离网型风力发电机电能参数监测装置的研制

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1、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（临胸县供电公司,山东省临胸弥河路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最新的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小的大量硬件，将多种测量功能集于-•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本课题研究的任务主要是针对离网型发电机，在研究屯能参数及测量

2、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：（1）研究电能参数与风参数的监测方法。（2）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。（3）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。（4）貝有良好的人机接口。1、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，必须耍保证足够的采样频率。由于木装置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R（N）=可以得到24点采样的裁断误差为才sin21OOntdt=0.005225

3、sin200^S0.005225即R（24）50.005225采用数字化方法，就要对屯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式中第*个时间间隔的屯压采样瞬时值:一个周期内的采样点数。1N-1P吨从三相总的有功功率:j(N7N-IP=亦(工十工现在功率：s=u/a+ude功率因数：Pcos^>=—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v=a+bN+cN2b=2兀RK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；b为风速表系数，它与风杯的结构和大小有关；c是一个很小的系数，c/b«1

4、0",表明风速与风杯并不成严格的线性关系;N为单位吋间内风杯的转数。在测得风力发电机的输出电压、电流并计算出功率和当吋的风速后，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冇效的对比，要对实测的性能参数进行修正，反映在标准条件（海平面15°C）下的工作状态，即利用所测大气压P、气温T计算实验大气密度卩丁。pT=1.226(—X—)7T760通过下述公式对

5、每一区间内输出功率进行修正A=Pt（―）PtPs——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，肌对相应的风速计算其通过风轮的风功率为&現PR®式中P—当地空气密度，kg/n?;R—风轮半径，m;V—当地风速，m/s.则风机功效率为："=Pg1Pg2.3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、

6、A、B两相电流，再进行CA线电压、C相电流的转换，之间有十儿微秒的时间间隔，由于三相量没冇同时采集，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转换芯片的存储器屮，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屮和在A/D转换芯片屮存储的方式不同，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，曲于是14位的A/D转换芯片，-

7、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能够处理这些数拯，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冇符号的整数，通过下而的转换子程序就可以实现：inttransfer(x)unsignedx;{inty；y=x；if(x>8192)尸x-16384;retum(y);}程序中，变量“X”存储转换丽的数据，变量“y”存储转换后的数据。再通过“2(float)B”把整数转换为小数。到这里，数据采