CN105319465A

CN105319465A - 一种电网电压故障模拟装置

Info

Publication number: CN105319465A
Application number: CN201510689233.1A
Authority: CN
Inventors: 毕大强; 周稳
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2015-10-21
Filing date: 2015-10-21
Publication date: 2016-02-10

Abstract

本发明公开了属于电力电子装备技术领域的一种电网电压故障模拟装置，其包括上位机、RS485串口总线、主控制电路、继电器驱动电路、数据采集电路、中心抽头变压器、三相继电器开关电路及限流保护电阻；主控制电路通过RS485串口总线与上位机通信，RS485串口总线与主控制器的主控芯片STM32F103连接；主控芯片STM32F103分别连接继电器驱动电路和数据采集电路，驱动继电电路通过K1-K7触点开关接线端子分别连接中心抽头变压器的原边绕组和副边绕组；本发明通过上位机可实现安全可靠操作控制，能精确设置跌落故障持续时间，模拟不同跌落深度的电网故障电压。适用于风电、光电等新能源发电的低电压或升压穿越测试。

Description

一种电网电压故障模拟装置

技术领域

本发明属于电力电子装备技术领域，特别涉及一种电网电压故障模拟装置。适用于新能源发电机组的低电压穿越测试用的电压跌落或升高发生器，

背景技术

伴随光伏发电、风力发电等新能源发电的应用不断增多，许多国家出台标准要求光伏电站、风力发电站在并网时产生电网故障的情况下，在一定时间内不能脱网，必须具备一定的低电压穿越能力(lowvoltageride‐through,LVRT)。为实验研究与测试风力发电或光伏发电***在电网电压故障跌落时的穿越能力，需要考虑各种可能遇到的跌落电压情况。然而，电网电压故障不可控制，在正常实验***中做短路故障跌落实验也不允许。因此研制产生电压跌落的电网电压故障模拟装置十分必要。

目前，研究电压跌落的电网故障模拟装置的拓扑结构主要为3种形式：阻抗形式、电力电子变换形式和变压器形式的电压跌落控制器(VoltageSagGenerator,VSG)。阻抗形式的VSG结构简单，研制实现方便。但其能量损耗大。电力电子变换形式的VSG方案，形式较灵活，但是受到电子开关器件功率的制约，其功率等级受限。同时使用电力电子变换器形式成本高，可靠性低，控制较为复杂。变压器形式的VSG结构简单、容易实现，适用功率等级高，其可靠性较强，安全性高，成本较低，变压器形式的VSG得到广泛的应用。但现有变压器形式的VSG只形成降压，并且试验中应短路引起的电压电流冲击大，缺乏限流保护设计，或存在间断的跌落电压。

发明内容

本发明的目的是提供一种电网电压故障模拟装置，其特征在于，所述电网电压故障模拟装置主要包括上位机、RS485串口总线、主控制电路、继电器驱动电路、数据采集电路、中心抽头变压器、三相继电器开关电路及限流保护电阻；其中，主控制电路通过RS485串口总线与上位机通信，RS485串口总线与主控制器的主控芯片STM32F103连接；主控芯片STM32F103分别连接继电器驱动电路和数据采集电路，驱动继电电路通过K1‐K7触点开关接线端子分别连接中心抽头变压器的原边绕组和副边绕组；其中中心抽头变压器的原边绕组通过K7触点开关接电网三相电压，中心抽头变压器的副边绕组接六个三相继电器；数据采集电路从三相继电器的输出端采集控制信号。

所述电网电压故障模拟装置模拟故障不同的工作模式为单相故障、两相故障、三相故障、对称故障、不对称故障、设置跌落深度故障或升高故障。

所述的中心抽头变压器为带中性线的三相中心抽头变压器，原边侧三相绕组通过K7触点开关分别接电网的A、B、C三相电压和中性点N；副边侧有3个三相绕组，每一绕组具有可调节不同变比的抽头，其变比为120％、110％、100％、90％、80％、70％、60％、50％、40％、30％、20％、10％和0％；每一绕组通过有两个L移动抽头调节不同变比，两个L移动抽头各连接一个三相继电器。

所述主控制器电路包括：意法半导体公司的STM32系列微控制处理器，其中微控制处理器的主控芯片STM32F103满足所有的数据运算处理功能；由市电转24V供电，24V转3.3V芯片供电模块供电；由主控芯片STM32F103组成的控制器电路负责控制继电器驱动电路以及数据采集电路，控制中心抽头变压器副边的六个三相继电器的K1‐K6触点开关，为防止切换过程中经绕组短路引起的过流设计了限流电阻，以一定的顺序执行继电器的开关与持续时间，通过上位机设置参数与执行实验操作，能够灵活方便地进行电网电压跌落故障的模拟操作。

所述RS485串口总线包含程序下载JTAG接口和RS485接口模块执行串口通信。

所述数据采集电路采用霍尔传感器负责电压数据信号采集，由AD负责模数转换。

所述继电器驱动电路集成于主控芯片的IO口，负责操作中心抽头变压器副边的六个三相继电器的K1‐K6触点开关的驱动。

所述上位机为采用LabVIEW编写的上位机，包括串口通信设置单元负责设置串口号和波特率；数据读取信息指示单元指示当前电网电压故障模拟器实时的操作状态，通讯状态及数据读取状态；电网电压故障显示单元能够指示故障电压有效值和观测跌落时间；电压跌落设置输入单元能够选择标准模式、自由模式，在自由模式下，自定义故障电压持续时间；以及按键执行操作单元，执行电网电压前端开关、变压器输出端开关和数据读取操作。

本发明的有益效果是采用了基于LabVIEW控制，利用中心抽头变压器形式的VSG设计方法，考验低电压或高电压穿越能力而用于新能源发电(风力发电、光伏发电)的低电压穿或高电压越实验测试，装置设计的结构简单，成本低、可靠性强、安全性高。利用LabVIEW上位机选择跌落持续时间、进行变压器的原边、副边侧继电器进行开关操作，实时精确控制跌落持续时间，产生三相对称、三相不对称、两相、单相不同深度的电网电压故障情况。其适用于风力发电、光伏发电等新能源发电的低电压或升压穿越测试。

附图说明

图1为电网电压故障模拟装置原理框图；

图2为实施例一相结构原理示意框图；

图3为实现低电压穿越曲线图；

图4为实施例三相跌落50％的一次低落波形图。

图5为实施例三相跌落20％的一次低落波形图。

具体实施方式

本发明提供一种电网电压故障模拟装置，下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出详细的实施方式与具体的操作过程。

如图1所示的电网电压故障模拟装置主要包括上位机1、RS485串口总线2、主控制电路3、继电器驱动电路4、数据采集电路5、中心抽头变压器6、三相继电器7及限流保护电阻；其中，主控制电路3通过RS485串口总线2与上位机1通信，RS485串口总线2与主控制器的主控芯片STM32F103连接；主控芯片STM32F103分别连接继电器驱动电路4和数据采集电路5，驱动继电电路4通过K1‐K7触点开关的接线端子10分别连接中心抽头变压器的原边绕组和副边绕组；其中中心抽头变压器为带中性线的三相中心抽头变压器，原边侧三相绕组通过K7触点开关分别接电网8的A、B、C三相电压和中性点N；副边侧有三个三相绕组，每一绕组具有可调节不同变比的抽头，其变比为120％、110％、100％、90％、80％、70％、60％、50％、40％、30％、20％、10％和0％；每一绕组通过有两个L移动抽头调节不同变比，两个L移动抽头各连接一个三相继电器7；数据采集电路5从六个三相继电器的输出端9采集控制信号。

本装置的大致工作过程是：将中心抽头变压器6选择在故障模拟单相、三相、对称、不对称、跌落或升高深度等位置，主控制电路3上电，上位机1设置串口参数、跌落模式或执行跌落时间等项目，闭合电网侧继电器的K7触点开关和输出端的各三继电器，点击跌落位置，读取电网故障模拟装置状态、电压等信息。

其中所述的上位机为LabVIEW编写的上位机，利用RS485串口总线与主控芯片STM32F103进行通信，设置串口号、波特率为19200，自定义设计与主控芯片之间的通信协议，保障通信质量，设计的通信协议包含命令数据帧与响应数据帧。下发命令数据帧包括报头、报尾校验字节、主电路合闸、断开、数据复位、数据读取、跌落执行、跌落时间等设置命令。在通信握手成功后，执行控制板向上位机回传响应帧，包括三相电压各相电压有效值、当前电网电压故障模拟装置的状态信息。

其主控芯片STM32F103再与上位机通信接收到相关操作信息，执行相关的控制操作，进行电压跌落时间精确控制，相关AD转换以及数值运算，对继电器执行逻辑开关的顺序操作。

如图2所示的结合标准低电压穿越曲线，图中Y轴为电压标幺值，X轴为时间，T₁时间段为目前光伏要求的零电压跌落，T₂为可调节的低电压跌落时间，T3为可调节的高升电压持续时间。

在中心抽头变压器副边侧的R1‐R9为限流电阻，L1‐L6分别为三相变压器副边可移动抽头。

如图3所示，以三相变压器中的A相为例进行说明工作原理，正常电网条件下K1导通，K2～K5关断，A相变比为1输出长期与副边相连由K1，K2控制。跌落与升高电压由抽头L1与L2连接控制变比，当A相电压发生跌落时，为了避免K1和K3同时导通而发生过流，控制继电器按照如下顺序动作：K2导通→K1关断→K3导通→K2关断。此时，A相输出与副边L1相连。由于L1的变压比可以不同于原来变比1，A相输出电压将发生跳变。电压恢复过程与之类似，其继电器通断顺序为：K4导通→K3关断→K1导通→K4关断。若要在跌落之后出现高升电压，则需要在跌落之后继电器顺序：K2导通→K1关断→K3导通→K2关断之后，到高升抽头L2，继电器顺序：K4导通→K3关断→K5导通→K4关断。电压恢复继电器通断顺序为：K6导通→K5关断→K1导通→K6关断。综上所述，对于A相，通过选择不同变压比的副边L1、L2位置可以选择不同电压跌落深度、不同模式的电压故障，通过控制跌落和恢复过程的时间间隔，可以控制故障电压持续的时间。

如图4所示，为本装置控制发生持续1.5s时间的三相对称电压跌落50％的实验波形，图5为本装置控制发生持续2s时间的三相对称电压跌落20％的实验波形。从波形可以看出，跌落的时间精确控制，跌落过程平稳。

Claims

1.一种电网电压故障模拟装置，其特征在于，所述电网电压故障模拟装置主要包括上位机、RS485串口总线、主控制电路、继电器驱动电路、数据采集电路、中心抽头变压器、三相继电器开关电路及限流保护电阻；其中，主控制电路通过RS485串口总线与上位机通信，RS485串口总线与主控制器的主控芯片STM32F103连接；主控芯片STM32F103分别连接继电器驱动电路和数据采集电路，驱动继电电路通过K1-K7触点开关接线端子分别连接中心抽头变压器的原边绕组和副边绕组；其中中心抽头变压器的原边绕组通过K7触点开关接电网三相电压，中心抽头变压器的副边绕组接六个三相继电器；数据采集电路从三相继电器的输出端采集控制信号。

2.根据权利要求1所述电网电压故障模拟装置，其特征在于，所述电网电压故障模拟装置模拟故障不同的工作模式为单相故障、两相故障、三相故障、对称故障、不对称故障、设置跌落深度故障或升高故障。

3.根据权利要求1所述电网电压故障模拟装置，其特征在于，所述的中心抽头变压器为带中性线的三相中心抽头变压器，原边侧三相绕组通过K7触点开关分别接电网的A、B、C三相电压和中性点N；副边侧三相绕组，每一绕组具有可调节不同变比的抽头，其变比为120％、110％、100％、90％、80％、70％、60％、50％、40％、30％、20％、10％和0％；每一绕组通过有两个L移动抽头调节不同变比，两个L移动抽头各连接一个三相继电器。

4.根据权利要求1所述电网电压故障模拟装置，其特征在于，所述主控制器电路包括：意法半导体公司的STM32系列微控制处理器，其中微控制处理器的主控芯片STM32F103满足所有的数据运算处理功能；由市电转24V供电，24V转3.3V芯片供电模块供电；由主控芯片STM32F103组成的控制器电路负责控制继电器驱动电路以及数据采集电路，控制中心抽头变压器副边的六个三相继电器的K1-K6触点开关，为防止切换过程中经绕组短路引起的过流设计了限流电阻，以一定的顺序执行继电器的开关与持续时间，通过上位机设置参数与执行实验操作，能够灵活方便地进行电网电压跌落故障的模拟操作。

5.根据权利要求1所述电网电压故障模拟装置，其特征在于，所述RS485串口总线包含程序下载JTAG接口和RS485接口模块执行串口通信。

6.根据权利要求1所述电网电压故障模拟装置，其特征在于，所述数据采集电路采用霍尔传感器负责电压数据信号采集，由AD负责模数转换。

7.根据权利要求1所述电网电压故障模拟装置，其特征在于，所述继电器驱动电路集成于主控芯片的IO口，负责操作中心抽头变压器副边的六个三相继电器的K1-K6触点开关的驱动。

8.根据权利要求1所述电网电压故障模拟装置，其特征在于，所述上位机为采用LabVIEW编写的上位机，包括串口通信设置单元负责设置串口号和波特率；数据读取信息指示单元指示当前电网电压故障模拟器实时的操作状态，通讯状态及数据读取状态；电网电压故障显示单元能够指示故障电压有效值和观测跌落时间；电压跌落设置输入单元能够选择标准模式、自由模式，在自由模式下，自定义故障电压持续时间；以及按键执行操作单元，执行电网电压前端开关、变压器输出端开关和数据读取操作。