发电模块（共4篇）
发电模块 篇1
1 引言
近年来, 随着传统能源价格的不断提高, 以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了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、最具开发规模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, 需要一款装置, 能够针对风力发电系统的特性, 在发生电网失效, 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时, 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。
2 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, 如图1所示。
2.1 主控芯片
MCU芯片采用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。
2.2 电源
AGP采用直流24V工作电源, 使用宽电压输入DCDC模块WRF2405P, 工作温度范围-40至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, 具有过压、过流等保护, 电源电路如图2所示。
图2电源电路
2.3 信号采集电路
信号采集电路如图3所示, 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。
2.4 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。
3 电参量计算及软件设计
3.1 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:
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运算时间如图4所示和优化DFT运算时间如图5所示经测试对比, 计算单路信号一次DFT运算仅需40us, 大大提高了运算速度。
3.2 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。
其中:
图6所示为负序电压求解图, 同理可以得到电压正序分量U+。
电压不平衡度计算:
其中:U+为三相电压的正序分量;U-为相电压的负序分量。
如表1所示, 经验证, 实际测量值误差小于0.1%。
3.3 电压畸变率的计算
电压真有效值计算:
基波电压计算:
其中:
U1为基波电压;K为基波电压校准系数;UDFT1为此次DFT1次分量的模。
总谐波失真系数计算:
电压畸变率的计算:
3.4 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所示为主程序, 图8所示为中断程序流程。
MCF51EM256每一路AD模块均具有A和B2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。
4 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/T19069-2003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。
4.1 风电场运行频率
表2所示为各种频率下的风电场运行要求。
4.2 风电场电压范围
当风电场并网点的电压偏差在-10%至+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。
4.3 风电场低电压穿越
风电场并网点电压在图9所示的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9所示的中电压轮廓线以下时, 场内风电机组允许从电网切出。
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。
4.4 目前双馈式风力发电机组并网系统
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, 保持基本恒定的最佳叶尖速比, 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]。
4.5 应用案例
AGP能应用于多种类型的发电机绕组的场合。图10所示为典型的三相四线发电机绕组结构应用案例。电压信号直接接入, 电流信号经互感器转换后接入模块。设置继电器1为过载、过压、过频, 继电器2为欠压、欠频, 继电器3为逆功, 继电器4为根据时间的欠压保护A、B, 给模块供电DC24V, 装置开始自检, 当装置自检失败, 发出报警信号, 发电机组禁止启动。当发电机组运行时出现故障, 控制器接收到继电器1报警后, 执行减速运行。当控制器接收到继电器2报警后, 调整控制内部参数, 使之正常。当接收到继电器3报警后, 发电机停车, 断开并网开关。当电网电压出现大幅度跌落, 模块自动计算跌落深度和时间, 判断是否可以穿越低电压, 给出继电器4诊断信号。
5 结束语
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, 是风力设备国产化的理想产品。
参考文献
[1]GB/T 19069-2003.风力发电机组控制器技术条件[S].
[2]风电场接入电网技术规定实施细则, 2009.
[3]姚兴佳等.风力发电测试技术[M].北京:电子工业出版社.
[4]任永峰, 安中全等.双馈式风力发电机组柔性并网运行与控制[M].北京:机械出版社.
[5]叶杭冶等.风力发电系统的设计、运行与维护[M].北京:电子工业出版社.
[6]任志程, 周中.电力电测数字仪表原理与应用指南[M].北京:中国电力出版社, 2007.
发电模块 篇2
2012年7月18日,上海安科瑞电气股份有限公司自主研发的AGP风力发电测量保护模块,在国家继电保护及自动化设备质量监督检验中心测试,对其电气安全、电磁兼容、通信规约、动模及系统等项目检测通过,并获得合格检验报告,报告编号:No JW120666。
AGP300测量保护模块具有电网解列的监测功能,丰富的保护功能,最多可达4路保护继电器输出。过频/欠频、过压/欠压、电压/电流不平衡、过载/欠载(逆功)、频率变化率、相位漂移等保护,根据时间的欠压保护A、B来实现LVRT(低电压穿越)和STI(瞬时电压中断)功能。同时集成了3路RS485接口,具有Modbus_RTU、Profibus_DP、Can Open通讯协议,方便的接入各类PLC、工控机等工控设备组成网络系统。符合GB14598.27-2008《量度继电器和保护装置第27部分:产品安全要求》、GB/T14285-2006《继电保护和安全自动装置技术规程》等标准。
继APV光伏汇流箱进入光伏发电领域,AGP风力发电测量保护模块的研发成功,标志安科瑞产品将进一步开拓新能源领域中的风电市场。
发电模块 篇3
2012年7月18日, 上海安科瑞电气股份有限公司自主研发的AGP风力发电测量保护模块, 在国家继电保护及自动化设备质量监督检验中心测试, 对其电气安全、电磁兼容、通信规约、动模及系统等项目检测通过, 并获得合格检验报告, 报告编号:NoJW120666。
AGP300测量保护模块具有电网解列的监测功能, 丰富的保护功能, 最多可达4路保护继电器输出。过频/欠频、过压/欠压、电压/电流不平衡、过载/欠载 (逆功) 、频率变化率、相位漂移等保护, 根据时间的欠压保护A、B来实现LVRT (低电压穿越) 和STI (瞬时电压中断) 功能。同时集成了3路RS485接口, 具有Modbus_RTU、Profibus_DP、Can Open通讯协议, 方便的接入各类PLC、工控机等工控设备组成网络系统。符合GB14598.27-2008《量度继电器和保护装置第27部分:产品安全要求》、GB/T14285-2006《继电保护和安全自动装置技术规程》等标准。
继APV光伏汇流箱进入光伏发电领域, AGP风力发电测量保护模块的研发成功, 标志安科瑞产品将进一步开拓新能源领域中的风电市场。
便携式汽油发电机控制模块的设计 篇4
便携式汽油发电机因具有小巧、机动及噪音和气味小等优点,在10kW以下的小容量发电机组需求中有较大市场[1]。由于汽油发电机的输出功率通常情况下不可调节,造成在低负载下电能的不必要消耗。此外在不同的负载下要求发电机产生的电流、电压和频率越稳定越好,这就需要对发动机转速进行调节控制。传统汽油发电机中调节模块采用机械、液压方式来控制发动机转速,由于转速偏差测量与放大均通过机械元件实现,难以完成较为复杂的调节规律和控制功能,无法满足进一步提高调节精度和自动化程度的要求。因此性能更为优越的数字式和智能化控制将是今后发展的方向和重点。
2 控制系统构成
本文设计的便携式汽油发电机控制系统框图如图1所示。具体工作原理:首先将汽油发电机输出的三相交流电通过三相整流桥转变成直流高电压,经过功率因数校正环节后,再通过逆变环节转变成交流电,最后通过LC滤波器将输出电压变换成220V/50Hz的交流电供负载使用[2]。
系统以整流电路输出的直流电压、电流作为反馈量进行控制,通过调节汽油机的油门开度来保持整流电路部分输出电压的恒定。前级的DC/DC变换器可以实现输入、输出电压匹配及电气隔离,并且由于高频隔离,可降低电源的体积和成本。
控制模块的微处理器采用了M i c r o c h i p公司的dsPIC30F2010高性能16位单片机,它的特点是将控制和数字信号处理高速运算相结合,同时实现了对步进电机的控制和用于逆变环节的SPWM信号生成,为本系统设计提供了适合单芯片的解决方案。
dsPIC30F2010具有24位宽指令与16位宽数据总线,指令系统有83条指令,而且由于DSP引擎包含有1个高速的17位与17相乘的乘法器、1个40位的算术逻辑单元、2个40位宽的累加器以及1个40位的双向移位器,明显提高了芯片运算能力,从而具有DSP的处理能力。同时它提供六路死区时间可编程的P W M输出通道和3个16位计时器,4个16位的比较输入可以捕获电机位置传感器信号,6通道10位A/D转换器可用于处理电机速度反馈、电压、电流等模拟信号[3,4]。
3 系统硬件方案和工作原理
3.1 控制环节
由数字信号控制器dsPIC30F2010组成的控制环节电路如图2所示。采用8 M H z的晶振作为时钟输入,内部锁相环设为16倍频,可编程时钟分频器设为1分频,得到的系统时钟经4分频得到指令周期时钟为3 2 M。这样的运行速度,可以较好的满足本文采用的逆变技术(正弦脉宽调制逆变技术)对输出载波高频率的要求。
为了满足控制环节的功能需求,对控制器的I/O资源分配如下:RB0(智能/非智能模式切换)、RB1(油位状态指示)、RB2(电机转速过载检测)、RB4(电流检测)、RB5(电压检测)、RE2(继电器控制)、RE3(电源过载指示);RC13(步进时钟输出)、RC14(L297复位控制)、RD0(步进方向控制)、RD1(半步/全步模式切换)和R E 8(L297使能控制)用于对步进电机驱动环节进行控制;RB3(关断控制)、RE4(PWM输出)和RE5(SPWM输出)用于对逆变环节的驱动和控制。
3.2 逆变环节
逆变部分采用自关断器件I G B T实现单相全桥逆变。IGBT是全控型电力电子器件,它的控制极为绝缘栅场效应晶体管,输出极为双级功率晶体管,具有开关频率相对高,驱动功率小,构成的功率交换器输出电压纹波小,线路简单的特点。
在逆变环节设计时,除了需要驱动IGBT器件外,还要防止同一桥臂的上、下两个I G B T器件发生直通现象。为此须注入若干微秒的死区时间,以保证开关器件安全、可靠运行。
本文设计时采用了专为高电压、高速度功率IGBT设计的功率驱动芯片IRS2104。如图3所示,由dsPIC30F单片机产生1路50Hz的PWM信号和1路20kHz高频的SPWM信号,以及相应的控制关断(nSD)信号,经过光耦隔离后连接到IRS2104输入端,在输出端HO和L O分别产生两路对称的P W M信号对I G B T器件进行驱动和控制。
同时该驱动芯片可对逆变桥上、下桥臂提供可靠的死区时间,约为520ns,以避免同一桥臂上的被驱动功率元件IGBT在开关转换过渡期间发生同时导通。
3.3 电机驱动环节
为了调节汽油发电机的输出功率,需要改变油门开度。本文设计时通过采集整流后的电压、电流反馈量对步进电机进行闭环控制,进而实现对油门开度的控制。
本文设计的步进电机驱动电路如图4所示,包括步进电机控制器L297(含环形分配器)和双H桥式驱动器L298。由dsPIC30F单片机作为控制器向L297发出时钟信号(CLOCK)、正/反转选择(CW/CCW)、半步/全步模式选择(HALF/FULL)、复位信号(RESET)及使能控制(ENABLE)等信号。电路中可以调节步进电机控制器L297外围电路的参考电压(Vref),该电压将与通过管脚SENS1,SENS2所反馈的电位大小比较,来确定是否进行斩波控制,以达到控制电机绕组电流峰值、保护步进电机的目的。
3.4 功率因数校正环节
由于通过三相整流桥输出的电压可能无法匹配逆变器前级的电压要求,故设置D C/D C升压环节对电压进行调整。为了得到较高的功率因数,采用了功率因数校正(PFC)技术。该技术的目的是使电源的输入电流接近于正弦波且与输入电压同相,使功率因数接近1。
本系统采用平均电流控制技术原理,设计时采用了功率因数校正集成控制芯片UC3854,它的特点是当输入电压波动较大时,输出电压还可保持稳定。其控制原理是将电感、电流信号与锯齿波信号相加,当两信号之和超过基准电流时,开关管关断;当其和小于基准电流时,开关管导通。它的取样电流来自实际输入电流而不是开关电流。采用功率因数校正技术,一方面使输入电流能跟随输入电压,从而实现单位功率因数;另一方面使反馈输出电压稳定,从而使D C/D C变换器的输入实现预稳。
4 控制软件设计
4.1 SPWM信号发生程序设计
D C/A C逆变技术的基本原理是通过半导体功率开关器件的开通和关断作用,把直流电能变换成交流电能,虽然转换效率较高,但输出波形较差,是含有相当多谐波成分的方波。而实际应用需要输出较为理想的正弦波,这是逆变的关键技术之一。
采用S P W M波形调制,可以使得电压输出为正弦波。通常采用专用脉宽调制处理芯片来完成。由于产生不同的正弦脉宽调制波形,其调制处理芯片的算法、频率输出范围、波形产生机理、外围电路及其它功能强弱等方面有很大的不同,并且这些芯片技术不断发展,使得该技术越来越趋向于软件化。
本方案将高性能数字信号控制器dsPIC30F单片机用于D C/A C电源逆变器的设计中,通过软件产生S P W M信号,提高了系统集成度,控制了成本。S P W M信号产生算法主要包括自然采样法、对称规则采样法和不对称规则采样法[5]。其中自然采样法由于涉及超越方程,不适于实时控制。对称规则采样法数学模型简单,但是由于每个载波周期只采样一次,因此逼近程度仍存在误差。而不对称规则采样在每个采样周期采样两次,其阶梯波更接近于正弦波,所以谐波分量的幅值更小,逼近程度更高。采用不对称规则采样法产生S P W M信号,其原理如图5所示,不对称规则采样时阶梯波与三角波形成的交点不对称,分别在三角波的顶点对称轴位置t 1时刻和底点对称轴位置t 2时刻采样,产生S P W M信号的子程序流程图如图6所示。
为了保证控制系统运行的实时性,在程序中通过查表法不断向P W M占空比寄存器(PDC)更新预先算得的占空比值,实现S P W M信号的产生,图7为产生的S P W M信号波形。
4.2 控制器程序设计
控制主程序流程如图8所示,可以实现智能/非智能模式控制、过流保护、正弦脉宽调制波产生等。在定时器1的中断服务子程序中实现对占空比寄存器变量进行更新和A/D采集时间控制。通过对电压的A/D采集,用于作为反馈量控制步进电机对油门开度进行闭环控制。
由于汽油发电机的转速控制系统是典型的时变、非线性、多层次复杂系统,为了控制汽油发电机的转速在各种负荷变化情况下都具有较小的超调、较快的稳定时间,从而提高汽油发电机的发电品质,在程序中采用了带死区的变速PID算法实现闭环控制。由于控制系统中以步进电机为执行对象,故无需控制量的绝对值,而只需其增量。采用增量式PID控制算法,具有输出为增量、误动作影响小和便于实现无扰动切换的特点。
5 结束语
本文设计了用于满足中小功率供电需求的便携式汽油发电机控制模块,空载时输出的50Hz交流电压信号谐波失真(THD)在1%以内。图9为输出电压通过控制模块逆变后输出的50Hz交流电压信号波形。当负载发生变化时,输出电压波形基本不变,谐波失真在4%以内。同时该控制模块通过对油门作用使得汽油发电机在输出功率改变的同时发动机转速波动较小,从而保持发动机工作频率的稳定,提高发电机的供电品质。
参考文献
[1]周水清,汽油发电机作为发电机组动力的要求与国内现状[J].移动电源与车辆,1994,(1):1-4.
[2]周志敏,周纪海,纪爱华,逆变电源实用技术-设计与应用[M].北京:中国电力出版社,2005.
[3]JORGE ZAMBADA,Driving a BLDC with Sinu-soidal Voltages Using dsPIC30F[R],Microchip TechnologyInc.,2005.
[4]STEVE BOWLING,An Introduction to AC Induc-tion Motor Control Using the dsPIC30F MCU[R],Micro-chip Technology Inc.,2005.