风电变流器数据采集系统毕业设计方案定稿.doc
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1、引 言伴随工业飞速发展,人类对能源需求显著增加,而地球上可利用常规能源日趋匮乏。为实现能源连续发展,世界各国全部开始开发新能源和再生能源。风能是一个无污染可再生能源,得到了世界上很多国家重视。风力发电作为风能关键应用形式,多年来,在世界范围内取得了长足发展。据国际能源所估计,全球风电总装机12.31亿kW,其发电量占世界总发电量12。中国风电场总装机容量达56.7万kW,估计到,总装机容量达3000万kW,占全国发电量2.4。风力发电系统通常分为两大类,采取恒速恒频发电机风电系统和采取变速恒频发电机风电系统。风力发电机组和电网并联运行时,要求风力发电机组发出电能频率保持恒定,和电网频率相等1。
2、现在,中国外电能质量检测装置种类很繁多,就其性能来说,能够分为高、中、低三档。国外对电能质量研究起步较早,现在相关电能质量研究已经取得了很多结果,尤其是在高级产品领域占据主导地位。国外高级电能质量检测装置特点突出表现在功效丰富和精度高两个方面,如美国FLUK企业、加拿大电力测量企业(Power Measurement Ltd)、瑞典联合电力企业(Unipower)、美国EIG企业等生产电能质量检测装置含有检测精度高、检测指标多、功效丰富等特点。其中Fluke430系列电能质量分析仪,其基础电力参数测量有电压、电流、频率、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数等;电能质量参数测量有电压和电流50
3、次谐波和间谐波、THD (总谐波失真)、功率谐波及谐波方向、闪变分析(瞬时闪变、短时闪变、长时闪变)、电压偏差、频率偏差、三相电压不平衡度等,能检测现在几乎全部电力和电能质量参数,基础精度达0.1%23。在中国,现在电能质量中一些问题已经成为电工领域前沿性课题,吸引了众多高校和科研院所一大批科技人员投入其中进行研究,结果也很显著。在检测和应用仪表开发方面,中国正进入一个蓬勃发展时期。硬件方面有基于单片机、基于DSP、基于ARM系统等。软件方面有基于LABVIEW、 基于CAN总线、基于WEB技术等。迄今为止,中国生产电能质量检测仪水平较高厂家有深圳领步科技、上海宝钢安大电能质量、安徽振兴科技股
4、份、保定方长电子、长沙威盛电子等。她们生产电能质量检测仪产品在一定程度上代表着中国电能质量监测装置优异水平。不过因为中国在电能质量研究上起步相对较晚,使用电能质量测量装置功效单一,只能实现对某种电能质量指标测量,实时性差,多数不含有综合测量、分析、判定功效。伴随电力系统运行管理系统化、网络化、自动化和智能化,对电能质量产品提出了更高要求,以适应该代化电能管理需求456。专用电能质量分析设备功效虽强,但成本偏高,不适合大量应用场所;手持式和便携式设备毕竟是一个临时故障诊疗、排错和评定设备,而且实时性指标也不一定满足要求7。本设计依据这种需求,以DSP为关键,采取A/D采样芯片作实时采样,外围绝大
5、部分逻辑电路均做在CPLD内,大大缩小了体积,能够提升系统可靠性和性价比。同时以数字信号处理技术为出发点,采取更灵活、更正确数字信号处理算法程序进行数据处理,提升系统参数计算效率,使电能质量检测符合数字化技术发展需要,所以含有较强现实意义。第1章 绪论1.1 风力发电电力参数采集关键意义伴随现今经济快速发展,电力用户为满足其对产品个性化、多样性生产需求,从最大经济利益出发,在大功率、冲击性、非线性负荷快速增加同时,更大规模地采取科技含量高器件、设备和技术。越来越多电力用户采取了微电子技术、计算机技术、电力电子技术、数字控制自动化生产线等。伴随微电子技术和电力电子技术发展,基于电力电子技术装置和
6、设备在现代工业中得到了广泛应用,同时直流输电、电气化铁路等冲击性负荷不停增多,还有多种大型用电设备起停,全部对电网电能质量产生严重污染;但其次,伴随高新技术发展,尤其是信息产业发展,用户使用现代新型负荷设备,多是基于微处理器敏感性控制设备,它们对电能质量问题很敏感而且对电能质量要求越来越高。电能质量若偏离正常水平过大,会给发电、输变电和用电设备带来不一样程度危害,对用电企业造成重大经济损失,这使部分过去不受重视电能质量问题变得不容忽略。而众所周知,在工业生产和日常生活中,电力对社会和个人有着亲密关系和关键意义,因为电流、电压过低过高均影响设备寿命,严重还会危及人身安全;均能影响多种电器设备正常
7、使用功效而且对电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数和频率等电力参数正确、快速地检测、监控能够立即掌握供电线路和设备运行状态,立即发觉电网中故障或隐患,进而采取合理和有效方法,确保电力系统及设备运行良好。多年来,伴随电力电子技术快速发展,在化工、冶金、电力传送、电气化铁道等行业,和家用电器中非线性负荷使用日渐增多,尤其是部分大功率整流设备和电弧炉等大量应用,造成在电力系统中产生大量谐波,进而引发电压、电流波形发生畸变,电力谐波不仅会严重危害供用电设备和电气仪表,使供电质量不停下降,影响计量设备测量控制,不能正确地反应电力系统运行情况,损害用户利益,也会对电力系统本身造成不良影响和危害89。在
8、很长一段时间以来,我们还没有一套完整指标来衡量电能质量,通常关心是电力供给量方面,较少关心电能质量友好波情况,而且现有部分检测器件还依靠于有百年历史动圈式仪表和交流互感器之类电工仪表,这些仪表只能显示电力参数有效值和模拟值,误差大,精度低,不能满足实际测量要求,有些也仅考虑了测量基波分量情况,较少考虑对谐波测量,那么电力参数实时正确测量成了必需要处理问题。从以上研究可见,研制一个多功效电力参数检测装置对于风力发电远距离监控含有很关键意义,它不仅要能对如电压、电流、功率、功率因数和频率等关键电力参数进行实时检测,还要对电力系统中高次谐波进行实时分析,从而使远处值班人员采取深入方法,降低谐波污染,
9、确保电能质量,确保电力系统安全、可靠、经济地运行。1.2 数字信号处理器(DSP)在电能检测中关键应用伴随电力电子技术发展,整流器、变频器和电弧炉等多种非线性负载在工农业生产和输用电设备中得到了广泛应用。这些负载非线性、冲击性和不平衡性使电网供电质量日趋恶化,造成很多稳态、暂态电能质量问题10。据美国电力科学研究院Jane Clemmensen粗略估量,当今在美国因电能质量每十二个月造成损失高达260亿美元。相关电能质量问题已引发世界各国高度重视,中国也相继提出了针对电能质量五大指标:供电电压许可偏差、电压波动和闪变、公用电网谐波、三相电压许可不平衡度和电力系统许可频率偏差,并主动进行提升电能
10、质量研究。现在电能质量检测仅限于连续性和稳定性指标检测。传统基于有效值理论检测技术,因为时间窗太长,仅测有效值已经不能反应实际电能质量问题,急需新检测技术来捕捉瞬时干扰波形,测量各次谐波幅值和相位,建立有效自动辨识系统,使之能反应多种电能指标特征及随时间改变规律。因为交流信号是一个近似周期正弦信号,基于变换数字化分析方法含有较强应用价值。利用基FFT数字式测试仪能够正确测量三相不平衡度,采样数据经过FFT变换除去各次谐波后,求得基波幅值和相位。利用对称分量法求得电压、电流正序、负序和零序分量幅值、相位和不平衡度。考虑到多种变换特点,对诸如谐波、间谐波、波形下陷及噪声等以波形畸变为特征稳态电能质
11、量问题,多采取傅立叶变换及其改善算法;对于脉冲、谐振及电压突变等暂态信号分析,多采取能够进行时频分析小波变换。改善STFT(Shorttime FourierTransform)算法也能实现对电能质量评定,其思想是先用宽窗对测量数据进行快速浏览,检测到扰动以后再用窄窗对扰动进行聚焦,结合扰动定义,能够对电能质量问题进行评定分类。另外,为了提升待测电压、电流信噪比,能够利用现代谱分析思想。伴随电能质量研究逐步深入,以后工作将是设计和开发基于变换实用装置,从而进行电能质量检测分析及扰动类型正确识别。1.3 电力参数检测发展及现实状况情况数据采集系统广泛应用在科研、教育、工业、水利、医疗、物流等各行
12、各业,形式多样,种类繁多。数据采集系统应用和发展对中国现代化建设有着很关键现实意义。在工业生产和科学技术研究各行业中,常常利用PC或工控机对多种数据进行采集,如液位、温度、压力、频率等。现在常见采集方法是经过数据采集板卡,常见有A/D卡和RS-422、RS-485等总线板卡,常见产品有西门子、研华工控、联想工控等中国外部分产品,该实现方法通常适适用于规模较复杂采样控制场所。对于通常场所通常见功效比较单一仪器设备,即时采集显示,再经过经验去分析。采取板卡方法数据采集系统不仅安装麻烦、易受机箱内环境干扰,而且轻易受计算机插槽数量和地址、中止资源限制等。这些采集系统,通常结构比较复杂,成本较高。在其
13、它部分领域,如办公自动化方面,伴随目前计算机和网络技术发展,中国信息化水平快速提升,电子政务、电子商务逐步推广,经过信息技术对原有业务改造,政府、企业大多数全部实现了“无纸化”办公步骤。但在多数信息应用中,并不完全涵盖工作全部步骤,很多文档还是以纸质档形式存在,比如考试中机读卡、人口普查表、彩票投注单、选票、定货单等。将这些信息录入计算机是一件很繁琐事情。假如经过键盘手工输入,不仅费时费力且轻易犯错。在实时性要求较高场所如选举中统计选票自动、快速、正确地处理文档显得尤为关键。所以,对这些文档进行计算机自动录入含相关键实现意义。现在在中国外有多个信息录入设备,如高速图象扫描设备,机读一卡设备等。
14、这些产品发展较为成熟,产品形式多样,能快速正确完成对信息数据录入。但这些产品也有各自缺点,如产品结构复杂,价格高昂等。伴随中国电力事业快速发展,电力系统对发、输 、配、用电量采集也有了更高要求。电量采集作为电力系统实时控制、监测、调度自动化前提步骤,毫无疑问含相关键作用。但在电量采集过程中,因为存在谐波等干扰原因,所以怎样正确、快速地采集电力系统中各个模拟量一直是电力系统研究中热点。依据采样信号不一样,采样可分为直流采样和交流采样两大类。直流采样算法简单、便于滤波,但维护复杂、延时较长、无法实现实时信号采集,所以在电力系统中应用越来越受到限制。交流采样实时性好、相位失真小、投资少、便于维护,其
15、缺点是算法复杂、对A/D转换速度和CPU处理速度要求较高。中国自20世纪80年代引进数字信号处理器以来,数字信号处理器已经在各个领域得到了广泛应用,DSP理论和技术已成为领域关键技术。因为DSP芯片既含有高速数字信号处理功效,又含有实时性、低功耗、高集成度等特点,所以在通信、工业控制、航空航天、医疗、国防等应用领域得到了很好应用。现在在市场上有TI、AD、MOTOROLA、AT&T等企业DSP芯片,其中,TI企业TMS320系列DSP芯片是现在最有影响、最为成功数字信号处理器。现在高速数据采集处理通常采取高性能数字信号处理器和高速总线技术框架结构。在电力工业发展早期曾用电解化学原理进行参数测量
16、,1890年,发明了感应式电磁原理电能表并沿用至今。早期电力参数检测大全部采取是模拟电子技术,测量装置体积庞大,功效单一,自动化程度较低和数据测量精度不高,难以进行谐波分析,不含有综合分析和判定功效,通常也不含有异常报警功效。不能立即发觉电力系统中异常现象,而且依靠运行人员定时巡回手工抄表来统计电耗情况,工作强度大,效率低。50年代出现数字式仪表,电力参数测量进入一个新阶段:数字式仪表采取数字电路进行信息数字化处理,和早期模拟仪表相比,能够得比较高正确度,灵敏度提升,价格低,但整体应用范围较窄,功效比较单调,移植性较差,难以适合高速实时信号处理。伴随电子技术和微机技术飞速发展,微机广泛地应用于
17、电力系统测量中,使得电力系统测量、监控技术得到了快速发展,精度和实时性有了很大提升。不过电力系统对检测装置实时性,计算能力及大数据量运算速度等各方面要求不停提升,采取一片CPU或双CPU微机式电力参数检测仪器,需要同时完成电力参数友好波大数据量计算,再加上A/D转换、数据采集、数据传送等系统内容影响,致使系统测量精度和正确度越来越不能满足日益提升性能要求。DSP技术高速发展为电力参数测试技术带来了新变革,尤其是在电力系统电压和电流高次谐波测量和分析中,DSP以其运算速度快、精度高、显著计算能力和实时性、数据输入输出能力强等特点而被广泛应用,而且采取DSP开发测量装置体积小,集成度高,伴随DSP
18、芯片性价比不停提升,开发工具越来越完善,DSP应用成为现在电力参数测试开发最新趋势,在电力参数测量领域大有替换单片机趋势。中国对电力参数研究和开提议步较晚,测量仪器整体测量水平较低,存在着实时性不强,检测指标少,效率低等缺点;现在中国还在使用部分模拟式和数字式测量仪表,即使部分专门测量装置已经在部分部门投入使用,不过多数是部分功效比较单一测试仪和分析仪,多功效、精度高测量装置在市场上比较少见;多年来,中国不少厂家经过借鉴国外测量仪器和经过和外国企业合作,不停研制和推出了多种系列高性能测量仪器。如杭州远方仪器PF9800系列测量仪器,兰州胜利仪器企业智能型电力参数采集测控仪表系列,青岛青智仪器企
19、业电参量测试仪表等。这些测量仪器其性能比较优异,功效也比较齐全,能够测量有效值、功率友好波、闪变和三相不平衡度等全部参数,含有RS-232、RS-485等通讯方法,显示方法美观大方,能够实时显示数值、波形、频谱图等:即使在技术上看,中国测量仪器有了不少进步,但在部分性能指标、可靠性和智能化程度方面和国外同类产品还有一定差距。国外对电力参数研究和开提议步较早,早在70年代就出现了能够测量多个电力参数多功效测量仪表;80年代,伴随目前电子技术发展,测量仪器已经进入智能化时代;90年代来,计算机技术、微电子技术、控制技术尤其网络通讯技术发展,使得测量装置得到空前发展;国外各大企业把这些技术应用于测量
20、装置上。研制推出了众多在世界范围内处于领先测量仪器,如美国Fluke企业推出F43B电能质量分析仪,瑞典UNIPOWER企业UP系列电能质量测量仪等,可实时检测电力系统中全部参数,计算高达51次谐波,能够捕捉电压瞬变和骤升骤降及浪涌电流显示,含有强大网络功效,还含有全汉字操作软件,显示方法多样,硬件全电子化等特点。伴随多种性能要求提升,测量仪器将在使用微机技术基础上,融累计算机控制、网络技术、总线技术和虚拟仪器相关技术,将测量、控制、分析集成于一体;这种装置体积小,测量精度较高,含有较强网络化和自动化功效,能够测量电压、电流、功率因数、频率、无功功率、视在功率、谐波及其它电力参数值测量,而且能
21、够进行多条统计存放、可和计算机进行数据交换、可进行远程实时测量等。目前,电力参数检测仪器正朝着以下方向发展:1、体积小型化、功效多样化、功耗减小,维持电流降低化、采取新器件更高可靠性、显示方法普遍更新。2、实现网络化智能、在线监测。伴随传感器技术、计算机技术、信息技术等发展,系统监测技术广泛采取这些优异科研结果,使在线监测逐步走向实用化阶段;监测装置可作为接入访问平台进入网络,能够实现设备资源和数据资源共享及远程操作。3、虚拟化。虚拟仪器是建立在标准化、系列化、模块化、积木化硬件和软件平台上完全开发系统,结合电力系统应用,开发应用虚拟仪器技术建立高速、高效、大容量、多功效、智能化实时监测系统。
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