基于MCF51EM256的风力发电测量保护模块的设计与应用
陆伟青1 徐希华2 李英新1
（1 上海安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801）
（2 中国联合工程公司上海分公司 上海 200011）
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。
0引言
风力发电是当今世界新能源开发技术最成熟、最具规模开发和商业化发展前景的发电方式，但风的随机变化导致了风力发电机组的输出功率通常随着风速大幅快速变化，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。
本文介绍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，并在电网失效、电网频率、电压偏差、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，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。
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
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软件设计方法
软件程序主要包括主程序、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4 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5 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。
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http:www.cps800.com/news/48658.htm
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