2022年风力发电测量保护模块的设计方案与应用网站.docx

精选学习资料 - - - - - - - - - 风力发电测量爱护模块的设计与应用温刚摘要 ：介绍了一款基于MCF51EM256的测量爱护模块的设计与应用,依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掌握系统中,除具有传统电参量的电压、电流、功率测量功能外仍集成了风力涡轮发电机的爱护功能,获得了良好的性能；关键词 ：风力发电、低电压穿越 0 引言LVRT 、 Profibus_DP 协议、 Can open 协议近年来,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进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,如将大量风电接入电网将会对电网的电能质量和电网稳固 性产生影响 3；所以在掌握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掌握至关重要；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 测量爱护模块,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个依据时间的欠压爱护,提高了掌握系统对电压闪变的抗干扰才能；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 芯片采纳 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 1 / 9 50.33MHz ,内置 256K的 Flash名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 、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 采纳直流 24V 工作电源,使用广州金升阳公司的宽电压输入 DCDC 模块 WRF2405P,工作温度范畴-4085、隔离电压 3000VDC 、实测输出纹波、PTC压敏电阻、 TVS 管、防反接二极管等器件<1,同时在电源输入部分设计加入放电管 <图2）,具有过压、过流等爱护；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：电压信号采纳分压电阻输入,电流信 号采纳互感器隔离输入,将沟通信号抬高后,通过放大电路将信号进行放大,最终将信号 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、触点爱护等元件以提高装置的牢靠性；2 电参量运算及软件设计 2.1 基波、谐波、相角差等的运算 DFT 的定义其中2 / 9 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 将DFT 定义式绽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,由于运算一个Xk> 值需要 N次复乘法和 N-1>次复数加法,因而运算 N个Xk> 值,共需 N2次复乘法和 NN-1>次复加法；每次复乘法包括 4次实数乘法和 2次实数加法,每次复加法包括 2次实数加法,因此运算 N点的 DFT 共需要 4N2次实数乘法和 2N2+2N· N-1>>次实数加法；当 N很大时,这是一个特别大的运算量；从在实际应用中,为了满意风电系统快速响应的要求,j可取 64点, N只取 2,仅运算基波电压、电流和相角差等参数,在同等条件下未优化DFT运算时间 <图 4）和优化DFT运算时间 <图 5）经测试对比,运算单路信号一次图 4 未优化 DFT运算时间2.2 基于对称重量法的不对称故障运算DFT运算仅需 40us,大大提高了运算速度；图 5 优化后 DFT运算时间3 / 9 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 在一个三相对称的元件中<例如线路、变压器和发电机）,假如流过三相正序电流 ,就在元件上的三相电压降也是正序的；负序零序同理；假定三相不平稳电压值以 A 相为最大值且以 A为基准,即,就依据对称重量法可得负序电压表达式为：U-=其中图6 U+ ；图6 负序电压求解图为负序电压求解图,同理可以得到电压正序重量电压不平稳度运算：U+ - 三相电压的正序重量；U- - 三相电压的负序重量；如下表,体会证,实际测量值误差小于 0.1%；表1 各种情形下的不平稳率A相施加源信号C相理论不平稳率 实测不平稳率 B相%> %> 220 0 0 100 99.9 220 220 0 50 49.9 220 220 110 20 20.0 2.3 电压畸变率的运算电压真有效值运算：基波电流运算：- 基波电流- 基波电流校准系数- 此次 DFT 1 次重量的模4 / 9 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 总谐波失真系数运算：电压畸变率的运算：2.4 软件流程AGP 的软件流程主要包括A/D 信号采集程序、TPM 测频程序、电参量运算程序、爱护处理程序、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 7 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,该方法简洁可行,中断同时需对 AD反常做出处理,现给出AD 中断处理程序流程；5 / 9 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 8 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,国家电网公司对风力发电机提出了一系列的要求, GB/T 19069-2003 风力发电机组掌握器技术条件和风电场接入电网技术规定实施细就-2022中明确了掌握器需要具有的功能；主要包括：电网频率掌握、无功功率和电网电压掌握、低电压穿越 <LVRT ）掌握以及电能质量掌握等；3.1 风电场运行频率表2 各种频率下的风电场运行电网频率范畴低于 48Hz 48Hz49.5Hz 49.5Hz 50.5Hz 50.5Hz51Hz 要求 依据风电场内风电机组答应运行的最低频率 而定；每次频率低于 49.5Hz 时要求至少能运行10min；连续运行；每次频率高于 50.5Hz 时,要求至少能运行2min；并且当频率高于50.5Hz时,不答应停止状态的风电机组并网；高于 51Hz 依据电网调度部门的指令限功率运行；3.2风电场电压范畴当风电场并网点的电压偏差在10 10、并网点的闪变值满意国家标准电能质量关于电压波动和闪变、公用电网谐波、三相电压不平稳的规定时,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,场内风电机组必需保证不间6 / 9 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 断并网运行；并网点电压在图中电压轮廓线以下时,场内风电机组答应从电网切出 2；1.21.1 1电网故障引起电压跌落0.9pu 压0.8要求风电机组不间断并网运行风电机组可以从电网切出0.7电0.6点0.5网并0.40.30.20.10-100.6251234时间 s图9 风电场低电压穿越要求的规定对于不同的欧美国家电网公司,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10 沟通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掌握之中,机组采纳变速运 行,使风力发电机组叶轮转速跟随风速的变化而变化,保持基本恒定的正确叶 尖速比,从而获得最大的风能利用效率；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沟通励磁；当发电机转子频率变化时,掌握励磁电 流频率来保证定子输出频率恒定 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7 / 9 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 、过压、过频,继电器2为欠压、欠频,继电器3为逆功,继电器4为依据时间的欠压爱护A、B,给模块供电 DC24V,装置开头自检,当装置自检失败,发出报警信号,发电机组禁止启动；当发电机组运行时显现故障,掌握器接收到继电器1报警后,执行减速运行；当掌握器接收到继电器2报警后,调整掌握内部参数,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；当电网电压显现大幅度跌落,模块自动运算跌落深度和时间,判断是否可以穿越低电压,给出继电器 4诊断信号；图11 AGP300典型应用图4 结语AGP 风力发电测量爱护模块采纳先进的设计方案,能够针对不同类型的风力发电机 <双馈、永磁直驱）供应测量与爱护功能,支持Modbus_RTU 、Profibus_DP 、Can open通讯协议,兼容各类 PLC掌握系统；产品稳固牢靠,是风力设备国产品化的抱负产品；文章来源于：自动化博览2022年9期；参考文献：1 GB/T 19069-2003 风力发电机组掌握器技术条件2 风电场接入电网技术规定实施细就-20223 风力发电测试技术 姚兴佳等著 电子工业出版社4 双馈式风力发电机组柔性并网运行与掌握 任永峰 安中全等著 机械出版社5 风力发电系统的设计、运行与爱护叶杭冶等著 电子工业出版社6 任志程,周中,电力电测数字外表原理与应用指南,中国电力出版社,2007 8 / 9 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 9 / 9 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 9 页