CN203574376U - 一种基于电压矢量分别定向控制策略的超导储能装置 - Google Patents

Abstract

一种基于电压矢量分别定向控制策略的超导储能装置，其特征在于它包括风电模型、电压、电流检测电路、信号调理电路、A/D采样及转换模块、DSP控制单元、SMES超导储能模块和上位机；其优越性在于：①硬件设计简单；②提高了该控制系统的可靠性和快速性；③具有很强的操作性。

Description

一种基于电压矢量分别定向控制策略的超导储能装置

（一）技术领域：

本实用新型属于电力系统保护领域，尤其是一种基于SMES（SuperconductingMagneticEnergyStorage——超导储能系统）提高风电场电压稳定性的控制方法。

（二）背景技术：

随着风力电机组装机容量的逐渐增大，风电场在系统中比重不断扩大，风力发电对电网的影响成为重要课题。而风电机组往往采用异步发电机，当系统电压水平较低时，异步电机吸收的无功功率会增加，因此，可能引起电力系统的电压失稳。其输出的不稳定性对电网的功率冲击效应也在扩大，更加显著影响了系统稳定性，甚至导致系统失去动态稳定性，造成整个系统的崩溃。影响风电发展的若干技术瓶颈主要表现在：

（1）风电场接入地区往往处于电网末端，与电网连接薄弱；

（2）风电的间歇性和反调峰特性突出，缺少快速调节电源，调峰能力不足；

（3）风电场功率预测精度低，不能有效参与系统调度；

（4）风电机组低电压穿越能力差，可能引发风电场大规模解列脱网。

当风电场并网发电向系统输送有功功率时，在实际运行中，风速变化、风机启停、尾流效应以及湍流等过程都会造成风电场功率和电压的波动，杆塔的遮蔽效应也会使得风电场输出功率与电压出现周期性波动，尤其是风电场一般的接入点都是较为薄弱的电网末端，更需要及时的无功支撑来保持电压的稳定性，这就要求并网风电场要像配电网一样，加装无功补偿装置，同时还要求无功补偿装置具有动态补偿能力，即反应速度敏捷，延时较小。超导储能同时满足以上的条件，因此研究一种基于超导储能提高风电场电压稳定性的控制策略已变得至关重要。

（三）实用新型内容：

本实用新型的目的在于提供一种基于SMES的提高风电场电压稳定性的控制策略，可以克服现有技术的不足，是一种结构简单、操作方便，可以使SMES成功穿越不对称故障，提高风电场的电压稳定性的装置。

本实用新型的技术方案：一种基于电压矢量分别定向控制策略的超导储能装置，其特征在于它包括风电模型、电压、电流检测电路、信号调理电路、A/D采样及转换模块、DSP控制单元、SMES超导储能模块和上位机；其中，所述电压、电流检测电路的输入端连接电网和SMES超导储能模块，其输出端连接信号调理电路的输入端；所述A/D采样及转换模块的输入端接连接自信号调理电路的信号，其输出端与DSP控制单元的输入端连接；所述SMES超导储能模块的输入端接收DSP控制单元的控制信号；所述SMES超导储能模块输入信号均采集于外部电网，而其输出端均与电压、电流检测电路和外部电网相连接；所述上位机控制DSP控制单元。

所述电压电流采样模块，工作电压为正负15V，量程选择0～5A，输出电流为0～25mA。由三个ELM模块检测A相B相和C相的电流，得到电流信号(-25n1A～25mA)，接100欧姆的精密采样电阻，变成-2.5v—2.5v的电压信号。

所述信号调理电路由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R7、电阻R5、电阻R6、两个TLC2721D、两个二极管D11、电容C20和电容C40组成；其中第一个TLC2721D的正输入端与电阻R3相连且经电阻R4与+1.5V参考电压相连，负输入端经电阻R1接地且经电阻R2与其输出端相连形成反馈环节；第一个TLC2721D的输出端经电阻R5、电阻R6与第二个TLC2721D的正输入端相连，且第二个TLC2721D的正输入端经电容C40接地；第二个TLC2721D的负输入端直接与它的输出端相连形成反馈环节，而电容C20一端接在电阻R5和电阻R6之间，另一端接在第二个TLC2721D输出端形成反馈环节；第二个TLC2721D输出端经电阻R7与两个二极管D11相连。

所述电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R7的阻值为51K；所述电阻R5的阻值为7.8K；所述电阻R6的阻值为14.7K；所述电容C20的容值为0.022uF；所述电容C40的容值为0.01uF。

所述A/D采样及转换模块由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C、运算放大器OP497和A/D转换芯片AD7656构成。其中运算放大器OP497的负输入端与电阻R1的一端相连，而正输入端经电阻R2后接地；电阻R1的另一端经由电阻R3和电容C并联组成的反馈环节与运算放大器OP497的输出端相连；OP497的输出端经电阻R4与芯片AD7656的输入端AN1相连。

所述A/D转换芯片是具有6通道16位ADC同步采样、双极性模拟输入的AD7656BSTZ的转换逐次逼近型芯片。

所述SMES超导储能模块由超导储能线圈模块L_sc，滤波电感L_a、滤波电感L_b、滤波电感L_c、电压型变流器VSC、斩波器和电容器C组成；其中所述电压型变流器经滤波电感L_a、滤波电感L_b、滤波电感L_c，并联在电网两端；电压型变流器的输出端和斩波器的输入输出端均接在电容C的两端。

本实用新型的工作方法：

（1）电压、电流检测电路中的电压测量通过电压互感器采集外部电网电压U_s和SMES补偿模块的电压信号U_dc，并通过该电路的处理，输出0-20mA的电流信号，该电流信号正比于原边电压信号；

（2）信号调理电路将电压、电流检测电路输出的电压、电流信号转化为有效值-1.5V～+1.5V的电压信号，并通过它的电平偏移电路将-1.5V～+1.5V的电压信号转化为0～3V的单极性信号，并通过二极管限幅电路，将检测的电压信号严格的限制在0～3V之内，再送至A/D采样及转换模块端口；

（3）A/D采样及转换模块将输入端的0-3V电压信号经过运算放大器和逐次逼近转换芯片AD7656转化为DSP可接收的电压信号，输入DSP控制单元进行数据处理；

（4）对存储在DSP控制单元的存储器中；利用电压矢量分别定向控制策略，控制SMES来稳定直流侧电压，并调节无功分量输出来补偿电网电压。

本发明的工作原理：

SMES电压方程 $U=E-\mathrm{Ri}-L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}$

逆变器输出侧电压为： $\left\{\begin{array}{c}{v}_d=S_d{u}_{\mathrm{dc}}\\ v_q=S_q{u}_{\mathrm{dc}}\end{array}\right.$

S_d，S_q是矢量开关韩式变化到d-q左边系中的d、q轴相应的开关函数，那么输入电流满足下式： $\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}}=-{\mathrm{Ri}}_d+w{\mathrm{Li}}_q-v_d\\ L\frac{{\mathrm{di}}_q}{\mathrm{dt}}=-{\mathrm{Ri}}_q+w{\mathrm{Li}}_d-v_q\end{array}\right.$

逆变器d、q轴电流相互存在交叉耦合，设 $\left\{\begin{array}{c}{v}_d=-v_d+w{\mathrm{Li}}_q+u_d\\ v_q=-v_q+w{\mathrm{Li}}_d+u_q\end{array}\right.$

最后得出 $\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}}=-{\mathrm{Ri}}_d+v_d\\ L\frac{{\mathrm{di}}_q}{\mathrm{dt}}=-{\mathrm{Ri}}_q{+v}_q\end{array}\right.$

通过引入状态反馈wLi_q与-wLi_p从而实现解耦，同时引入u_d、u_q进行内部补偿，实现了d，q轴电流的控制，可以大大提升系统动态性能。

在两轴坐标系下，SMES逆变器相对于系统的有功无功功率表示为：

$\left\{\begin{array}{c}P=\frac{2}{3}(u_d{i}_d+u_q{i}_q)=\frac{2}{3}{u}_m{i}_d\\ Q=\frac{2}{3}(u_q{i}_d+u_d{i}_q)=-\frac{2}{3}{u}_m{i}_q\end{array}\right.$

运用分量对称法将电压和电流进行矢量分解并转换成正负序网络最终可以得出正负序网络矢量定向控制方法：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_d^q=E_d^p-{\mathrm{Ri}}_d^p-L\frac{{\mathrm{di}}_d^p}{\mathrm{dt}}+\mathrm{jw}{L}_d^p\\ U_q^p=E_q^p-{\mathrm{Ri}}_q^p-L\frac{{\mathrm{di}}_d^p}{\mathrm{dt}}+\mathrm{jw}{\mathrm{Li}}_q^p\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{U}_d^N=E_d^N-{\mathrm{Ri}}_d^N-L\frac{{\mathrm{di}}_d^N}{\mathrm{dt}}+\mathrm{jw}{L}_d^N\\ U_q^N=E_q^N-{\mathrm{Ri}}_q^N-L\frac{{\mathrm{di}}_d^N}{\mathrm{dt}}+\mathrm{jw}{\mathrm{Li}}_q^N\end{array}\right.$

通过对上述正负序电流分别进行调节，再结合矢量关系合成所需电压矢量，从而获得控制信号。电压经过分两队分原则分解为正序和负序两平衡电压，再引入正负序电压分别定向控制策略。在正序同步旋转坐标系下，将正序d^P轴与正序电压矢量同向丁文，在负序同步旋转坐标系下，将负序d^N轴与负序电压矢量同向定位。

发生不平衡故障时，通过输出具有一定关系的正负序电流，消除能量传输中的波动量，来维持直流侧母线电压稳定，同时，通过瞬时无功技术处理，根据补偿需要，发出无功给定指令并进行矢量控制提高装置输出功率因数，对电网补偿无功。

同步动态随机存储器为系统提供了更多的存储空间，当DSP处理的数据量比较大，可将数据暂时存储到同步动态随机存储器中，FLASH存储器中存储了DSP程序，当检测装置模块上电初始化后，DSP自动从FLASH存储器中读取程序运行，更加快捷的实行运算。

本发明的优越性在于：①硬件装置与计算机软件编程相结合，硬件设计简单，软件编程易懂；②利用DSP高速的数据计算和处理能力，提高了该控制系统的可靠性和快速性；③DSP控制单元的功能是以程序的形式保存在存储器中，可以根据不同情况作出相应的修改，具有很强的操作性。

（四）附图说明：

图1为本发明所涉一种基于SMES提高风电场电压稳定性的控制方法的整体结构示意图。

图2为本发明所涉一种基于SMES提高风电场电压稳定性的控制方法的信号调理电路的结构示意图。

图3为本发明所涉一种基于SMES提高风电场电压稳定性的控制方法的A/D采样及转换模块的结构示意图。

图4为本发明所涉一种基于SMES提高风电场电压稳定性的控制方法的SMES单元的结构示意图。

（五）具体实施方式：

实施例：一种基于电压矢量分别定向控制策略的超导储能装置（见图1），其特征在于它包括风电模型、电压、电流检测电路、信号调理电路、A/D采样及转换模块、DSP控制单元、SMES超导储能模块和上位机；其中，所述电压、电流检测电路的输入端连接电网和SMES超导储能模块，其输出端连接信号调理电路的输入端；所述A/D采样及转换模块的输入端接连接自信号调理电路的信号，其输出端与DSP控制单元的输入端连接；所述SMES超导储能模块的输入端接收DSP控制单元的控制信号；所述SMES超导储能模块输入信号均采集于外部电网，而其输出端均与电压、电流检测电路和外部电网相连接；所述上位机控制DSP控制单元。

所述电压电流采样模块（见图2），工作电压为正负15V，量程选择0～5A，输出电流为0～25mA。由三个ELM模块检测A相B相和C相的电流，得到电流信号(-25n1A～25mA)，接100欧姆的精密采样电阻，变成-2.5v—2.5v的电压信号。

所述信号调理电路（见图3）由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R7、电阻R5、电阻R6、两个TLC2721D、两个二极管D11、电容C20和电容C40组成；其中第一个TLC2721D的正输入端与电阻R3相连且经电阻R4与+1.5V参考电压相连，负输入端经电阻R1接地且经电阻R2与其输出端相连形成反馈环节；第一个TLC2721D的输出端经电阻R5、电阻R6与第二个TLC2721D的正输入端相连，且第二个TLC2721D的正输入端经电容C40接地；第二个TLC2721D的负输入端直接与它的输出端相连形成反馈环节，而电容C20一端接在电阻R5和电阻R6之间，另一端接在第二个TLC2721D输出端形成反馈环节；第二个TLC2721D输出端经电阻R7与两个二极管D11相连。

所述电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R7的阻值为51K；所述电阻R5的阻值为7.8K；所述电阻R6的阻值为14.7K；所述电容C20的容值为0.022uF；所述电容C40的容值为0.01uF（见图2）。

所述A/D采样及转换模块（见图4）由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C、运算放大器OP497和A/D转换芯片AD7656构成。其中运算放大器OP497的负输入端与电阻R1的一端相连，而正输入端经电阻R2后接地；电阻R1的另一端经由电阻R3和电容C并联组成的反馈环节与运算放大器OP497的输出端相连；OP497的输出端经电阻R4与芯片AD7656的输入端AN1相连。

所述A/D转换芯片是具有6通道16位ADC同步采样、双极性模拟输入的AD7656BSTZ的转换逐次逼近型芯片。

所述SMES超导储能模块（见图5）由超导储能线圈模块L_sc，滤波电感L_a、滤波电感L_b、滤波电感L_c、电压型变流器VSC、斩波器和电容器C组成；其中所述电压型变流器经滤波电感L_a、滤波电感L_b、滤波电感L_c，并联在电网两端；电压型变流器的输出端和斩波器的输入输出端均接在电容C的两端。

Claims (7)

1.一种基于电压矢量分别定向控制策略的超导储能装置，其特征在于它包括风电模型、电压、电流检测电路、信号调理电路、A/D采样及转换模块、DSP控制单元、SMES超导储能模块和上位机；其中，所述电压、电流检测电路的输入端连接电网和SMES超导储能模块，其输出端连接信号调理电路的输入端；所述A/D采样及转换模块的输入端接连接自信号调理电路的信号，其输出端与DSP控制单元的输入端连接；所述SMES超导储能模块的输入端接收DSP控制单元的控制信号；所述SMES超导储能模块输入信号均采集于外部电网，而其输出端均与电压、电流检测电路和外部电网相连接；所述上位机控制DSP控制单元。 

2.根据权利要求1所述一种基于电压矢量分别定向控制策略的超导储能装置，其特征在于所述电压电流采样模块，工作电压为正负15V，量程选择0～5A，输出电流为0～25mA，由三个ELM模块检测A相B相和C相的电流，得到-25n1A～25mA电流信号，接100欧姆的精密采样电阻，变成-2.5v—2.5v的电压信号。 

3.根据权利要求1所述一种基于电压矢量分别定向控制策略的超导储能装置，其特征在于所述信号调理电路由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R7、电阻R5、电阻R6、两个TLC2721D、两个二极管D11、电容C20和电容C40组成；其中第一个TLC2721D的正输入端与电阻R3相连且经电阻R4与+1.5V参考电压相连，负输入端经电阻R1接地且经电阻R2与其输出端相连形成反馈环节；第一个TLC2721D的输出端经电阻R5、电阻R6与第二个TLC2721D的正输入端相连，且第二个TLC2721D的正输入端经电容C40接地；第二个TLC2721D的负输入端直接与它的输出端相连形成反馈环节，而电容C20一端接在电阻R5和电阻R6之间，另一端接在第二个TLC2721D输出端形成反馈环节；第二个TLC2721D输出端经电阻R7与两个二极管D11相连。 

4.根据权利要求3所述一种基于电压矢量分别定向控制策略的超导储能装置，其特征在于所述电阻R1、电阻R2、电阻R3、电 阻R4和电阻R7的阻值为51K；所述电阻R5的阻值为7.8K；所述电阻R6的阻值为14.7K；所述电容C20的容值为0.022uF；所述电容C40的容值为0.01uF。 

5.根据权利要求1所述一种基于电压矢量分别定向控制策略的超导储能装置，其特征在于所述A/D采样及转换模块由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C、运算放大器OP497和A/D转换芯片AD7656构成，其中运算放大器OP497的负输入端与电阻R1的一端相连，而正输入端经电阻R2后接地；电阻R1的另一端经由电阻R3和电容C并联组成的反馈环节与运算放大器OP497的输出端相连；OP497的输出端经电阻R4与芯片AD7656的输入端AN1相连。 

6.根据权利要求5所述一种基于电压矢量分别定向控制策略的超导储能装置，其特征在于所述A/D转换芯片是具有6通道16位ADC同步采样、双极性模拟输入的AD7656BSTZ的转换逐次逼近型芯片。 

7.根据权利要求1所述一种基于电压矢量分别定向控制策略的超导储能装置，其特征在于所述SMES超导储能模块由超导储能线圈模块L_sc，滤波电感L_a、滤波电感L_b、滤波电感L_c、电压型变流器VSC、斩波器和电容器C组成；其中所述电压型变流器经滤波电感L_a、滤波电感L_b、滤波电感L_c，并联在电网两端；电压型变流器的输出端和斩波器的输入输出端均接在电容C的两端。 

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