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风力发电测量保护模块的设计与应用 温刚 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 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：电压信号采用分压电阻输入，电流信号采用互感器隔离输入，将交流信号抬高后，通过放大电路将信号进行放大，最后将信号送入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、触点保护等元件以提高装置的可靠性。 2 电参量计算及软件设计 2.1 基波、谐波、相角差等的计算 DFT的定义 其中 将DFT定义式展开成方程组 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，由于计算一个X(k)值需要N次复乘法和(N-1)次复数加法，因而计算N个X(k)值，共需N2次复乘法和N(N-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，因此计算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，这是一个非常大的计算量。 从在实际应用中，为了满足风电系统快速响应的要求，j可取64点，N只取2，仅计算基波电压、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，计算单路信号一次DFT运算仅需40us，大大提高了运算速度。 图4 未优化DFT运算时间 图5 优化后DFT运算时间 2.2 基于对称分量法的不对称故障计算 在一个三相对称的元件中（例如线路、变压器和发电机）， 如果流过三相正序电流,则在元件上的三相电压降也是正序的;负序零序同理。 假定三相不平衡电压值以A相为最大值且以A为基准，即，则根据对称分量法可得负序电压表达式为： U-= 其中 图6 为负序电压求解图 U+ -----三相电压的正序分量； U- -----三相电压的负序分量； 如下表，经验证，实际测量值误差小于0.1%。 表1 各种情况下的不平衡率 施加源信号 理论不平衡率(%) 实测不平衡率(%) 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 电压畸变率的计算 电压真有效值计算： 基波电流计算： -----基波电流 ------基波电流校准系数 ------此次DFT 1次分量的模 总谐波失真系数计算： 电压畸变率的计算： 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、电参量计算程序、保护处理程序、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，该方法简单可行，中断同时需对AD异常做出处理，现给出AD中断处理程序流程。 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。 3.1 风电场运行频率 表2 各种频率下的风电场运行 电网频率范围 要求 低于48Hz 根据风电场内风电机组允许运行的最低频率而定。 48Hz－49.5Hz 每次频率低于49.5Hz时要求至少能运行10min。 49.5Hz－50.5Hz 连续运行。 50.5Hz－51Hz 每次频率高于50.5Hz时，要求至少能运行2min；并且当频率高