風(fēng)力發(fā)電測(cè)量保護(hù)模塊的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陸偉青1 ，王鵬2，  李英新1

（1.上海安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801；

  2.東北電力設(shè)計(jì)院                 長(zhǎng) 春 市  130021）

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

      近年來(lái)，隨著傳統(tǒng)能源的價(jià)格不斷走高及由此導(dǎo)致發(fā)電成本不斷上升和全球氣候變暖等環(huán)境問(wèn)題的影響，可再生能源的開(kāi)發(fā)利用上升到一個(gè)前所未有的高度。風(fēng)力發(fā)電是當(dāng)今世界新能源開(kāi)發(fā)技術(shù)最成熟、最具規(guī)模開(kāi)發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一。風(fēng)具有隨機(jī)變化的特性，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率與風(fēng)速的立方成正比，因此風(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，若將大量風(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。所以在控制風(fēng)電容量在系統(tǒng)中所占比例的前提下，分析風(fēng)力發(fā)電對(duì)電網(wǎng)電壓的影響因素并對(duì)其進(jìn)行控制至關(guān)重要。

      因此，我們需要一款裝置，能夠針對(duì)風(fēng)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(guò)大、發(fā)電機(jī)輸出功率過(guò)大、有功和無(wú)功潮流發(fā)生反向等故障，發(fā)出告警信號(hào)，提醒控制器及時(shí)采取措施。本文介紹了一款針對(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，并針對(duì)系統(tǒng)電壓、頻率、負(fù)載等故障進(jìn)行報(bào)警，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(kāi)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、I2C、SPI、KBI接口等多種資源，具有極高的性價(jià)比。

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(guò)壓、過(guò)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(guò)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(kāi)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 電參量計(jì)算及軟件設(shè)計(jì)

2.1 基波、諧波、相角差等的計(jì)算

DFT的定義

其中

將DFT定義式展開(kāi)成方程組

將方程組寫(xiě)成矩陣形式

用向量表示

X=Wx

用復(fù)數(shù)表示：

      從矩陣形式表示可以看出，由于計(jì)算一個(gè)X(k)值需要N次復(fù)乘法和(N-1)次復(fù)數(shù)加法，因而計(jì)算N個(gè)X(k)值，共需N2次復(fù)乘法和N(N-1)次復(fù)加法。每次復(fù)乘法包括4次實(shí)數(shù)乘法和2次實(shí)數(shù)加法，每次復(fù)加法包括2次實(shí)數(shù)加法，因此計(jì)算N點(diǎn)的DFT共需要4N2次實(shí)數(shù)乘法和(2N2+2N·(N-1))次實(shí)數(shù)加法。當(dāng)N很大時(shí)，這是一個(gè)非常大的計(jì)算量。

      從在實(shí)際應(yīng)用中，為了滿足風(fēng)電系統(tǒng)快速響應(yīng)的要求，j可取64點(diǎn)，N只取2，僅計(jì)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(yùn)算時(shí)間（圖4）和優(yōu)化DFT運(yùn)算時(shí)間（圖5）經(jīng)測(cè)試對(duì)比，計(jì)算單路信號(hào)一次DFT運(yùn)算僅需40us，大大提高了運(yùn)算速度。

        圖4 未優(yōu)化DFT運(yùn)算時(shí)間

      圖5 優(yōu)化后DFT運(yùn)算時(shí)間

2.2 基于對(duì)稱分量法的不對(duì)稱故障計(jì)算

      在一個(gè)三相對(duì)稱的元件中（例如線路、變壓器和發(fā)電機(jī)）， 如果流過(guò)三相正序電流,則在元件上的三相電壓降也是正序的;負(fù)序零序同理。

      假定三相不平衡電壓值以A相為最大值且以A為基準(zhǔn)，即，則根據(jù)對(duì)稱分量法可得負(fù)序電壓表達(dá)式為：

U-=

其中

圖6 負(fù)序電壓求解圖

圖6 為負(fù)序電壓求解圖，同理可以得到電壓正序分量U+。

電壓不平衡度計(jì)算：

U+ -----三相電壓的正序分量；

U- -----三相電壓的負(fù)序分量；

如下表，經(jīng)驗(yàn)證，實(shí)際測(cè)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(jì)算

電壓真有效值計(jì)算：

基波電流計(jì)算：

-----基波電流

------基波電流校準(zhǔn)系數(shù)

------此次DFT 1次分量的模

總諧波失真系數(shù)計(jì)算：

電壓畸變率的計(jì)算：

2.4 軟件流程

AGP的軟件流程主要包括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 7 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(guò)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(lái)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 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(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(wú)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2  各種頻率下的風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行

3.2風(fēng)電場(chǎng)電壓范圍

      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9   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10 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(guò)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(lái)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(guò)載、過(guò)壓、過(guò)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(kāi)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(kāi)并網(wǎng)開(kāi)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11 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(lái)源于：《自動(dòng)化博覽》2012年9期。

參考文獻(xiàn)：

[1]  GB/T 19069-2003  風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制器技術(shù)條件》

[2]《風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定實(shí)施細(xì)則-2009》

[3] 風(fēng)力發(fā)電測(cè)試技術(shù) 姚興佳等著  電子工業(yè)出版社

[4] 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組柔性并網(wǎng)運(yùn)行與控制 任永峰 安中全等著 機(jī)械出版社

[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] 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

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