面板通过所述ICD2接口与所述dsPIC33FJ64GP206芯片相接。

如图2、3所示，本实用新型还包括一个MCP1701构成的直流电源和一个MCP1700构成的直流电源。

本实用新型采用三个MCP3909和一个dsPIC33FJ64GP206构成硬件平台。而软件采样准同步算法，因此无需用以对电网频率进行同步的外部过零检测和锁相环电路。通过软件测量电网频率，并修正由于电网频率波动对测量引起的误差。由于硬件可靠性高在工程上具有一定优势。

可以理解地是，以上关于本实用新型的具体描述，仅用于说明本实用新型而并非受限于本实用新型实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本实用新型进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种风力发电谐波监测装置，其特征在于，包括单片机、采样模块、电压互感器、电流互感器、显示部分及UART接口部分；所述电压互感器及电流互感器的输出端分别接采样模块的输入端；所述采样模块、UART接口部分及显示部分的端口分别接单片机的端口；

2.根据权利要求1所述的风力发电谐波监测装置，其特征在于：还设有零线电流互感器及零线采样模块；所述零线电流互感器的端口接零线采样模块的端口；所述零线采样模块的输出端接单片机的输入端。

3.根据权利要求2所述的风力发电谐波监测装置，其特征在于：还设有时钟控制模块；所述时钟控制模块的输出端接采样模块的输入端。

4.根据权利要求3所述的风力发电谐波监测装置，其特征在于：所述单片机采用dsPIC33FJ64GP206芯片。

5.根据权利要求4所述的风力发电谐波监测装置，其特征在于：所述采样模块采用MCP3909芯片。

6.根据权利要求2所述的风力发电谐波监测装置，其特征在于：所述零线采样模块采用MCP6002芯片。

7.根据权利要求3～5之任一所述的风力发电谐波监测装置，其特征在于：所述时钟控制模块采用3.2768Mhz有源晶体。

8.根据权利要求4所述的风力发电谐波监测装置，其特征在于：所述采样模块包括A相MCP3909芯片、B相MCP3909芯片及C相MCP3909芯片；所述电压互感器包括A相电压互感器、B相电压互感器及C相电压互感器；所述电流互感器包括A相电流互感器、B相电流互感器及C相电流互感器；所述A相电压互感器及A相电流互感器的输出端接A相MCP3909芯片的输入端；所述B相电压互感器及B相电流互感器的输出端接B相MCP3909芯片的输入端；所述C相电压互感器及C相电流互感器的输出端接C相MCP3909芯片的输入端。