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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）B”把整数转换为小数。到这里，数据采集的工作就完成了。
方案比较与电路的选择
整个硬件装置采用易于扩展的总线式结构，共有CPU主板、A/D转换板、12路脉冲采集板、开关量输入板、液晶显示驱动板、键盘等电路板组成，总体框图如图1所示。大部分电路板安装在8槽的STD标准机箱内。整个电路的安装调试均非常方便。由电流、电压传感器输出的模拟量信号经低通滤波及A/D转换电路后，变成相应的数字信号，CPU主板控制A/D转换板定时采集各路信号，控制脉冲采集板采集板采集风速信号，控制开关量输入板采集风向信号，并进行数