0 引言 

    風力發(fā)電是當今世界新能源開發(fā)技術最成熟,、最具規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式，但風的隨機變化導致了風力發(fā)電機組的輸出功率通常隨著風速大幅快速變化,，將大量風電接入電網(wǎng)將會對電網(wǎng)的電能質量和電網(wǎng)穩(wěn)定性產生影響3,。

本文介紹一款針對風力發(fā)電系統(tǒng)設計的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,，并在電網(wǎng)失效,、電網(wǎng)頻率、電壓偏差,、發(fā)電機輸出功率過大,、有功和無功潮流發(fā)生反向等故障時，發(fā)出告警信號,，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架構內核的32位處理器MCF51EM256,，時鐘頻率最高可達50.33MHz,，內置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,、內置RTC時鐘,、I2C、SPI,、KBI接口等多種資源,，具有極高的性價比。

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計加入放電管、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,。

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,，最后將信號送入CPU進行軟件差分運算,。

圖3 電流信號電路

1.4 接口設計

    AGP的接口包括人機交互單元、RS485通訊接口,、開關量輸入輸出接口,。在設計各類接口的同時，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 軟件設計方法

    軟件程序主要包括主程序,、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置PDB模塊調整自動切換時間，實現(xiàn)電壓,、電流相角差調整來達到功率補償功能，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 風力發(fā)電系統(tǒng)相關技術規(guī)定和應用

   隨著風力發(fā)電裝機容量的不斷擴大,，國家電網(wǎng)公司對風力發(fā)電機提出了一系列的要求,，《GB/T 19069-2003  風力發(fā)電機組控制器技術條件》和《風電場接入電網(wǎng)技術規(guī)定實施細則-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）控制以及電能質量控制等。

3.1 風電場運行頻率

表2  各種頻率下的風電場運行

3.2 風電場電壓范圍

    當風電場并網(wǎng)點的電壓偏差在－10％～＋10％、并網(wǎng)點的閃變值滿足國家標準電能質量關于電壓波動和閃變,、公用電網(wǎng)諧波,、三相電壓不平衡的規(guī)定時，要求風電場內的風電機組應能正常運行,。

3.3 風電場低電壓穿越

    風電場并網(wǎng)點電壓在圖中電壓輪廓線及以上的區(qū)域內時,，場內風電機組必須保證不間斷并網(wǎng)運行；并網(wǎng)點電壓在圖中電壓輪廓線以下時,，場內風電機組允許從電網(wǎng)切出2,。

圖9   風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 目前雙饋式風力發(fā)電機組并網(wǎng)系統(tǒng)

圖10 交流勵磁變速恒頻風力發(fā)電變頻器電路圖

    變速恒頻發(fā)電將先進的電力電子技術引入發(fā)電機控制之中,，機組采用變速運行，使風力發(fā)電機組葉輪轉速跟隨風速的變化而變化,，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,，而轉子繞組外接轉差頻率電源實現(xiàn)交流勵磁。當發(fā)電機轉子頻率變化時,，控制勵磁電流頻率來保證定子輸出頻率恒定4,。

3.5 應用案例

    AGP能應用于多種類型的發(fā)電機繞組的場合。下圖10為典型的三相四線發(fā)電機繞組結構應用案例,。電壓信號直接接入,，電流信號經(jīng)互感器轉換后接入模塊。設置繼電器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，當裝置自檢失敗,，發(fā)出報警信號,，發(fā)電機組禁止啟動。當發(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。當控制器接收到繼電器2報警后,，調整控制內部參數(shù),，使之正常。當接收到繼電器3報警后,，發(fā)電機停車,，斷開并網(wǎng)開關。當電網(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典型應用圖

4 結語

    AGP風力發(fā)電測量保護模塊采用先進的設計方案,，能夠針對不同類型的風力發(fā)電機（雙饋,、永磁直驅）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),。產品穩(wěn)定可靠,，是風力設備國產品化的理想產品。