可控高温超导储能系统并网全数字监控系统的制作方法

文档序号:7334333阅读:182来源:国知局
专利名称:可控高温超导储能系统并网全数字监控系统的制作方法
技术领域
本发明属于超导电力应用技术领域,涉及基于第二代高温超导体的超导储能系统 (SMES)的全数字化并网监控系统,具体涉及一种可控高温超导储能系统并网全数字监控系统。
背景技术
1987年高温超导的材料发现,为高温超导体实际应用打下了基础。低温超导储能系统是超导实际应用中的相对成熟的技术,但由于制冷成本昂贵,面临着无法扩大市场应用的瓶颈。随着高温超导材料以及现代电力电子技术的快速发展,高温超导储能系统正逐渐替代低温超导储能系统,获得在电力系统中的实际应用。将超导储能系统与现代电力电子功率调节器相结合,通过整流器将电网的能量以电磁能形式储存在超导线圈中,当电网发生故障时再通过功率调节器将能量馈送给电网或作其他用途。功率调节器作为电网与高温超导储能系统进行能量交换的中间桥梁,它通过变压器与电网连接,能独立控制超导磁体与电力系统间的有功功率和无功功率交换,是超导储能系统的关键组成部分。利用高温超导储能装置具有ms级反应速度,功率密度高的特点,一般将其并联于电力系统的关键节点上,可以快速吸收和释放能量,适用于改善电网电能质量,提高电力系统运行稳定性。国内外的科研机构对高温超导储能系统的应用研究开展已久。美国、日本、韩国及北欧国家的科研机构针对超导磁体线圈都开展了电力应用技术的研究,同时也开发了相应的监控系统。我国华中科技大学、中国科学院电工所及清华大学等科研单位也纷纷对超导储能系统做了深入地研究。2005年华中科技大学研制出35kJ/7. 5kW Bi-2223 SMES,并联合浙江大学研发了相应的SMES监控系统;中科院电工所于1999年研制成功我国第一台 25kJ/5kff低温SMES样机,2004年开始构造1MJ/0. 5MW Bi-2223 SMES及其监控系统,并在 2008年进行了 IOkV配电网并网试验调试。但是华中科技大学和中国科学院电工所的两个科研项目对于监控系统的开发主要集中在电力系统层级或超导磁体本体系统的状态监控, 对于连接SMES和电网的中间环节——功率调节器没有研究相应的监控技术。功率调节器作为电网与SMES进行能量交换的中间桥梁,关系到超导储能系统安全运行。因此,一个基于功率调节器,可同时顾及电网和超导磁体单元的可视化、智能化的全数字监控系统将会大大提高超导储能系统并网运行的可靠性。

发明内容
针对前述技术的不足,为了在线实时掌握功率调节器运行时的电网、超导储能系统等的参数变量以及各种运行状态和故障信息,具备在线和远程控制功能,实现超导储能系统并网后运行状态的实时、可靠的切换控制,本发明提出了一种简便、快速、具有人机交互功能的可视化智能监控系统,用于高温超导储能系统(简称,HT SMES)功率调节器运行状态的实时、可靠监测和全数字、智能化并网控制。本发明是基于微控制器(Micro Controller Unit)和数字信号处理器(Digital
4Signal Processor)(简称,MCU&DSP)双处理器形式,应用电压传感器、电流传感器及其他辅助电路和触摸式液晶显示终端,发明了一种针对功率调节器实现高温超导储能系统并网运行的监控系统。本发明的监控系统可以对电网三相电压和三相电流、与电网交换有功功率和无功功率、超导储能系统功率调节器直流母线电压、超导磁体端电压和磁体电流、 磁体温度、磁体中心磁感应强度等状态量及功率调节器硬件电路器件故障、功率调节器工作温度故障、超导磁体故障等开关量进行监控,实现对高温超导储能系统磁体单元各种运行状态的实时、可靠地监测和控制。监控系统使用C8051F020单片机作为主处理器,采用 TMS320F2812芯片作为控制处理器。监控系统首先通过电压传感器和电流传感器对电网的 A、B相电压和电流进行采样,传感器输出的信号经过自主设计的信号调理电路调理后,输入数字信号处理器,并根据电网三相对称性获得C相电压和C相电流的值;同时,电压传感器和电流传感器也对超导磁体的端电压和超导磁体中流过的电流进行采样,同理经过信号调理板调理后输入数字信号处理器进行运算处理;超导储能系统监控系统使用C8051F020单片机作为主控制器实现在彩色液晶终端上的各项监控量的数字化显示和应用触摸屏的人机交互功能。通过按下液晶终端触摸屏上的按键,可以发布不同控制指令给数字信号处理器,数字信号处理器接收控制指令后,按照事先约定的算法发出空间矢量调制脉冲控制功率调节器功率电路中电力电子功率器件的导通和关断,达到对超导储能系统用功率调节器运行状态的控制,最终实现对超导储能系统并网运行状态的切换控制。该功率调节器监控系统为高温超导储能系统的并网安全运行提供了保障,对其模块化和产业化推广应用具有重要价值。本发明的有益效果是(1)能够在线显视超导储能系统的运行变量、状态参量、故障信息,控制并网方式切换;(2)设计了 SMES功率调节器监控系统与上位机通讯接口,具备实现与上位机的远程双向数据通讯功能;(3)基于触摸屏的人机交互方式使得监控系统的操控非常简便和人性化;(4)使用设备包括数字信号处理器、单片机和液晶终端,产品成熟,且易于实现,整个SMES功率调节器监控系统的成本低。


下面结合附图对本发明进一步说明。图1 :SMES功率调节器监控系统。图中1数字信号处理器(DSP),2电压传感器, 3电流传感器,4单片机控制板,5液晶显示终端,6智能功率模块,7智能功率模块驱动电路板,8斩波器模块,9斩波器模块驱动电路板,10信号调理板、11直流母线电容、12散热风扇、 13 DSP电源、14单片机控制板电源、15信号调理板电源、16航空插头。图2 =SMES功率调节器全数字监控系统通信功能。图3 =SMES功率调节器监控系统界面。图4 监控系统故障状态指示界面。图5 监控系统控制命令与超导储能系统运行状态对应关系示意图。
具体实施例方式本发明的超导储能系统功率调节器监控系统构成如附图1所示。包括数字信号处理器(简称,DSP) 1,电压传感器2,电流传感器3,单片机控制板4,液晶显示终端5,智能功率模块6,智能功率模块IPM驱动电路板7,斩波器模块8,斩波器模块绝缘栅双极型功率管 (IGBT)驱动板9,信号调理板10、直流母线电容11、散热风扇12、DSP电源13、单片机控制板电源14、信号调理板电源15、航空插头16。其中电压传感器2,电流传感器3,智能功率模块6,智能功率模块IPM驱动电路板7,斩波器模块8,斩波器模块驱动板9,直流母线电容 11构成功率单元;数字信号处理器1,单片机控制板4,信号调理板10构成控制单元。控制单元和功率单元、液晶显示终端之间通过双向24针航空插头16经屏蔽信号线进行数据通信。监控系统功能原理见附图2。功率单元中的电压传感器采集电网侧的A,B两相电压Ua 和Ub,直流侧的母线电容电压Udc和超导磁体的端电压Usmes ;电流传感器采样电网侧A,B两相的电流Ia、Ib和直流侧母线上的电流值Id。及超导磁体的电流值Ismes。通过带双向24针航空插头的屏蔽信号线,所有电压传感器和电流传感器采样的信号可以无损耗和无干扰地从功率单元传送至控制单元中的信号调理板。上述八路采样信号经信号调理板二阶滤波调理后输入数字信号处理器,数字信号处理器根据采样获得的实际电压、电流、锁相相位等实时数据进行软、硬件保护,并基于并网控制策略计算超导储能系统需要通过功率调节器与电网交换的有功功率和无功功率值,这些传感器采样量、数字信号处理器处理后的监控量和超导储能系统、功率调节器运行时的故障代码信息等,经数字信号处理器串行通信接口 A(SCIA),按照约定的通讯协议发送至单片机;单片机从串行通信接口 A接收数据后,将要监控的数据及功率调节器的运行状态等信息在液晶终端显示屏进行可视化输出。此外,从液晶终端输入的控制命令也经由单片机通过串口 SCIA传送至数字信号处理器,产生所需要的空间矢量调制脉冲驱动功率调节器,实现与电网的双向能量转换。液晶终端界面包括电网相电压、相电流瞬时值、超导磁体端电压、磁体电流值、有功功率、无功功率值、超导储能系统运行温度值等、故障状态指示、超导磁体运行状态、功率调节器运行状态、供现场人员操控的“控制命令”栏按钮。监控界面参见图3所示。当利用触摸笔在液晶终端界面按下“控制命令”(自动、整流、续流、逆变、停机)中的按键后,单片机根据触摸屏上返回的位置信息得出按下的按键的名称,并将该命令对应的代码经由单片机发送至数字信号处理器,数字信号处理器根据该命令代码对应的子程序发出空间矢量调制脉冲,这些脉冲信号经由控制单元上带24针航空插头的屏蔽信号线传送至功率单元中的驱动电路输入端,通过驱动电路的功率放大,控制功率开关器件的通断顺序,最终完成对功率调节器运行状态的控制切换。如果超导磁体、功率调节器运行时出现故障状态,这些故障信息会由数字信号处理器发出,经单片机信息通信,最后在液晶显示界面上该故障对应的状态指示灯将被点亮,指明具体的故障名称。液晶显示终端上,各种故障状态指示界面参见图4所不。用于控制超导储能系统功率调节器运行的“控制命令”按键共有5个命令即自动、 整流、续流、逆变、停机,对应的通信代码分别是0x00,0x10,0x11,0x12,0x13,控制命令与功率调节器和超导磁体的运行状态关系参见图5所示。数字信号处理器和单片机之间的数据收发按照通讯协议进行;该协议约定收发的数据帧均以OxAA为数据帧头,以0x55为数据帧尾,数字信号处理器每次向单片机发送的数据帧长度为6个字节,数据帧包括要显示的
6监控量信息和功率调节器的运行状态信息等;单片机向数字信号处理器发送的数据帧长度为1个字节,数据帧为液晶界面上按下控制命令按键时按键对应的控制命令代码。此外,为便于监控系统和上位机通讯连接,功率调节器监控系统设计利用数字信号处理器的串行通讯口 B(SCIB)和上位机进行通讯连接。数字信号处理器向上位机传送功率调节器的全部运行状态,上位机也可向数字信号处理器发送功率调节器运行控制命令。
前述内容已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的,而不是对本发明的范围的限制,本发明的范围由所附的权利要求定义。
权利要求
1.一种可控高温超导储能系统并网全数字监控系统,其特征在于包括数字信号处理器DSP(I),电压传感器(2),电流传感器(3),单片机控制板(4),液晶显示终端(5),智能功率模块(6),智能功率模块驱动电路板(7),斩波器模块(8),斩波器模块驱动板(9),信号调理板(10)、直流母线电容(11)、散热风扇(12)、DSP电源(13)、单片机控制板电源(14)、信号调理板电源(15)和航空插头(16);其中电压传感器(2),电流传感器(3),智能功率模块(6),智能功率模块驱动电路板(7),斩波器模块(8),斩波器模块驱动板(9),直流母线电容(11)构成功率单元;数字信号处理器(1),单片机控制板(4),信号调理板(10)构成控制单元;所述控制单元、功率单元和液晶显示终端(5)之间通过航空插头(16)经屏蔽信号线进行数据通信;所述功率单元中的电压传感器⑵采集电网侧的A,B两相电压队和队,直流侧的母线电容电压Ud。和超导磁体的端电压Usmes ;电流传感器(3)采样电网侧A,B两相的电流Ia、 Ib和直流侧母线上的电流值Id。及超导磁体的电流值Isnres ;通过屏蔽信号线,所有电压传感器和电流传感器采样的信号无损耗和无干扰地从功率单元传送至控制单元中的信号调理板;上述八路采样信号经信号调理板(10) 二阶滤波调理后输入数字信号处理器(1),数字信号处理器(1)根据采样获得的实际电压、电流和信号调理板(10)中锁相电路测得的电压相位实时数据进行软、硬件保护,并基于并网控制策略计算超导储能系统需要通过功率调节器与电网交换的有功功率和无功功率值;这些传感器采样量、数字信号处理器处理后的监控量和超导储能系统、功率调节器运行时的故障代码信息经数字信号处理器串行通信接口 SCIA,按照约定的通讯协议发送至单片机控制板(4);由单片机实现与液晶显示终端 (5)的数据信息和控制命令的双向交互;同时所有信息还经过数字信号处理器串行通信接口 SCIB,按照约定的通讯协议发送至上位机或从上位机接收命令,供远程监控使用。
2.如权利要求1所述的系统,其特征在于单片机控制板(4)从数字信号处理器串行通信接口 SCIA接收数据后,将监控数据及功率调节器的运行状态信息在液晶显示终端(5)上进行可视化实时输出。
3.如权利要求1所述的系统,其特征在于从液晶显示终端(5)输入的控制命令经由单片机通过串口 SCIA传送至数字信号处理器,产生所需要的空间矢量调制脉冲驱动功率调节器,实现与电网的双向能量转换。
4.如权利要求3所述的系统,其特征在于液晶显示终端(5)的界面包括电网相电压、相电流瞬时值、超导磁体端电压、磁体电流值、有功功率值、无功功率值、超导储能系统运行温度值等、故障状态指示、超导磁体运行状态、功率调节器运行状态、和供现场人员操控的“控制命令”栏按钮;当利用触摸笔在液晶显示终端(5)的界面上按下“控制命令”中的选项自动、整流、续流、逆变和停机中的任一按键后,单片机根据触摸屏上返回的位置信息得出按下的按键的名称,并将该命令对应的代码经由单片机发送至数字信号处理器,数字信号处理器根据该命令代码对应的子程序发出空间矢量调制脉冲,这些脉冲信号经由控制单元的屏蔽信号线传送至功率单元中的驱动电路输入端,通过驱动电路的功率放大,控制功率开关器件的通断顺序,最终依据功率变换需求完成对功率调节器运行状态的控制;如果超导磁体、功率调节器运行时出现故障状态,这些故障信息会由数字信号处理器发出,经单片机接收处理后,最后在液晶显示界面上该故障对应的状态指示灯将被点亮,指明具体的故障名称。
5.如权利要求4所述的系统,其特征在于用于控制超导储能系统功率调节器的“控制命令”中的选项自动、整流、续流、逆变和停机,对应的通信代码分别是0x00,0x10,Oxl 1,0x12,0x13 ;数字信号处理器和单片机之间的数据收发按照通讯协议进行,该协议约定收发的数据帧均以OxAA为数据帧头,以0x55为数据帧尾,数字信号处理器每次向单片机发送的数据帧长度为6个字节,数据帧包括要显示的监控量信息和功率调节器的运行状态信息;单片机向数字信号处理器发送的数据帧长度为1个字节,数据帧为液晶界面上按下控制命令按键时按键对应的控制命令代码。
6.如权利要求1所述的系统,其特征在于为便于监控系统和上位机之间的通讯连接,功率调节器监控系统利用数字信号处理器的串行通讯口 B(SCIB)和上位机进行通讯连接;数字信号处理器向上位机传送功率调节器的全部运行状态,上位机也可向数字信号处理器发送功率调节器运行控制命令。
全文摘要
本发明涉及一种可控高温超导储能系统并网全数字监控系统。该系统采用微控制器和数字信号处理器的双处理器形式,实现对高温超导储能系统并网运行模式的监控。全数字人机交互界面可显示电网、超导储能磁体和功率调节器的瞬时运行参数及运行状态,而且当超导储能系统并网过程中发生故障时,还能将各种故障信息显示到液晶终端界面,便于故障定位和排除。并具备可供现场人员操控的控制命令触摸按键,通过触摸按键即可控制功率调节器的运行状态,同时支持上位机远程控制。是一种综合考虑了超导储能系统、电网、功率调节器的状态和必要的保护技术,具有人机交互功能的智能化超导储能系统并网可视化监控系统,可有效保障超导储能单元的运行安全。
文档编号H02J13/00GK102222935SQ201110160990
公开日2011年10月19日 申请日期2011年6月15日 优先权日2011年6月15日
发明者丘明, 诸嘉慧, 郭云峥 申请人:中国电力科学研究院
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