风力发电厂发电频率实时监测系统

风力发电厂发电频率实时监测系统

吕淼

中国电建集团核电工程有限公司  山东济南  250100

摘要：电能是现代社会使用最广泛的能源，也是能量转换的主要形式。由于电能短缺和生态环境问题的紧迫性，风力发电作为一种可再生的绿色能源，受到了人们的广泛关注。随着电力工程的社会化，电能和其他产品一样，必须追求完美的品质。然而，由于风电功率的不可控性，导致风电场风力机出力的波动和不连续性。配电是电力系统的总体规划，空间布局以及系统软件运行全过程的调用和调整是保证电力系统稳定的重要环节。然而，现阶段风电频率的准确测量率和精度还不够高，因此有必要科学研究一套快速、准确的测频装置。

关键词：风力发电厂；发电频率；实时监测系统

1大规模清洁能源发电带来的挑战

1.1对系统备用容量的影响

绿色能源发电的大规模发展趋势极大地增加了电力系统对备用容量的要求。因此，预留容量的分配对于电力系统的应用是非常必要的。风力发电量的任意波动会加剧这种输出功率的不平衡。虽然风力发电预测分析系统的精度正在明显提高，但随着全球气候变化的变化和世界各地恶劣天气的出现，人们的预测分析系统软件在自然界面前已经变得微不足道。因此，电力系统的顺利运行离不开大中型火力发电厂和水电工程的发电机组。该发电机组提供的预留旋转量可确保电力系统更可靠的运行。

1.2对频率质量和稳定性的危害

在大规模风力发电投入运行的同时，一些火力发电机组已逐步退出运行。这不仅降低了电力系统的惯性力响应能力，还降低了一次调频能力。双馈风机和直驱风机是目前风电机组的主要机型。运行标准是在运行标准化后使用变频调速器调节并网，对效率的要求较低。

因此，如果风电场取代传统发电公司，它必须具备惯性力响应、一次调频和二次无线电广播等辅助功能。保证电力系统的正常运行，可以减少风电系统对系统软件可靠性和频率质量的危害。

1.3对电力系统运行的影响

当风机的运行方式为异步发电机时，风机在发电状态下将不断向电网输出功率因数。由于电力系统的速度相同，风力涡轮机应继续消化和吸收电网的无功负荷，确保补偿风机消化和吸收的无功负荷。在这里，必须对无功补偿机械设备进行调整。在这一环节中，通常采用动态无功补偿设备。在某些情况下，它还将与一定体积的并联电容器组相一致。输出功率修复是异步发电机的一个特点。当系统发生短路时，如果保护装置不能立即排除常见故障点，也会发生暂态过程中工作电压的异常变化。随着绿色能源电站新增装机容量的不断提高，中小型火力发电厂的数量正在缓慢减少，新能源技术电站的功率不稳定进一步危及电力系统。当电力系统的运行平衡无法控制时，将会发生大量的离网安全事故。

2风力发电厂发电频率实时监测系统

2.1频率监测系统整体拓扑图

频率监测系统整体拓扑，由电源、信号采集、信号处理3大模块组成。电源为9-36V直流供电，适用于多种电压标准，为频率监测系统中各种芯片提供不同电源电压。信号采集模块将220V交流电转换成同频率的0-5V交流信号和0-5V的方波信号，并滤除高频谐波。将处理信号输入高速ADC芯片和DSP进行处理，完成模拟量到数字量的转变。信号处理模块负责数据的处理和计算，对ADC采集数据进行FFT，结果通过接口传至上位机。

2.2反激变换器

电源模块采用离线式DC/DC反激变换器。控制芯片（uc2845）是一种电流模式脉宽调制（PWM）控制器，它使用一个内部回路控制电路，该电路包含一个小电流检测电阻器，用于检测初级电感器的电流斜率。电流检测电阻器将电感器的电流波形转换为电压信号，电压信号直接输入一次侧PWM比较器。该内环确定对输入电压转换的响应。外部电压控制回路包括将部分输出电压与参考电压进行比较。在离线隔离应用中，隔离输出的电压反馈是通过使用二次误差放大器和可调参考电压（如Ti，431）来实现的。错误信号通过光隔离器通过隔离边界。光隔离器的集电极连接到VREF引脚，发射器连接到VFB引脚。外部电压控制回路确定对负载变化的响应。

2.3锁相倍频电路

在FFT(FastFourierTransformation)中，真正影响测量精度的是一个周期是否可以均匀地划分为N个相等的部分。为了使采样频率快速跟踪信号频率的变化，使采样周期与信号周期同步，设计了一种利用锁相环输出信号动态跟踪输入信号频率的锁相倍频电路。它主要包括三个部分：鉴相器、环路滤波器和压控振荡器（VCO）。VCO的输出信号经过分频器后发送到相位比较器。锁定时，VCO输出信号的频率将等于输入信号频率的K倍。访问除以N计数器以生成N倍频信号作为ADC的转换时钟。

3风力发电调频技术

3.1风电场一次调频功率控制

现阶段流行的风机有两种：一种是双馈风机，另一种是直驱风机。两种风机均为调速风机。根据风机的电磁能量，经过变频调速器后，可以得到能够完成运行规范的工作电压、频率和波形，最终完成稳定的并网。双馈风机的特点是电机转子的电磁感应速比可以在系统软件相同步进速比的30%以内波动；立即驱动风机的特点是，电机转子的电磁感应率可以波动到系统软件相同速度的30%以上，波动范围更大。此外，为了更好地提高发电量和效率，风机在高功率点附近运行。大多数风机由大型风捕获装置操作，因此无法提供无线电广播所需的预留容量，尤其是当必须向上调整频率降低时。

绿色能源发电系统软件初期的通信协议相对陈旧，其输出功率操作逻辑是在负荷限制等特殊情况下进行调整和输出的方式，不能满足新时期参与一次调频的风电场的调整规定。为了更好地满足一次调频的要求，改善无线电广播的特性，风电机组主控芯片的系统软件必须具有相对输出功率控制思想和快速通信协议套接字。

一次调频自动控制系统根据电网准确的测量数据信息，适用于全场主动无线电广播，并将总体目标指令推送到风电场动能管理系统。风电场的动能管理系统有效地解决了单个风力涡轮机的问题。PFM（ProcessFlowModel）主动命令和传统AGC企业主动命令累积在PFM系统软件中。风电场升压站的功率因数保证措施是AGC企业功率因数指令与一次调频的代数和；当电网频率超过调整死区时，AGCenterprise的反向调整命令将被锁定。

3.2发电机转子超速控制

控制发电机组电机转子超速运行的基本原则是根据相关系统的集中控制，调整变桨角等自变量，使风机在较大出力以下运行，从而节省输出功率不足的剩余功率因数，这相当于保存部分保留卷。该保留卷用于参与一次调频。当系统软件频率降低时，控制板以一定的速度推动预留卷，以提高系统软件频率。

其优点是在参与系统软件一次调频时，响应时间快，对风机物理性能危害小，但运行范围不全面。在额定风力标准下，风机过载，输出功率不变，电机转子速比不能提高。因此，适合在额定风力以下的运行条件下超速运行。

然而，在这种发电能力降低的情况下，风机无法在最佳风能利用率下运行，这在一定程度上降低了风电场的年发电量和风机的易用性。同时，还有一系列与风机相关的指标值，如风机的输出功率曲线。

结论

本文充分考虑了风力发电厂对频率测量实时性和准确性的要求，在关键环节应用硬件电路以提高测量速度，采用了高性能开关电容滤波芯片、高速模数转换芯片。在软件仿真成功后，搭建电路进行调试，实际测量结果达到测量速度和精度要求。

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