基于MCF51EM256的風(fēng)力發(fā)電測(cè)量保護(hù)模塊的設(shè)計(jì)與應(yīng)用
孫麗莉
摘要：介紹了一款基于MCF51EM256的測(cè)量保護(hù)模塊的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，根據(jù)微處理器系統(tǒng)的特點(diǎn)從硬件和軟件兩個(gè)方面，給出設(shè)計(jì)方法。該模塊用于風(fēng)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(cè)量功能外還集成了風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的保護(hù)功能，獲得了良好的性能。
關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電、低電壓穿越LVRT、Profibus_DP協(xié)議、Can open協(xié)議
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(huì)對(duì)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(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的AGP測(cè)量保護(hù)模塊，該模塊可測(cè)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(shí)，發(fā)出告警信號(hào)，同時(shí)集成了2個(gè)根據(jù)時(shí)間的欠壓保護(hù)，提高了控制系統(tǒng)對(duì)電壓閃變的抗干擾能力。
1 電路設(shè)計(jì)原理
AGP的硬件電路包括主控芯片、電源、電壓、電流信號(hào)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(shí)鐘頻率最高可達(dá)50.33MHz，內(nèi)置256K的Flash、16K的RAM、4個(gè)獨(dú)立16位AD通道、3路定時(shí)器、3路SCI通訊接口、內(nèi)置RTC時(shí)鐘、I2、SPI、KBI接口等多種資源，具有極高的性價(jià)比。C
1.2 電源
AGP采用直流24V工作電源，使用廣州金升陽(yáng)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(shí)測(cè)輸出紋波<1％，同時(shí)在電源輸入部分設(shè)計(jì)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(hào)采集電路（圖3）
信號(hào)采集包括電壓信號(hào)、電流信號(hào)和頻率信號(hào)：電壓信號(hào)采用分壓電阻輸入，電流信號(hào)采用互感器隔離輸入，將交流信號(hào)抬高后，通過放大電路將信號(hào)進(jìn)行放大，最后將信號(hào)送入CPU進(jìn)行軟件差分運(yùn)算。
圖3 電流信號(hào)電路
1.4 接口設(shè)計(jì)
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(jì)各類接口的同時(shí)，需加入提高電磁兼容性能、耐壓、觸點(diǎn)保護(hù)等元件以提高裝置的可靠性。
2軟件設(shè)計(jì)方法
軟件程序主要包括主程序、A/D信號(hào)采集程序、TPM測(cè)頻程序、電參量計(jì)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4 主程序流程圖
MCF51EM256每一路AD模塊均具有A和B 2個(gè)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(dòng)切換時(shí)間，實(shí)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(jiǎn)單可行，中斷同時(shí)需對(duì)AD異常做出處理，現(xiàn)給出AD中斷處理程序流程。
圖5 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(guó)家電網(wǎng)公司對(duì)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(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定實(shí)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(chǎng)運(yùn)行頻率
表 各種頻率下的風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行
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電網(wǎng)頻率范圍
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要求
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低于48Hz
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根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組允許運(yùn)行的最低頻率而定。
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48Hz－49.5Hz
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每次頻率低于49.5Hz時(shí)要求至少能運(yùn)行10min。
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49.5Hz－50.5Hz
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連續(xù)運(yùn)行。
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50.5Hz－51Hz
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每次頻率高于50.5Hz時(shí)，要求至少能運(yùn)行2min；并且當(dāng)頻率高于50.5Hz時(shí)，不允許停止?fàn)顟B(tài)的風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)。
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高于51Hz
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根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度部門的指令限功率運(yùn)行。
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當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓偏差在－10％～＋10％、并網(wǎng)點(diǎn)的閃變值滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)電能質(zhì)量關(guān)于電壓波動(dòng)和閃變、公用電網(wǎng)諧波、三相電壓不平衡的規(guī)定時(shí)，要求風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組應(yīng)能正常運(yùn)行。
3.3 風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越
風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在圖中電壓輪廓線及以上的區(qū)域內(nèi)時(shí)，場(chǎng)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(diǎn)電壓在圖中電壓輪廓線以下時(shí)，場(chǎng)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組允許從電網(wǎng)切出2。
圖6 風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越要求的規(guī)定
對(duì)于不同的歐美國(guó)家電網(wǎng)公司，其規(guī)定的低電壓的跌至幅度和穿越時(shí)間也存在差異，英國(guó)為15%和140ms，德國(guó)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7 交流勵(lì)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(shí)現(xiàn)交流勵(lì)磁。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子頻率變化時(shí)，控制勵(lì)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(chǎng)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(hào)直接接入，電流信號(hào)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(shí)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(bào)警信號(hào)，發(fā)電機(jī)組禁止啟動(dòng)。當(dāng)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)故障，控制器接收到繼電器1報(bào)警后，執(zhí)行減速運(yùn)行。當(dāng)控制器接收到繼電器2報(bào)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(bào)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(dòng)計(jì)算跌落深度和時(shí)間，判斷是否可以穿越低電壓，給出繼電器4診斷信號(hào)。
圖8 AGP300典型應(yīng)用圖
4結(jié)語(yǔ)
AGP風(fēng)力發(fā)電測(cè)量保護(hù)模塊采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)方案，能夠針對(duì)不同類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)（雙饋、永磁直驅(qū)）提供測(cè)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(guó)產(chǎn)品化的理想產(chǎn)品。
文章來源于：《自動(dòng)化應(yīng)用》2012年第10期。
參考文獻(xiàn)：
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[2]《風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定實(shí)施細(xì)則-2009》
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[5] 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行與維護(hù)．葉杭冶等著 電子工業(yè)出版社
[6] Guideline for the Certification of Wind Turbines Edition 2010_R0
[7] 任志程，周中，電力電測(cè)數(shù)字儀表原理與應(yīng)用指南，中國(guó)電力出版社，2007
作者簡(jiǎn)介：
孫麗莉，女，本科，沈陽(yáng)安科瑞電力系統(tǒng)集成有限公司工程師，主要研究方向?yàn)橹悄茈娏ΡO(jiān)控與電能管理系統(tǒng)，技術(shù)交流：024-22598684 傳真：024-22598310 郵箱：acrelsll@163.com