基于MCF51EM256的風(fēng)力發(fā)電測量保護(hù)模塊的設(shè)計與應(yīng)用

0 引言

風(fēng)力發(fā)電是當(dāng)今世界新能源開發(fā)技術(shù)最成熟、最具規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式，但風(fēng)的隨機(jī)變化導(dǎo)致了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率通常隨著風(fēng)速大幅快速變化，將大量風(fēng)電接入電網(wǎng)將會對電網(wǎng)的電能質(zhì)量和電網(wǎng)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響3。

本文介紹一款針對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計的AGP測量保護(hù)模塊，該模塊可測量電壓、電流、頻率、電能等傳統(tǒng)電參量，并在電網(wǎng)失效、電網(wǎng)頻率、電壓偏差、發(fā)電機(jī)輸出功率過大、有功和無功潮流發(fā)生反向等故障時，發(fā)出告警信號，同時集成了2個根據(jù)時間的欠壓保護(hù)，提高了控制系統(tǒng)對電壓閃變的抗干擾能力。

1 電路設(shè)計原理

AGP的硬件電路包括主控芯片、電源、電壓、電流信號采集電路、開關(guān)量輸入模塊、繼電器輸出模塊、人機(jī)交互單元、RS485通訊接口、Profibus_DP通訊協(xié)議接口、Can open通訊接口（圖1）。

圖 1 硬件電路框圖

1.1 主控芯片

MCU芯片采用freescale公司的Coldfire-V0架構(gòu)內(nèi)核的32位處理器MCF51EM256，時鐘頻率最高可達(dá)50.33MHz，內(nèi)置256K的Flash、16K的RAM、4個獨(dú)立16位AD通道、3路定時器、3路SCI通訊接口、內(nèi)置RTC時鐘、I2C、SPI、KBI接口等多種資源，具有極高的性價比。

1.2 電源

AGP采用直流24V工作電源，使用廣州金升陽公司的寬電壓輸入DCDC模塊WRF2405P，工作溫度范圍-40~85℃、隔離電壓3000VDC、實測輸出紋波<1％，同時在電源輸入部分設(shè)計加入放電管、PTC壓敏電阻、TVS管、防反接二極管等器件（圖2），具有過壓、過流等保護(hù)。

圖2 電源電路

1.3 信號采集電路（圖3）

信號采集包括電壓信號、電流信號和頻率信號：電壓信號采用分壓電阻輸入，電流信號采用互感器隔離輸入，將交流信號抬高后，通過放大電路將信號進(jìn)行放大，最后將信號送入CPU進(jìn)行軟件差分運(yùn)算。

圖3 電流信號電路

1.4 接口設(shè)計

AGP的接口包括人機(jī)交互單元、RS485通訊接口、開關(guān)量輸入輸出接口。在設(shè)計各類接口的同時，需加入提高電磁兼容性能、耐壓、觸點保護(hù)等元件以提高裝置的可靠性。

2 軟件設(shè)計方法

軟件程序主要包括主程序、A/D信號采集程序、TPM測頻程序、電參量計算程序、保護(hù)處理程序、各種通訊協(xié)議處理程序等，由于內(nèi)容較多，現(xiàn)給出部分程序流程。

圖 7 主程序流程圖

MCF51EM256每一路AD模塊均具有A和B 2個通道輸入，任一通道采集完成后通過內(nèi)置PDB模塊調(diào)整自動切換時間，實現(xiàn)電壓、電流相角差調(diào)整來達(dá)到功率補(bǔ)償功能，該方法簡單可行，中斷同時需對AD異常做出處理，現(xiàn)給出AD中斷處理程序流程。

圖 8 中斷程序流程圖

3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)規(guī)定和應(yīng)用

隨著風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量的不斷擴(kuò)大，國家電網(wǎng)公司對風(fēng)力發(fā)電機(jī)提出了一系列的要求，《GB/T 19069-2003 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制器技術(shù)條件》和《風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定實施細(xì)則-2009》中明確了控制器需要具有的功能。主要包括：電網(wǎng)頻率控制、無功功率和電網(wǎng)電壓控制、低電壓穿越（LVRT）控制以及電能質(zhì)量控制等。

3.1 風(fēng)電場運(yùn)行頻率

表2 各種頻率下的風(fēng)電場運(yùn)行

3.2 風(fēng)電場電壓范圍

當(dāng)風(fēng)電場并網(wǎng)點的電壓偏差在－10％～＋10％、并網(wǎng)點的閃變值滿足國家標(biāo)準(zhǔn)電能質(zhì)量關(guān)于電壓波動和閃變、公用電網(wǎng)諧波、三相電壓不平衡的規(guī)定時，要求風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組應(yīng)能正常運(yùn)行。

3.3 風(fēng)電場低電壓穿越

風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓在圖中電壓輪廓線及以上的區(qū)域內(nèi)時，場內(nèi)風(fēng)電機(jī)組必須保證不間斷并網(wǎng)運(yùn)行；并網(wǎng)點電壓在圖中電壓輪廓線以下時，場內(nèi)風(fēng)電機(jī)組允許從電網(wǎng)切出2。

圖9 風(fēng)電場低電壓穿越要求的規(guī)定

對于不同的歐美國家電網(wǎng)公司，其規(guī)定的低電壓的跌至幅度和穿越時間也存在差異，英國為15%和140ms，德國為15%和625ms，丹麥為25%和100ms，西班牙為0%和500ms等。

3.4 目前雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)

圖10 交流勵磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電變頻器電路圖

變速恒頻發(fā)電將先進(jìn)的電力電子技術(shù)引入發(fā)電機(jī)控制之中，機(jī)組采用變速運(yùn)行，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉輪轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速的變化而變化，保持基本恒定的最佳葉尖速比，從而獲得最大的風(fēng)能利用效率。

在變速恒頻雙饋發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過程中，定子繞組直接接到電網(wǎng)上，而轉(zhuǎn)子繞組外接轉(zhuǎn)差頻率電源實現(xiàn)交流勵磁。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子頻率變化時，控制勵磁電流頻率來保證定子輸出頻率恒定4。

3.5 應(yīng)用案例

AGP能應(yīng)用于多種類型的發(fā)電機(jī)繞組的場合。下圖10為典型的三相四線發(fā)電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)應(yīng)用案例。電壓信號直接接入，電流信號經(jīng)互感器轉(zhuǎn)換后接入模塊。設(shè)置繼電器1為過載、過壓、過頻，繼電器2為欠壓、欠頻，繼電器3為逆功，繼電器4為根據(jù)時間的欠壓保護(hù)A、B，給模塊供電DC24V,裝置開始自檢，當(dāng)裝置自檢失敗，發(fā)出報警信號，發(fā)電機(jī)組禁止啟動。當(dāng)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時出現(xiàn)故障，控制器接收到繼電器1報警后，執(zhí)行減速運(yùn)行。當(dāng)控制器接收到繼電器2報警后，調(diào)整控制內(nèi)部參數(shù)，使之正常。當(dāng)接收到繼電器3報警后，發(fā)電機(jī)停車，斷開并網(wǎng)開關(guān)。當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)大幅度跌落，模塊自動計算跌落深度和時間，判斷是否可以穿越低電壓，給出繼電器4診斷信號。

圖11 AGP300典型應(yīng)用圖

4 結(jié)語

AGP風(fēng)力發(fā)電測量保護(hù)模塊采用先進(jìn)的設(shè)計方案，能夠針對不同類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)（雙饋、永磁直驅(qū)）提供測量與保護(hù)功能，支持Modbus_RTU、Profibus_DP、Can open通訊協(xié)議，兼容各類PLC控制系統(tǒng)。產(chǎn)品穩(wěn)定可靠，是風(fēng)力設(shè)備國產(chǎn)品化的理想產(chǎn)品。

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