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风力发电测量保护模块的设计与应用技术

时间:2014-7-11 12:51:21   作者:szacrel86   来源:注册发布   评论:0
内容摘要:风力发电测量保护模块的设计与应用陆伟青1,王鹏2,李英新1(1.上海安科瑞电气股份有限公司上海嘉定201801;2.东北电力设计院长春市130021)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...

风力发电测量保护模块的设计与应用

陆伟青1 ,王鹏2,  李英新1

 

(1.上海安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801;

  2.东北电力设计院                 长 春 市  130021)

 

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。

 

0引言

      近年来,随着传统能源的价格不断走高及由此导致发电成本不断上升和全球气候变暖等环境问题的影响,可再生能源的开发利用上升到一个前所未有的高度。风力发电是当今世界新能源开发技术最成熟、最具规模开发和商业化发展前景的发电方式之一。风具有随机变化的特性,而风力发电机组的输出功率与风速的立方成正比,因此风力发电机组的输出功率通常随着风速大幅快速变化,若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。所以在控制风电容量在系统中所占比例的前提下,分析风力发电对电网电压的影响因素并对其进行控制至关重要。

      因此,我们需要一款装置,能够针对风力发电系统的特性,在电网失效、电网频率、电压偏差过大、发电机输出功率过大、有功和无功潮流发生反向等故障,发出告警信号,提醒控制器及时采取措施。本文介绍了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,并针对系统电压、频率、负载等故障进行报警,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,时钟频率最高可达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,具有极高的性价比。

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可靠性。

 

2 电参量计算及软件设计

2.1 基波、谐波、相角差等的计算

DFT的定义

 

其中

 

将DFT定义式展开成方程组

 

将方程组写成矩阵形式

 

用向量表示

X=Wx

用复数表示:

 

      从矩阵形式表示可以看出,由于计算一个X(k)值需要N次复乘法和(N-1)次复数加法,

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