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)利用上升到一個的高度。風(fēng)力發(fā)電是當(dāng)今世界新能源開發(fā)技術(shù)zui成熟、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(fù)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)。
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zui高可達(dá)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*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,zui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(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
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=
用復(fù)數(shù)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(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。
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(fù)序零序同理。
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
2.3 電壓畸變率的計算
電壓真值計算:
基波電流計算:
-----基波電流
K------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(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(dá)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(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
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*葉尖速比,從而獲得zui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。
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
AGP風(fēng)力發(fā)電測量保護模塊采用的設(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:
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