离网型风力发电机电能参数监测装置的研制.docVIP

离网型风力发电机电能参数监测装置的研制 董 薇 韩 冰 钟 伟 （临朐县供电公司，山东省临朐弥河路4号，262600） 摘要：本论文所开发的离网型风力发电机电能参数监测装置以ATMEL必威体育精装版的8位单片AT89S52单片机为核心，采用了交流数字采样计算技术，以软件代替了传统仪器中的大量硬件，将多种测量功能集于一身，用一台仪器就可以测量电流、电压、有效值、功效因数、风速、风向等参数。文中论述了该电参数测量仪的工作原理，硬件采用了STD总线结构，实现模块化，在此基础上，详细介绍了整个装置的软硬件开发过程。 关键词：单片机 电参数测量 交流采样 绪 论 本课题研究的任务主要是针对离网型发电机，在研究电能参数及测量方法的基础上，开发对电参数测试的智能化仪器。 主要工作包括： 研究电能参数与风参数的监测方法。 设计电能参数监测装置的软硬件系统，硬件设计需具有总线式、模块化功能，软件设计需实现模块化，便于调试。 实现对风力发电机输出电压、电流、有功功效、功效因数及风速、风向等参数的实时监测。 具有良好的人机接口。 基本参数的测量 2.1 各电气量参数的计算公式 要实现对电气量的精确测量，必须要保证足够的采样频率。由于本装置CPU采用的是单片机，采样频率定为每个工频周期内采样24点。按照误差计算公式 可以得到24点采样的裁断误差为 采用数字化方法，就要对电气量进行离散化采样，一般是进行等间隔采样，得到离散化序列则各个参数的计算式为 三相总的有功功率： 现在功率： 功率因数： 2.2 风速、风向的测量 风速和风杯转速的关系可由风洞实验得出 式中：为有阻力矩所决定的常数，数值上等于起动风速，通常为0.5:1.2m/s； 为风速表系数，它与风杯的结构和大小有关； 是一个很小的系数，,表明风速与风杯并不成严格的线性关系； 为单位时间内风杯的转数。 在测得风力发电机的输出电压、电流并计算出功率和当时的风速后，即可通过计算绘制特性曲线。测试标准要求机组正常工作时，在切入风速至切出风速的整个范围内，由计算机同步采集风速，输出电功率（考虑设备的成本温度、大气压用一般仪表人工读数）。采样频率不小于每秒一次，平均周期不小于30s，不大于60s。为了对不同条件地区的风力发电机性能进行有效的对比，要对实测的性能参数进行修正，反映在标准条件（海平面15℃）下的工作状态，即利用所测大气压P、气温T计算实验大气密度。 通过下述公式对每一区间内输出功率进行修正 Ps——已经按标准条件修正过的风机输出功率，W； Pr——未经修正过的风机输出功率，W。 对相应的风速计算其通过风轮的风功率为 则风机功效率为： 2.3 数据采集的实现 基本参数的计算比较简单，关键是数据的采集。本装置采用MAX125作为A/D转换芯片，该芯片是带同步采样保持电路的14位数据采集芯片，总共有8个输入信号，可以同时对4路输入信号进行同步采样。需要采集的信号有六路：三相电压、电流，因此要分两次进行采样，首先采集AB,BC,两路的线电压、A、B两相电流，再进行CA线电压、C相电流的转换，之间有十几微秒的时间间隔，由于三相量没有同时采集，会对不平衡度的测量增加一些误差。 强电信号经过电压、电流互感器变换为-5V；+5V的电压信号进入A/D转换芯片的信号采集端口，通过案的A/D转换芯片发出转换触发脉冲，A/D转换芯片就会将模拟信号转换为数字信号存储在A/D转换芯片的存储器中，CPU通过向A/D转换芯片发出读信号读取转换结果。 由于数据在CPU中和在A/D转换芯片中存储的方式不同，要实现CPU对这些数据的处理，就要对数据进行转换。在A/D转换芯片的存储器中，数据以无符号整数的形式存储，由于是14位的A/D转换芯片，-5V：+5V的电压信号被转换为0:16383之间的整数，其中0:8191对应0：+5V的电压信号，8192:16383对应0：-5V的电压信号。要使CPU能够处理这些数据，就要把这些数据转换为有符号的小数。首先要把数据转换为有符号的整数，通过下面的转换子程序就可以实现： 程序中，变量“X”存储转换前的数据，变量“y”存储转换后的数据。再通过“A=（float） CPU主板以AT89S52单片机为核心，32K外部数据存储器、实时时钟电路、64K地址空间范围的全译码电路、键盘接口电路、数据总线、地址总线驱动电路及预留的远程通讯电路接口等组成。电路框图如图3.2所示。 A/D转换板由A/D转换芯片MAX125、低通滤波电路、地址译码电路等组成，其中A/D转换芯片MAX125内含采样保持电路、模拟开关电路。电路框图如图3.3所示。 12路脉冲采集电路由脉冲采集电路芯片82C53、光电隔离电路、施密特整形电路