基于MCF51EM256的風力發(fā)電測量保護模塊的設計與應用

時間：2020-01-05作者：沈陽安科瑞電力系統(tǒng)集成有限公司瀏覽：206

基于MCF51EM256的風力發(fā)電測量保護模塊的設計與應用

孫麗莉

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

風力發(fā)電是當今世界新能源開發(fā)技術較成熟、較具規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式，但風的隨機變化導致了風力發(fā)電機組的輸出功率通常隨著風速大幅**變化，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。

本文介紹一款針對風力發(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，并在電網(wǎng)失效、電網(wǎng)頻率、電壓偏差、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，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，時鐘頻率較高可達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，具有較高的性價比。

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**性。

2軟件設計方法

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5 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，地區(qū)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  各種頻率下的風電場運行

電網(wǎng)頻率范圍	要求
**48Hz	根據(jù)風電場內(nèi)風電機組允許運行的較低頻率而定。
48Hz－49.5Hz	每次頻率**49.5Hz時要求至少能運行10min。
49.5Hz－50.5Hz	連續(xù)運行。
50.5Hz－51Hz	每次頻率**50.5Hz時，要求至少能運行2min；并且當頻率**50.5Hz時，不允許停止狀態(tài)的風電機組并網(wǎng)。
**51Hz	根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度部門的指令限功率運行。

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)點的閃變值滿足地區(qū)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****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6   風電場低電壓穿越要求的規(guī)定

對于不同的歐美地區(qū)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7 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**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，保持基本恒定的較佳葉尖速比，從而獲得較大的風能利用效率。

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**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8 AGP300典型應用圖

4結語

AGP風力發(fā)電測量保護模塊采用**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**，是風力設備國產(chǎn)品化的理想產(chǎn)品。


沈陽安科瑞電力系統(tǒng)集成有限公司專注于電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)、電力儀表等

• 詞條

  詞條說明

• 論石化行業(yè)電氣安全檢測與實現(xiàn)

  論石化行業(yè)電氣安全檢測與實現(xiàn) 孫麗莉 摘 要：介紹了石化行業(yè)火災危險環(huán)境的特點，闡明了消防設備電源監(jiān)控系統(tǒng)以及電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)在石化行業(yè)供配電系統(tǒng)中的必要性及功能實現(xiàn)。 關鍵詞：火災危險環(huán)境；電氣安全；電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)；消防設備電源監(jiān)控 不*統(tǒng)計全國在冊的石油化工企業(yè)已有數(shù)萬家，地區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展、人民生活質(zhì)量的提升以及地區(qū)建設的進步都離不開石化行業(yè)所做的貢獻。然而就其本身而言也存在著眾多的安全隱

• 智能保護器在油田潛油電泵控制系統(tǒng)中的應用

  智能保護器在油田潛油電泵控制系統(tǒng)中的應用 孫麗莉 摘要：介紹了油田潛油電泵控制系統(tǒng)中電機保護器的功能、軟件及應用，說明了電機保護器應用于潛油電泵的必要性。 關鍵詞：智能保護器?? 功能?? 油田潛油電泵?? 應用 1 引言 ?????? 隨著我國石油工業(yè)的發(fā)展和油田開發(fā)的需要，

• 石化行業(yè)電能質(zhì)量分析及治理

  石化行業(yè)電能質(zhì)量分析及治理 孫麗莉 摘要：隨著電力電子技術的深入應用，石化行業(yè)的自動化程度不斷提高，負載性質(zhì)也發(fā)生了質(zhì)的變化，非線性、沖擊性負荷的增加帶來了電壓閃變、三相不平衡、諧波等一系列電能質(zhì)量問題，影響電網(wǎng)安全運行，降低產(chǎn)能。所以，不斷優(yōu)化和完善石化行業(yè)電能質(zhì)量，是石化行業(yè)經(jīng)濟安全運行的重要**。 關鍵詞：石化行業(yè)、電能質(zhì)量、電壓閃變、諧波 1.引言 隨著我國建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會

• 數(shù)據(jù)中心能耗采集裝置的設計

  數(shù)據(jù)中心能耗采集裝置的設計 孫麗莉 Design of device for Data center energy acquisition 摘要? 本文系統(tǒng)介紹了一款數(shù)據(jù)中心精密電源配電柜用多回路能耗采集裝置的設計方法。詳細說明了設計原理、硬件構成以及軟件設計的方法。以此方式設計的裝置能夠滿足精密電源柜對多回路負載電量的集成化測量和安裝要求，為數(shù)據(jù)中心能耗管理提供**的測量依據(jù)。 關鍵