摘要：介紹了一款基于MCF51EM256的測量保護模塊的設計與應用，根據微處理器系統的特點從硬件和軟件兩個方面，給出設計方法。該模塊用于風力發電主控控制系統中，除具有傳統電參量的電壓、電流、功率測量功能外還集成了風力渦輪發電機的保護功能，獲得了良好的性能。
關鍵詞：風力發電、低電壓穿越LVRT、Profibus_DP協議、Can open協議
0引言
近年來，隨著傳統能源的價格不斷走高及由此導致發電成本不斷上升和全球氣候變暖等環境問題的影響，可再生能源的開發利用上升到一個前所未有的高度。風力發電是當今世界新能源開發技術最成熟、最具規模開發和商業化發展前景的發電方式之一。風具有隨機變化的特性，而風力發電機組的輸出功率與風速的立方成正比，因此風力發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將會對電網的電能質量和電網穩定性產生影響3。所以在控制風電容量在系統中所占比例的前提下，分析風力發電對電網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，能夠針對風力發電系統的特性，在電網失效、電網頻率、電壓偏差過大、發電機輸出功率過大、有功和無功潮流發生反向等故障，發出告警信號，提醒控制器及時采取措施。本文介紹了一款針對風力發電系統設計的AGP測量保護模塊，該模塊可測量電壓、電流、頻率、電能等傳統電參量，并針對系統電壓、頻率、負載等故障進行報警，同時集成了2個根據時間的欠壓保護，提高了控制系統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架構內核的32位處理器MCF51EM256，時鐘頻率最高可達50.33MHz，內置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次實數乘法和2次實數加法，每次復加法包括2次實數加法，因此計算N點的DFT共需要4N2次實數乘法和(2N2+2N·(N-1))次實數加法。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，在同等條件下未優化DFT運算時間(圖4)和優化DFT運算時間(圖5)經測試對比，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 未優化DFT運算時間 圖5 優化后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、各種通訊協議處理程序等，由于內容較多，現給出部分程序流程。
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置PDB模塊調整自動切換時間，實現電壓、電流相角差調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，現給出AD中斷處理程序流程。
圖 8 中斷程序流程圖
3 風力發電系統相關技術規定和應用
隨著風力發電裝機容量的不斷擴大，國家電網公司對風力發電機提出了一系列的要求，《GB/T 19069-2003 風力發電機組控制器技術條件》和《風電場接入電網技術規定實施細則-2009》中明確了控制器需要具有的功能。主要包括：電網頻率控制、無功功率和電網電壓控制、低電壓穿越(LVRT)控制以及電能質量控制等。
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
當風電場并網點的電壓偏差在-10%～+10%、并網點的閃變值滿足國家標準電能質量關于電壓波動和閃變、公用電網諧波、三相電壓不平衡的規定時，要求風電場內的風電機組應能正常運行。
3.3 風電場低電壓穿越
風電場并網點電壓在圖中電壓輪廓線及以上的區域內時，場內風電機組必須保證不間斷并網運行;并網點電壓在圖中電壓輪廓線以下時，場內風電機組允許從電網切出2。
圖9 風電場低電壓穿越要求的規定
對于不同的歐美國家電網公司，其規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 目前雙饋式風力發電機組并網系統
圖10 交流勵磁變速恒頻風力發電變頻器電路圖
變速恒頻發電將先進的電力電子技術引入發電機控制之中，機組采用變速運行，使風力發電機組葉輪轉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。
在變速恒頻雙饋發電機組運行過程中，定子繞組直接接到電網上，而轉子繞組外接轉差頻率電源實現交流勵磁。當發電機轉子頻率變化時，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電機繞組的場合。下圖10為典型的三相四線發電機繞組結構應用案例。電壓信號直接接入，電流信號經互感器轉換后接入模塊。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，發出報警信號，發電機組禁止啟動。當發電機組運行時出現故障，控制器接收到繼電器1報警后，執行減速運行。當控制器接收到繼電器2報警后，調整控制內部參數，使之正常。當接收到繼電器3報警后，發電機停車，斷開并網開關。當電網電壓出現大幅度跌落，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結語
AGP風力發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電機(雙饋、永磁直驅)提供測量與保護功能，支持Modbus_RTU、Profibus_DP、Can open通訊協議，兼容各類PLC控制系統。產品穩定可靠，是風力設備國產品化的理想產品。
文章來源于：《自動化博覽》2012年9期。
參考文獻：
[1] GB/T 19069-2003 風力發電機組控制器技術條件》
[2]《風電場接入電網技術規定實施細則-2009》
[3] 風力發電測試技術 姚興佳等著 電子工業出版社
[4] 雙饋式風力發電機組柔性并網運行與控制 任永峰 安中全等著 機械出版社
[5] 風力發電系統的設計、運行與維護.葉杭冶等著 電子工業出版社
[6] 任志程，周中，電力電測數字儀表原理與應用指南，中國電力出版社，2007
