風力發電測量保護模塊的設計與應用
0 引言
近年來，隨著傳統能源的價格不斷走高及由此導致發電成本不斷上升和全球氣候變暖等環境問題的影響，可再生能源的開發利用上升到一個前所未有的高度。風力發電是當今世界新能源開發技術最成熟、最具規模開發和商業化發展前景的發電方式之一。風具有隨機變化的特性，而風力發電機組的輸出功率與風速的立方成正比，因此風力發電機組的輸出功率通常隨著風速大幅快速變化，若將大量風電接入電網將會對電網的電能質量和電網穩定性產生影響3。所以在控制風電容量在系統中所占比例的前提下，分析風力發電對電網電壓的影響因素并對其進行控制至關重要。
因此，我們需要一款裝置，能夠針對風力發電系統的特性，在電網失效、電網頻率、電壓偏差過大、發電機輸出功率過大、有功和無功潮流發生反向等故障，發出告警信號，提醒控制器及時采取措施。本文介紹了一款針對風力發電系統設計的AGP測量保護模塊，該模塊可測量電壓、電流、頻率、電能等傳統電參量，并針對系統電壓、頻率、負載等故障進行報警，同時集成了2個根據時間的欠壓保護，提高了控制系統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
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 電參量計算及軟件設計
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=Wx
用復數表示：
從矩陣形式表示可以看出，由于計算一個X(k)值需要N次復乘法和(N-1)次復數加法，因而計算N個X(k)值，共需N2次復乘法和N(N-1)次復加法。每次復乘法包括4次實數乘法和2次實數加法，每次復加法包括2次實數加法，因此計算N點的DFT共需要4N2次實數乘法和(2N2+2N·(N-1))次實數加法。當N很大時，這是一個非常大的計算量。
從在實際應用中，為了滿足風電系統快速響應的要求，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，在同等條件下未優化DFT運算時間（圖4）和優化DFT運算時間（圖5）經測試對比，計算單路信號一次DFT運算僅需40us，大大提高了運算速
圖4 未優化DFT運算時間 圖5 優化后DFT運算時間
2.2 基于對稱分量法的不對稱故障計算
圖6 負序電壓求解圖
圖6 為負序電壓求解圖，同理可以得到電壓正序分量U+。
電壓不平衡度計算：
U+ -----三相電壓的正序分量；
U- -----三相電壓的負序分量；
如下表，經驗證，實際測量值誤差小于0.1%。
表1 各種情況下的不平衡率
|
施加源信號 |
理論不平衡率(%) |
實測不平衡率(%) | ||
|
A相 |
B相 |
C相 | ||
|
220 |
0 |
0 |
100 |
99.9 |
|
220 |
220 |
0 |
50 |
49.9 |
|
220 |
220 |
110 |
20 |
20.0 |
2.3 電壓畸變率的計算
電壓真有效值計算：
基波電流計算：
U1-----基波電流
K------基波電流校準系數
UDFT1------此次DFT 1次分量的模
總諧波失真系數計算：
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、各種通訊協議處理程序等，由于內容較多，現給出部分程序流程。
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，現給出AD中斷處理程序流程。
圖 8 中斷程序流程圖
3 風力發電系統相關技術規定和應用
隨著風力發電裝機容量的不斷擴大，國家電網公司對風力發電機提出了一系列的要求，《GB/T 19069-2003 風力發電機組控制器技術條件》和《風電場接入電網技術規定實施細則-2009》中明確了控制器需要具有的功能。主要包括：電網頻率控制、無功功率和電網電壓控制、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
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