安科瑞 徐浩竣 江苏安科瑞电器制造有限公司 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。 关键词：风力发电、低电压穿越LVRT、Profibus_DP协议、Can open协议 0引言 AGP风力发电测量保护模块采用先进的设计方案，能够针对不同类型的风力发电机（双馈、永磁直驱）提供测量与保护功能，支持Modbus_RTU、Profibus_DP、Can open通讯协议，兼容各类PLC控制系统。产品稳定可靠，是风力设备国产品化的理想产品。 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
图3 电流信号电路 2 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 风力发电机组控制器技术条件》和《风电场接入电网技术规定实施细则-2009》中明确了控制器需要具有的功能。主要包括：电网频率控制、无功功率和电网电压控制、低电压穿越（LVRT）控制以及电能质量控制等。 2.1 风电场运行频率
表2 各种频率下的风电场运行
2.2风电场电压范围
当风电场并网点的电压偏差在－10％～＋10％、并网点的闪变值满足国家标准电能质量关于电压波动和闪变、公用电网谐波、三相电压不平衡的规定时，要求风电场内的风电机组应能正常运行。
2.3 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，场内风电机组必须保证不间断并网运行；并网点电压在图中电压轮廓线以下时，场内风电机组允许从电网切出2。
图5 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。 2.4 目前双馈式风力发电机组并网系统
图6 交流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控制之中，机组采用变速运行，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交流励磁。当发电机转子频率变化时，控制励磁电流频率来保证定子输出频率恒定4。 3 结束语 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、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。
