摘要：介紹了一款基于MCF51EM256的測量保護模塊的設計與應用，根據(jù)微處理器系統(tǒng)的特點從硬件和軟件兩個方面，給出設計方法。該模塊用于風力發(fā)電主控控制系統(tǒng)中，除具有傳統(tǒng)電參量的電壓、電流、功率測量功能外還集成了風力渦輪發(fā)電機的保護功能，獲得了良好的性能。
關鍵詞：風力發(fā)電、低電壓穿越LVRT、Profibus_DP協(xié)議、Can open協(xié)議
0引言
近年來，隨著傳統(tǒng)能源的價格不斷走高及由此導致發(fā)電成本不斷上升和全球氣候變暖等環(huán)境問題的影響，可再生能源的開發(fā)利用上升到一個前所未有的高度。風力發(fā)電是當今世界新能源開發(fā)技術最成熟、最具規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一。風具有隨機變化的特性，而風力發(fā)電機組的輸出功率與風速的立方成正比，因此風力發(fā)電機組的輸出功率通常隨著風速大幅快速變化，若將大量風電接入電網(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。所以在控制風電容量在系統(tǒng)中所占比例的前提下，分析風力發(fā)電對電網(wǎng)電壓的影響因素并對其進行控制至關重要。
因此，我們需要一款裝置，能夠針對風力發(fā)電系統(tǒng)的特性，在電網(wǎng)失效、電網(wǎng)頻率、電壓偏差過大、發(fā)電機輸出功率過大、有功和無功潮流發(fā)生反向等故障，發(fā)出告警信號，提醒控制器及時采取措施。本文介紹了一款針對風力發(fā)電系統(tǒng)設計的AGP測量保護模塊，該模塊可測量電壓、電流、頻率、電能等傳統(tǒng)電參量，并針對系統(tǒng)電壓、頻率、負載等故障進行報警，同時集成了2個根據(jù)時間的欠壓保護，提高了控制系統(tǒng)對電壓閃變的抗干擾能力。
1 電路設計原理
AGP的硬件電路包括主控芯片、電源、電壓、電流信號采集電路、開關量輸入模塊、繼電器輸出模塊、人機交互單元、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架構內(nèi)核的32位處理器MCF51EM256，時鐘頻率最高可達50.33MHz，內(nèi)置256K的Flash、16K的RAM、4個獨立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。
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行放大，最后將信號送入CPU進行軟件差分運算。
圖3 電流信號電路
1.4 接口設計
AGP的接口包括人機交互單元、RS485通訊接口、開關量輸入輸出接口。在設計各類接口的同時，需加入提高電磁兼容性能、耐壓、觸點保護等元件以提高裝置的可靠性。
2 電參量計算及軟件設計
2.1 基波、諧波、相角差等的計算
DFT的定義
其中
將DFT定義式展開成方程組
將方程組寫成矩陣形式
用向量表示
X=Wx
用復數(shù)表示：
從矩陣形式表示可以看出，由于計算一個X(k)值需要N次復乘法和(N-1)次復數(shù)加法，因而計算N個X(k)值，共需N2次復乘法和N(N-1)次復加法。每次復乘法包括4次實數(shù)乘法和2次實數(shù)加法，每次復加法包括2次實數(shù)加法，因此計算N點的DFT共需要4N2次實數(shù)乘法和(2N2+2N·(N-1))次實數(shù)加法。當N很大時，這是一個非常大的計算量。
從在實際應用中，為了滿足風電系統(tǒng)快速響應的要求，j可取64點，N只取2，僅計算基波電壓、電流和相角差等參數(shù)，在同等條件下未優(yōu)化DFT運算時間(圖4)和優(yōu)化DFT運算時間(圖5)經(jīng)測試對比，計算單路信號一次DFT運算僅需40us，大大提高了運算速度。
圖4 未優(yōu)化DFT運算時間 圖5 優(yōu)化后DFT運算時間
2.2 基于對稱分量法的不對稱故障計算
在一個三相對稱的元件中(例如線路、變壓器和發(fā)電機)， 如果流過三相正序電流,則在元件上的三相電壓降也是正序的;負序零序同理。
如下表，經(jīng)驗證，實際測量值誤差小于0.1%。
表1 各種情況下的不平衡率
2.3 電壓畸變率的計算
電壓真有效值計算：
基波電流計算：
總諧波失真系數(shù)計算：
電壓畸變率的計算：
2.4 軟件流程
AGP的軟件流程主要包括A/D信號采集程序、TPM測頻程序、電參量計算程序、保護處理程序、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)整來達到功率補償功能，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 風力發(fā)電系統(tǒng)相關技術規(guī)定和應用
隨著風力發(fā)電裝機容量的不斷擴大，國家電網(wǎng)公司對風力發(fā)電機提出了一系列的要求，《GB/T 19069-2003 風力發(fā)電機組控制器技術條件》和《風電場接入電網(wǎng)技術規(guī)定實施細則-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 風電場運行頻率
表2 各種頻率下的風電場運行
3.2風電場電壓范圍
當風電場并網(wǎng)點的電壓偏差在-10%～+10%、并網(wǎng)點的閃變值滿足國家標準電能質(zhì)量關于電壓波動和閃變、公用電網(wǎng)諧波、三相電壓不平衡的規(guī)定時，要求風電場內(nèi)的風電機組應能正常運行。
3.3 風電場低電壓穿越
風電場并網(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)風電機組必須保證不間斷并網(wǎng)運行;并網(wǎng)點電壓在圖中電壓輪廓線以下時，場內(nèi)風電機組允許從電網(wǎng)切出2。
圖9 風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 目前雙饋式風力發(fā)電機組并網(wǎng)系統(tǒng)
圖10 交流勵磁變速恒頻風力發(fā)電變頻器電路圖
變速恒頻發(fā)電將先進的電力電子技術引入發(fā)電機控制之中，機組采用變速運行，使風力發(fā)電機組葉輪轉(zhuǎn)速跟隨風速的變化而變化，保持基本恒定的最佳葉尖速比，從而獲得最大的風能利用效率。
在變速恒頻雙饋發(fā)電機組運行過程中，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。當發(fā)電機轉(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 應用案例
AGP能應用于多種類型的發(fā)電機繞組的場合。下圖10為典型的三相四線發(fā)電機繞組結(jié)構應用案例。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A、B，給模塊供電DC24V,裝置開始自檢，當裝置自檢失敗，發(fā)出報警信號，發(fā)電機組禁止啟動。當發(fā)電機組運行時出現(xiàn)故障，控制器接收到繼電器1報警后，執(zhí)行減速運行。當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。當接收到繼電器3報警后，發(fā)電機停車，斷開并網(wǎng)開關。當電網(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典型應用圖
4結(jié)語
AGP風力發(fā)電測量保護模塊采用先進的設計方案，能夠針對不同類型的風力發(fā)電機(雙饋、永磁直驅(qū))提供測量與保護功能，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，是風力設備國產(chǎn)品化的理想產(chǎn)品。
文章來源于：《自動化博覽》2012年9期。
參考文獻：
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