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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)計院 長 春 市 130021）
摘要：介紹了一款基于MCF51EM256的測量保護模塊的設(shè)計與應(yīng)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(shè)計方法。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、功率測量功能外還集成了風(fēng)力渦輪發(fā)電機的保護功能，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，隨著傳統(tǒng)能源的價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(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)電方式之一。風(fēng)具有隨機變化的特性，而風(fēng)力發(fā)電機組的輸出功率與風(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(fēng)電容量在系統(tǒng)中所占比例的前提下，分析風(fēng)力發(fā)電對電網(wǎng)電壓的影響因素并對其進行控制至關(guān)重要。
因此，我們需要一款裝置，能夠針對風(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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)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(shè)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(guān)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）。
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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(shè)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。
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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。
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圖3 電流信號電路
1.4 接口設(shè)計
AGP的接口包括人機交互單元、RS485通訊接口、開關(guān)量輸入輸出接口。在設(shè)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(shè)計
2.1 基波、諧波、相角差等的計算
DFT的定義
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其中
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將DFT定義式展開成方程組
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將方程組寫成矩陣形式
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用向量表示
X=Wx
用復(fù)數(shù)表示：
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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(fù)乘法和(N-1)次復(fù)數(shù)加法，因而計算N個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次實數(shù)乘法和2次實數(shù)加法，每次復(fù)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(dāng)N很大時，這是一個非常大的計算量。
從在實際應(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，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。
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圖4 未優(yōu)化DFT運算時間
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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。
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.png) ，則根據(jù)對稱分量法可得負序電壓表達式為：
U-=.png)
其中
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圖6 負序電壓求解圖
圖6 為負序電壓求解圖，同理可以得到電壓正序分量U+。
電壓不平衡度計算：
U+ -----三相電壓的正序分量；
U- -----三相電壓的負序分量；
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
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施加源信號
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理論不平衡率(%)
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實測不平衡率(%)
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A相
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B相
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C相
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220
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0
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0
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100
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99.9
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220
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220
|
0
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50
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49.9
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220
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220
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110
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20
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20.0
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2.3 電壓畸變率的計算
電壓真有效值計算：
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基波電流計算：
.png) -----基波電流
.png) ------基波電流校準(zhǔn)系數(shù)
.png) ------此次DFT 1次分量的模
總諧波失真系數(shù)計算：
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電壓畸變率的計算：
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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(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)電裝機容量的不斷擴大，國家電網(wǎng)公司對風(fēng)力發(fā)電機提出了一系列的要求，《GB/T 19069-2003 風(fēng)力發(fā)電機組控制器技術(shù)條件》和《風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)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(fēng)電場運行頻率
表2 各種頻率下的風(fēng)電場運行
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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)電場內(nèi)風(fēng)電機組允許運行的最低頻率而定。
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48Hz－49.5Hz
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每次頻率低于49.5Hz時要求至少能運行10min。
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49.5Hz－50.5Hz
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連續(xù)運行。
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50.5Hz－51Hz
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每次頻率高于50.5Hz時，要求至少能運行2min；并且當(dāng)頻率高于50.5Hz時，不允許停止?fàn)顟B(tài)的風(fēng)電機組并網(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行。
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3.2風(fēng)電場電壓范圍
當(dāng)風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)電能質(zhì)量關(guān)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(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機組應(yīng)能正常運行。
3.3 風(fēng)電場低電壓穿越
風(fēng)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(fēng)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(fēng)電機組允許從電網(wǎng)切出2。
圖9 風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機組并網(wǎng)系統(tǒng)
圖10 交流勵磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電變頻器電路圖
變速恒頻發(fā)電將先進的電力電子技術(shù)引入發(fā)電機控制之中，機組采用變速運行，使風(fēng)力發(fā)電機組葉輪轉(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(dāng)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(yīng)用案例
AGP能應(yīng)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(gòu)應(yīng)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(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)時間的欠壓保護A、B，給模塊供電DC24V,裝置開始自檢，當(dāng)裝置自檢失敗，發(fā)出報警信號，發(fā)電機組禁止啟動。當(dāng)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(dāng)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(dāng)接收到繼電器3報警后，發(fā)電機停車，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(yīng)用圖
4結(jié)語
AGP風(fēng)力發(fā)電測量保護模塊采用先進的設(shè)計方案，能夠針對不同類型的風(fēng)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(fēng)力設(shè)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：
[1] GB/T 19069-2003 風(fēng)力發(fā)電機組控制器技術(shù)條件》
[2]《風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定實施細則-2009》
[3] 風(fēng)力發(fā)電測試技術(shù) 姚興佳等著 電子工業(yè)出版社
[4] 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機組柔性并網(wǎng)運行與控制 任永峰 安中全等著 機械出版社
[5] 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計、運行與維護．葉杭冶等著 電子工業(yè)出版社
[6] 任志程，周中，電力電測數(shù)字儀表原理與應(yīng)用指南，中國電力出版社，2007
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