陸偉青1 徐希華2 李英新1
0引言
風力發(fā)電是當今世界新能源開發(fā)技術zui成熟、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(chǎn)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zui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*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,zui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
電網(wǎng)頻率范圍 | 要求 |
低于48Hz | 根據(jù)風電場內風電機組允許運行的zui低頻率而定。 |
48Hz-49.5Hz | 每次頻率低于49.5Hz時要求至少能運行10min。 |
49.5Hz-50.5Hz | 連續(xù)運行。 |
50.5Hz-51Hz | 每次頻率高于50.5Hz時,要求至少能運行2min;并且當頻率高于50.5Hz時,不允許停止狀態(tài)的風電機組并網(wǎng)。 |
高于51Hz | 根據(jù)電網(wǎng)調度部門的指令限功率運行。 |
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*葉尖速比,從而獲得zui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。
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
AGP風力發(fā)電測量保護模塊采用的設計方案,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(chǎn)品穩(wěn)定可靠,是風力設備國產(chǎn)品化的理想產(chǎn)品。
文章來源于:《自動化應用》2012年第10期。
參考文獻:
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[4] 雙饋式風力發(fā)電機組柔性并網(wǎng)運行與控制 任永峰 安中全等著 機械出版社
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