0 引言 

    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,，但風(fēng)的隨機(jī)變化導(dǎo)致了風(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，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,。

本文介紹一款針對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的AGP測量保護(hù)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(jī)輸出功率過大,、有功和無功潮流發(fā)生反向等故障時(shí),，發(fā)出告警信號(hào)，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）,，具有過壓、過流等保護(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 軟件設(shè)計(jì)方法

    軟件程序主要包括主程序,、A/D信號(hào)采集程序,、TPM測頻程序、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)整來達(dá)到功率補(bǔ)償功能，該方法簡單可行,，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(yùn)行頻率

表2  各種頻率下的風(fēng)電場運(yùn)行

3.2 風(fēng)電場電壓范圍

    當(dāng)風(fēng)電場并網(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)電場內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組應(yīng)能正常運(yùn)行。

3.3 風(fēng)電場低電壓穿越

    風(fēng)電場并網(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),，場內(nèi)風(fēng)電機(jī)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(duì)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(shí)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(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(shí)間的欠壓保護(hù)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(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(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

    AGP風(fēng)力發(fā)電測量保護(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)備國產(chǎn)品化的理想產(chǎn)品。