基于MCF51EM256的風(fēng)力發(fā)電測(cè)量保護(hù)模塊的設(shè)計(jì)與分析

摘要：介紹了一款基于MCF51EM256的測(cè)量保護(hù)模塊的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，根據(jù)微處理器系統(tǒng)的特點(diǎn)從硬件和軟件兩個(gè)方面，給出設(shè)計(jì)方法。該模塊用于風(fēng)力發(fā)電主控控制系統(tǒng)中，除具有傳統(tǒng)電參量的電壓、電流、功率測(cè)量功能外還集成了風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的保護(hù)功能，獲得了良好的性能。

 

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電、低電壓穿越LVRT、Profibus_DP協(xié)議、Can open協(xié)議

 

0 引言 

    風(fēng)力發(fā)電是當(dāng)今世界新能源開(kāi)發(fā)技術(shù)最成熟、最具規(guī)模開(kāi)發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式，但風(fēng)的隨機(jī)變化導(dǎo)致了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率通常隨著風(fēng)速大幅快速變化，將大量風(fēng)電接入電網(wǎng)將會(huì)對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量和電網(wǎng)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響3。

本文介紹一款針對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的AGP測(cè)量保護(hù)模塊，該模塊可測(cè)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(jī)輸出功率過(guò)大、有功和無(wú)功潮流發(fā)生反向等故障時(shí)，發(fā)出告警信號(hào)，同時(shí)集成了2個(gè)根據(jù)時(shí)間的欠壓保護(hù)，提高了控制系統(tǒng)對(duì)電壓閃變的抗干擾能力。

 

1 電路設(shè)計(jì)原理

    AGP的硬件電路包括主控芯片、電源、電壓、電流信號(hào)采集電路、開(kāi)關(guān)量輸入模塊、繼電器輸出模塊、人機(jī)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(gòu)內(nèi)核的32位處理器MCF51EM256，時(shí)鐘頻率最高可達(dá)50.33MHz，內(nèi)置256K的Flash、16K的RAM、4個(gè)獨(dú)立16位AD通道、3路定時(shí)器、3路SCI通訊接口、內(nèi)置RTC時(shí)鐘、I2C、SPI、KBI接口等多種資源，具有極高的性價(jià)比。

 

1.2 電源    

    AGP采用直流24V工作電源，使用廣州金升陽(yáng)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(shí)測(cè)輸出紋波<1％，同時(shí)在電源輸入部分設(shè)計(jì)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(guò)壓、過(guò)流等保護(hù)。

 

圖2 電源電路

 

1.3 信號(hào)采集電路（圖3）

    信號(hào)采集包括電壓信號(hào)、電流信號(hào)和頻率信號(hào)：電壓信號(hào)采用分壓電阻輸入，電流信號(hào)采用互感器隔離輸入，將交流信號(hào)抬高后，通過(guò)放大電路將信號(hào)進(jìn)行放大，最后將信號(hào)送入CPU進(jìn)行軟件差分運(yùn)算。

 

圖3 電流信號(hào)電路

 

1.4 接口設(shè)計(jì)

    AGP的接口包括人機(jī)交互單元、RS485通訊接口、開(kāi)關(guān)量輸入輸出接口。在設(shè)計(jì)各類接口的同時(shí)，需加入提高電磁兼容性能、耐壓、觸點(diǎn)保護(hù)等元件以提高裝置的可靠性。