CN204668967U - 一种风电场参与电网黑启动的控制装置 - Google Patents

一种风电场参与电网黑启动的控制装置 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及一种风电场参与电网黑启动的控制装置，包括空间矢量控制变流器、功率放大设备、ARM主控设备、信号检测调节设备、储能设备、FPGA保护设备以及DSP通信设备；空间矢量控制变流器与储能设备、功率放大设备、FPGA保护设备、DSP通信设备以及风力发电机连接；功率放大设备与主控设备连接；主控设备与FPGA保护设备、DSP通信设备以及信号检测调节设备连接。本实用新型通过主控设备提供控制信号控制空间矢量控制变流器为风力发电机的黑启动提供稳定的电压和频率，并且提供足够的有功和无功功率，实现风力发电机的黑启动，同时利用FPGA保护设备提供过流和过压保护，解决了电压出现短时的下降，电流出现突然上升的问题，进一步保证了风力发电机黑启动的可靠性。

Description

一种风电场参与电网黑启动的控制装置
技术领域
本实用新型涉及电网黑启动技术领域，尤其涉及一种风电场参与电网黑启动的控制装置。
背景技术
电网发生严重故障引起大面积停电时，合理有效的电网黑启动方案是提高电网故障恢复速度，减少停电损失的关键措施。
现有技术中通常采用小水电机组作为黑启动电源，以小水电机组带动火电机组恢复发电。随着大规模风电场接入电网，以配置储能设备的风力风电场作为为黑启动电源，参与电网黑启动，是一种新型、高效、可行的电网黑启动方案。风力发电机主要由风力机、齿轮箱、浆距调节机构、发电机、控制***和变流器组成。在电网停电情况下，风力发电机黑启动时，需要建立电网电压，同时需要消耗一定的有功和无功功率，这就要求风力发电机的控制***具有黑启动的控制特性，从而使风力发电机参与电网黑启动。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题提供一种能够提供风力发电机黑启动时的电压、消耗的有功功率以及无功功率的控制装置。
为解决上述技术问题，本实用新型公开了一种风电场参与电网黑启动的控制装置，所述控制装置包括空间矢量控制变流器、功率放大设备、ARM主控设备、信号检测调节设备、储能设备、FPGA保护设备以及DSP通信设备；
所述空间矢量控制变流器与所述储能设备、功率放大设备、FPGA保护设备、DSP通信设备以及风力发电机连接；
所述功率放大设备与所述ARM主控设备连接；
所述ARM主控设备与所述FPGA保护设备、DSP通信设备以及信号检测调节设备连接；
所述信号检测调节设备连接与电网中。
优选地，还包括辅助电源设备，其与所述FPGA保护设备、功率放大设备、ARM主控设备、信号检测调节设备以及DSP通信设备连接。
优选地，所述信号检测调节设备包括信号检测器和信号调节器，所述信号检测器检测的信号由所述信号调节器进行调节后传输给所述ARM主控设备。
优选地，所述信号检测器包括电流互感器(可以替换为电流传感器)和电压传感器(可以替换为电压互感器)。
优选地，所述信号调节器包括电流调节器和电压调节器。
优选地，所述空间矢量控制变流器采用三相两电平的电路结构。
优选地，所述ARM主控设备采用电压矢量控制策略和下垂型的外环功率控制策略的主控芯片。
优选地，所述控制装置还包括上位机设备，其与所述DSP通信设备连接。
优选地，所述上位机设备与所述DSP通信设备通过RS485进行通信。
优选地，所述功率放大设备采用SKYPER32驱动芯片；
所述辅助电源设备采用UC3842的多路输出反激电源；
所述电压传感器采用CHV-100/1500型闭环霍尔电压传感器。
本实用新型的上述技术方案具有如下优点：通过ARM主控设备提供控制信号控制空间矢量控制变流器为风力发电机的黑启动提供稳定的电压和频率，并且提供足够的有功和无功功率，实现风力发电机的黑启动，同时利用FPGA保护设备提供过流和过压保护，解决了电压出现短时下降、电流突然上升的问题，进一步保证了风力发电机黑启动的可靠性。
附图说明
图1为本实用新型的一个较佳实施例的控制装置的结构示意图；
图2是本实用新型一个较佳实施例的电流调节器的电路结构示意图；
图3a、3b是本实用新型一个较佳实施例中电压调节器的电路结构示意图；
图4是本实用新型一个较佳实施例中空间矢量控制变流器的电路结构示意图；
图5是本实用新型一个较佳实施例中辅助电源设备的控制电路结构示意图；
图6是本实用新型一个较佳实施例中ARM主控设备控制策略示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
图1为本实用新型的一个较佳实施例的控制装置的结构示意图，装置包括空间矢量控制变流器、功率放大设备、ARM主控设备、信号检测调节设备、储能设备、FPGA(现场可编程门阵列)保护设备以及DSP(数字信号处理)通信设备；空间矢量控制变流器与储能设备、功率放大设备、FPGA保护设备、DSP通信设备以及风力发电机连接；功率放设备与ARM主控设备连接；ARM主控设备与FPGA保护设备、DSP通信设备以及信号检测调节设备连接；信号检测调节设备连接与电网中。
由信号检测调节设备采集电网的电压信号和电流信号，进行调节后变为ARM主控设备允许的电压信号作为反馈信号输送入ARM主控设备，ARM主控设备将反馈信号与预先设定的预定信号进行比较和分析得到控制信号，经功率放大器放大后输送入空间矢量控制变流器，对空间矢量控制变流器进行控制，从而对空间矢量控制变流器进行控制输出的电压进行控制，即为风力发电机的黑启动提供电压、有功功率和无功功率。
FPGA保护设备用于为其连接的空间矢量控制变流器和ARM主控设备提供硬件的过电流和过电压保护。DSP通信设备与空间矢量控制变流器连接用于显示空间矢量控制变流器的工作过程中的饿一下参数。储能设备为空间矢量控制变流器功能。
进一步地，本实用新型的控制装置还包括辅助电源设备，其与FPGA保护设备、功率放大设备、ARM主控设备、信号检测调节设备以及DSP通信设备连接，用于提供电源。优选地，辅助电源设备采用UC3842的多路输出反激电源。
本实用新型的辅助电源设备如图5所示。辅助电源设备的交流电是由储能设备逆变得到，按需要变换成ARM主控设备需要的供电电压3.3V、1.8V、±5V、采用电路所需的电压±15V、以及驱动电路需要±15V、±5V等电压，以及其他一些电路所需的±24V。
本申请中，黑启动电源由储能设备经空间矢量控制变流器输送给风力发电机；信号检测调节设备把检测到的模拟信号输送给ARM主控设备进行处理。
进一步地，信号检测调节设备包括信号检测器和信号调节器，信号检测器检测的信号由信号调节器进行调节后传输给ARM主控设备。信号检测器包括电流互感器和电压传感器。信号调节器包括电流调节器和电压调节器。优选地，电压传感器采用CHV-100/1500型闭环霍尔电压传感器。
电流调节器可采用如图2所示电路结构，电压调节器可采用如图4所示电路结构，把检测后的信号经过一个电压跟随电路和一个加法电路，一个RC滤波电路组成，稳压二极管保证送入ARM主控设备的信号在0～3V。
具体的，信号检测调节设备把检测到的模拟信号输送给ARM主控设备进行处理，通过互感器和CHV-100/1500型闭环霍尔电压传感器把检测到的模拟信号传递到模拟信号调节设备(电流调节器或电压调节器)，信号经过模拟信号调节设备后变成ARM主控设备允许的电压信号，此信号作为反馈信号。ARM主控设备根据给定信号(预先设定的预定信号)和反馈信号，通过对被控对象的数学模型计算得出空间矢量控制变流器控制的占空比信号。此信号可以经过功率放大设备驱动空间矢量控制变流器中开关器件的导通和关断。
进一步地，空间矢量控制变流器采用三相两电平的电路结构，如图4所示。
进一步地，ARM主控设备采用电压源输出特性的内环电压矢量控制策略和下垂型的外环功率控制策略，如图6所示，内环采用基于前馈解耦的电流环控制，保证有功和无功功率的控制解耦控制。外环采用基于下垂控制的V/f控制，保证能够给风力发电黑启动***提供稳定的电压和频率。具体为：通过测量电网有功功率和无功功率、交流电压、交流电流和电网频率ωv信号，进行有功功率和无功功率解耦控制。通过功率外环计算参考给定电流值iref，通过电流内环引入电流反馈，进行电流内环控制，最终得到控制有功功率的ud和控制无功功率的uq，进行对变流器的控制。
优选地，ARM主控设备可采用ARM9E-S芯片。它具有180MHz的高速处理能力，具备低功耗和高效率的开发平台，广泛用于各种嵌入式产品。
进一步地，控制装置还包括上位机设备，其与DSP通信设备连接，实现人机交互，用于设置相关的参数以及控制命令。优选地，上位机设备与DSP通信设备通过RS485进行通信。
上位机设备作为***协调控制中心，对风电场黑启动过程进行监控。
进一步地，功率放大设备采用SKYPER32驱动芯片。SKYPER32驱动芯片包括了所有基本驱动功能，并简化了门极驱动电路。它具备所有基本驱动芯片所有功能，如电势隔离、VCE监测、短脉冲抑制、欠压监测以及死区时间。增强版本的驱动芯片还具有一些附加功能，如软开关、温度检测、故障管理以及电源监测等。功率放大设备采用ASIC(Application Specific Integrated Circuit)器件以及基于基本驱动功能的设计理念，所需的元件数比驱动电路要少得多。
本实用新型通过储能设备、ARM主控设备和空间矢量控制变流器，建立电网停电情况下的虚拟电网电压，同时为风电场机组黑启动提供必要的有功和无功功率支持，以保证了风电机组启动后参与电网黑启动，并具有过流和过压保护，解决了电压出现短时的下降，电流的突然上升的问题，保证了风力发电机黑启动的可靠性。
风力发电机黑启动成功后，为电网黑启动提供启动电源。风力发电机黑启动是电网黑启动的额前一个步骤，然后它为电网提供电源，再去启动火电厂的发电机组。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种风电场参与电网黑启动的控制装置，其特征在于，所述控制装置包括空间矢量控制变流器、功率放大设备、ARM主控设备、信号检测调节设备、储能设备、FPGA保护设备以及DSP通信设备；
所述空间矢量控制变流器与所述储能设备、功率放大设备、FPGA保护设备、DSP通信设备以及风力发电机连接；
所述功率放大设备与所述ARM主控设备连接；
所述ARM主控设备与所述FPGA保护设备、DSP通信设备以及信号检测调节设备连接；
所述信号检测调节设备连接于电网中。
2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，还包括辅助电源设备，其与所述FPGA保护设备、功率放大设备、ARM主控设备、信号检测调节设备以及DSP通信设备连接。
3.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述信号检测调节设备包括信号检测器和信号调节器，所述信号检测器检测的信号由所述信号调节器进行调节后传输给所述ARM主控设备。
4.根据权利要求3所述的控制装置，其特征在于，所述信号检测器包括电流互感器和电压传感器。
5.根据权利要求3所述的控制装置，其特征在于，所述信号调节器包括电流调节器和电压调节器。
6.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述空间矢量控制变流器采用三相两电平的电路结构。
7.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述ARM主控设备采用电压矢量控制策略和下垂型的外环功率控制策略的主控芯片。
8.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述控制装置还包括上位机设备，其与所述DSP通信设备连接。
9.根据权利要求8所述的控制装置，其特征在于，所述上位机设备与所述DSP通信设备通过RS485进行通信。
10.根据权利要求2或4所述的控制装置，其特征在于，所述功率放大设备包括SKYPER32驱动芯片；
所述辅助电源设备包括UC3842的多路输出反激电源；
所述电压传感器包括CHV-100/1500型闭环霍尔电压传感器。
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