基于MCF51EM256的风力发电测量保护模块的设计与应用

时间：2020-01-05作者：沈阳安科瑞电力系统集成有限公司浏览：208

基于MCF51EM256的风力发电测量保护模块的设计与应用

孙丽莉

摘要：介绍了一款基于MCF51EM256的测量保护模块的设计与应用，根据微处理器系统的特点从硬件和软件两个方面，给出设计方法。该模块用于风力发电主控控制系统中，除具有传统电参量的电压、电流、功率测量功能外还集成了风力涡轮发电机的保护功能，获得了良好的性能。

关键词：风力发电、低电压穿越LVRT、Profibus_DP协议、Can open协议

0引言

风力发电是当今世界新能源开发技术较成熟、较具规模开发和商业化发展前景的发电方式，但风的随机变化导致了风力发电机组的输出功率通常随着风速大幅**变化，将大量风电接入电网将会对电网的电能质量和电网稳定性产生影响³。

本文介绍一款针对风力发电系统设计的AGP测量保护模块，该模块可测量电压、电流、频率、电能等传统电参量，并在电网失效、电网频率、电压偏差、发电机输出功率过大、有功和无功潮流发生反向等故障时，发出告警信号，同时集成了2个根据时间的欠压保护，提高了控制系统对电压闪变的抗干扰能力。

1 电路设计原理

AGP的硬件电路包括主控芯片、电源、电压、电流信号采集电路、开关量输入模块、继电器输出模块、人机交互单元、RS485通讯接口、Profibus_DP通讯协议接口、Can open通讯接口（图1）。


图 1 硬件电路框图

1.1 主控芯片

MCU芯片采用freescale公司的Coldfire-V0架构内核的32位处理器MCF51EM256，时钟频率较高可达50.33MHz，内置256K的Flash、16K的RAM、4个独立16位AD通道、3路定时器、3路SCI通讯接口、内置RTC时钟、I²C、SPI、KBI接口等多种资源，具有较高的性价比。

1.2 电源   

AGP采用直流24V工作电源，使用广州金升阳公司的宽电压输入DCDC模块WRF2405P，工作温度范围-40~85℃、隔离电压3000VDC、实测输出纹波<1％，同时在电源输入部分设计加入放电管、PTC压敏电阻、TVS管、防反接二极管等器件（图2），具有过压、过流等保护。


图2 电源电路

1.3 信号采集电路（图3）

信号采集包括电压信号、电流信号和频率信号：电压信号采用分压电阻输入，电流信号采用互感器隔离输入，将交流信号抬高后，通过放大电路将信号进行放大，最后将信号送入CPU进行软件差分运算。


图3 电流信号电路

1.4 接口设计

       AGP的接口包括人机交互单元、RS485通讯接口、开关量输入输出接口。在设计各类接口的同时，需加入提高电磁兼容性能、耐压、触点保护等元件以提高装置的**性。

2软件设计方法

软件程序主要包括主程序、A/D信号采集程序、TPM测频程序、电参量计算程序、保护处理程序、各种通讯协议处理程序等，由于内容较多，现给出部分程序流程。


图4 主程序流程图

MCF51EM256每一路AD模块均具有A和B 2个通道输入，任一通道采集完成后通过内置PDB模块调整自动切换时间，实现电压、电流相角差调整来达到功率补偿功能，该方法简单可行，中断同时需对AD异常做出处理，现给出AD中断处理程序流程。


图5 中断程序流程图

3 风力发电系统相关技术规定和应用

随着风力发电装机容量的不断扩大，地区电网公司对风力发电机提出了一系列的要求，《GB/T 19069-2003  风力发电机组控制器技术条件》和《风电场接入电网技术规定实施细则-2009》中明确了控制器需要具有的功能。主要包括：电网频率控制、无功功率和电网电压控制、低电压穿越（LVRT）控制以及电能质量控制等。

3.1 风电场运行频率

表  各种频率下的风电场运行

电网频率范围	要求
低于48Hz	根据风电场内风电机组允许运行的较低频率而定。
48Hz－49.5Hz	每次频率低于49.5Hz时要求至少能运行10min。
49.5Hz－50.5Hz	连续运行。
50.5Hz－51Hz	每次频率**50.5Hz时，要求至少能运行2min；并且当频率**50.5Hz时，不允许停止状态的风电机组并网。
**51Hz	根据电网调度部门的指令限功率运行。

3.2风电场电压范围

当风电场并网点的电压偏差在－10％～＋10％、并网点的闪变值满足地区标准电能质量关于电压波动和闪变、公用电网谐波、三相电压不平衡的规定时，要求风电场内的风电机组应能正常运行。

3.3 风电场低电压穿越

风电场并网点电压在图中电压轮廓线及以上的区域内时，场内风电机组****不间断并网运行；并网点电压在图中电压轮廓线以下时，场内风电机组允许从电网切出²。


图6   风电场低电压穿越要求的规定

对于不同的欧美地区电网公司，其规定的低电压的跌至幅度和穿越时间也存在差异，英国为15%和140ms，德国为15%和625ms，丹麦为25%和100ms，西班牙为0%和500ms等。

3.4 目前双馈式风力发电机组并网系统


图7 交流励磁变速恒频风力发电变频器电路图

       变速恒频发电将先进的电力电子技术引入发电机控制之中，机组采用变速运行，使风力发电机组叶轮转速跟随风速的变化而变化，保持基本恒定的较佳叶尖速比，从而获得较大的风能利用效率。

在变速恒频双馈发电机组运行过程中，定子绕组直接接到电网上，而转子绕组外接转差频率电源实现交流励磁。当发电机转子频率变化时，控制励磁电流频率来**定子输出频率恒定⁴。

3.5 应用案例

AGP能应用于多种类型的发电机绕组的场合。下图10为典型的三相四线发电机绕组结构应用案例。电压信号直接接入，电流信号经互感器转换后接入模块。设置继电器1为过载、过压、过频，继电器2为欠压、欠频，继电器3为逆功，继电器4为根据时间的欠压保护A、B，给模块供电DC24V,装置开始自检，当装置自检失败，发出报警信号，发电机组禁止启动。当发电机组运行时出现故障，控制器接收到继电器1报警后，执行减速运行。当控制器接收到继电器2报警后，调整控制内部参数，使之正常。当接收到继电器3报警后，发电机停车，断开并网开关。当电网电压出现大幅度跌落，模块自动计算跌落深度和时间，判断是否可以穿越低电压，给出继电器4诊断信号。


图8 AGP300典型应用图

4结语

AGP风力发电测量保护模块采用先进的设计方案，能够针对不同类型的风力发电机（双馈、永磁直驱）提供测量与保护功能，支持Modbus_RTU、Profibus_DP、Can open通讯协议，兼容各类PLC控制系统。产品稳定**，是风力设备国产品化的理想产品。


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