基于PXI技術(shù)的全功率風電變流器監(jiān)測系統(tǒng)

陳昭宇，張建文，蔡旭，2

（1.上海交通大學電子信息與電氣工程學院風力發(fā)電研究中心，上海 200240；2.上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院海洋工程國家重點實驗室，上海 200240）

隨著新能源的開發(fā)利用日益受到社會的關(guān)注，風電作為一種清潔和可再生能源備受青睞，世界范圍內(nèi)的風電裝機容量也與日俱增，同時也使得風力發(fā)電技術(shù)得到了十分廣泛的應用和發(fā)展。

風電變流器是風力發(fā)電系統(tǒng)中保證風機可靠接入電網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。風電變流器是一個帶有非線性環(huán)節(jié)的電力電子系統(tǒng)，大功率變流器拓撲結(jié)構(gòu)常被設(shè)計成多路并聯(lián)的形式。在全功率變流器的研制階段，為了測試和驗證變流器的運行性能，需要對其各個環(huán)節(jié)的波形進行監(jiān)測；對于并聯(lián)型的變流器系統(tǒng)，其每個變流器支路的相同監(jiān)測點要同時監(jiān)測，以驗證系統(tǒng)抑制環(huán)流和諧波的效果，從而需要大量的監(jiān)測點。另外，大功率變流器的控制系統(tǒng)和控制方法較為復雜，研發(fā)過程中容易出現(xiàn)錯誤，需要通過記錄大量的數(shù)據(jù)波形來進行參數(shù)調(diào)諧和故障分析，這需要一個能夠進行大量數(shù)據(jù)記錄的監(jiān)測系統(tǒng)來完成。

目前已有關(guān)于風電變流器監(jiān)測的研究主要針對其整體運行中的狀態(tài)監(jiān)視，而非研發(fā)調(diào)試過程，故其監(jiān)測范圍僅僅是變流器輸出的有功和無功，以及輸出電流和電壓的狀態(tài)等[1]，并不能掌握變流器各環(huán)節(jié)的運行情況。另外，這種監(jiān)測系統(tǒng)一般基于分布式的拓撲結(jié)構(gòu)，具有多臺下位機，通過架設(shè)以太網(wǎng)絡(luò)或者總線和上位機進行通信[1]，規(guī)模龐大成本很高；也有的變流器監(jiān)控系統(tǒng)基于串口通信[2]，能夠上傳的數(shù)據(jù)量有限；這些并不適用于大功率風電變流器的研發(fā)測試。

本文根據(jù)3 MW全功率變流器的結(jié)構(gòu)特點，提出并實現(xiàn)了一種基于PXI虛擬儀器技術(shù)的3 MW全功率風電變流器監(jiān)測系統(tǒng)。結(jié)合PXI技術(shù)的特點，不僅能夠大量數(shù)據(jù)交換、速度快、而且具有性能可靠、成本低、開發(fā)速度快的優(yōu)點。

1 3MW全功率風電變流器監(jiān)測系統(tǒng)特點

1.1 3 MW全功率變流器

3 MW全功率風電變流器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 并聯(lián)全功率風力發(fā)電變流器拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of parallel full-scale wind power converter

如圖所示，3 MW全功率變流器系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)為四路并聯(lián)結(jié)構(gòu)。每個支路由機側(cè)濾波電抗、變流器、LCL濾波器組成，正常運行時承擔750 kW的功率輸出。變流器采用雙PWM控制的背靠背式結(jié)構(gòu)采用這樣結(jié)構(gòu)的變流器具有靈活性高、能實現(xiàn)有功和無功解耦等特點[4]。由于大功率的變流器不能直接采用一個大的電抗接入電網(wǎng)[5]，因此，網(wǎng)側(cè)逆變器采用LCL濾波器接入電網(wǎng)。

1.2 全功率多路并聯(lián)結(jié)構(gòu)變流器監(jiān)測的難點

1）全功率并聯(lián)型變流器系統(tǒng)，其每個變流器支路的相同監(jiān)測點要同時監(jiān)測，以驗證系統(tǒng)抑制環(huán)流和諧波的效果。

2）由于監(jiān)測點多，需要大量的通道同時快速進行數(shù)據(jù)采集。

3）控制參數(shù)調(diào)整過程中需要記錄大量的數(shù)據(jù)波形，根據(jù)記錄的波形進行參數(shù)的調(diào)諧。

4）需要監(jiān)測系統(tǒng)具有故障預測、報警來保護變流器即記錄的波形可以方便進行故障定位分析。

5）需要克服目前常規(guī)變流器監(jiān)測系統(tǒng)規(guī)模龐大、成本高以及上傳數(shù)據(jù)有限等缺點。

6）在低成本、高效率下，實現(xiàn)全功率風電變流器的研制測試。

1.3 全功率風電變流器監(jiān)測系統(tǒng)應用場合

1）全功率風電變流器研發(fā)驗證測試。

2）全功率風電變流器生產(chǎn)產(chǎn)品出廠測試。

3）將來拓展到全功率風電變流器維護性測試。

2 監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3 MW并聯(lián)型全功率風電變流器的監(jiān)測系統(tǒng)由前端傳感器、調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集平臺以及系統(tǒng)軟件（PC機）構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 本文所述變流器檢測系統(tǒng)的構(gòu)成Fig.2 The component of the converter monitoring system descried in this paper

2.1 前端傳感器

前端傳感器將變流器各環(huán)節(jié)的電壓、電流、以及溫度轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)的調(diào)理電路可以接受的電信號。

電壓電流信號通過霍爾電壓/電流傳感器，可以同時用于交流和直流信號測量。為了降低電磁干擾的影響，部分電流和電壓傳感器的輸出信號為0~20mA電流信號，其余的選用輸出信號為5 V電壓信號。

溫度信號的測量主要選用K型熱電偶和熱電阻Pt100兩種溫度傳感器。熱電阻可以將溫度的變化反應為電阻值的變換，熱電偶則利用兩種材料的熱電勢差，通過電勢差反映不同的溫度。Pt100的測量精度要高于K型熱電偶；熱電偶的探頭體積很小，可用在狹窄空間中。

2.2調(diào)理電路

調(diào)理電路主要的功能是接受傳感器的信號，對信號進行放大和濾波，使得輸出信號適于數(shù)據(jù)采集平臺的輸入。系統(tǒng)所使用的電壓和電流信號調(diào)理電路如圖3所示。

調(diào)理電路由放大電路和跟隨電路級聯(lián)組成。圖3中，RS為采樣電阻，當傳感器的輸出為電流信號時，首先通過RS將信號轉(zhuǎn)換為電壓信號輸入運放電路中。

2.3 PXI數(shù)據(jù)采集平臺

圖3 電壓電流信號的調(diào)理電路Fig.3 Regulating circuit of the voltage and current signals

PXI數(shù)據(jù)采集平臺是系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采樣（AD轉(zhuǎn)換）的硬件平臺。PXI（PCI extension for instrument）是一種面向儀器設(shè)備（主要是用于測量的數(shù)據(jù)采集設(shè)備）的總線技術(shù)，他是對PCI Express總線技術(shù)的改造和擴展，從而使得PCI總線更適用于數(shù)據(jù)采集設(shè)備的驅(qū)動以及大量數(shù)據(jù)的通信。

PCI Express是PCI總線的擴展，通過將PCI總線的并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞礁臑榇型ㄐ?，PCI Express總線的數(shù)據(jù)通信帶寬得到了極大地提高，從原來的133 MB/s升至數(shù)GB/s（具體依照總線的時鐘頻率以及終端設(shè)備的插槽形式）。PXI即利用了PCI Express總線的帶寬，實現(xiàn)了總線上的數(shù)據(jù)采集設(shè)備的多通道、高速數(shù)據(jù)傳輸功能。

除了PCI Express固有的通信總線之外，PXI還加入了數(shù)據(jù)采集設(shè)備專用的系統(tǒng)時鐘，同步用的觸發(fā)總線以及設(shè)備間通信的局部總線。通過這些額外的信號和通信手段，PXI總線實現(xiàn)了多個數(shù)據(jù)采集設(shè)備的協(xié)同控制工作。

本文中的監(jiān)控系統(tǒng)采用了國家儀器（National Instrument）公司的PXI總線機箱（PXI-1045）、數(shù)據(jù)采集卡（PXI-6123）、以及專用控制器（即CPU）。NI公司對PXI數(shù)據(jù)采集設(shè)備的驅(qū)動進行了高度的封裝，并在Labview圖形化編程環(huán)境中提供了面向軟件頂層開發(fā)的API函數(shù)和配置界面，從而實現(xiàn)了硬件和軟件的無縫銜接，極大簡化了硬件和底層驅(qū)動軟件的開發(fā)過程。

3 監(jiān)測系統(tǒng)軟件

3.1 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)軟件運行在PC機上，負責數(shù)據(jù)采集平臺的控制、數(shù)據(jù)顯示和處理、提供人機界面等功能。軟件的架構(gòu)如圖4所示。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)軟件架構(gòu)Fig.4 The architecture of the software for monitoring system

系統(tǒng)軟件的底層驅(qū)動包含了標準I/O底層函數(shù)集VISA（Virtual Instrument Software Architecture虛擬儀器軟件架構(gòu)）。其調(diào)用不僅與接口的類型無關(guān)，與操作系統(tǒng)、編程語言及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無關(guān)。軟件的開發(fā)環(huán)境使用Labview圖形化編程環(huán)境。該平臺包含了Labview的數(shù)據(jù)采集驅(qū)動套件中，包含了PXI數(shù)據(jù)采集設(shè)備的驅(qū)動程序。同時，系統(tǒng)軟件的上層即監(jiān)控的應用程序，通過調(diào)用Labview提供的API（vi），實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)的用戶界面以及數(shù)據(jù)顯示、處理、儲存、分析的功能。

3.2 應用程序?qū)崿F(xiàn)

監(jiān)控應用程序采用模塊化設(shè)計。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 監(jiān)控應用程序結(jié)構(gòu)Fig.5 The structure of the monitoring application program

3.2.1 應用程序的實時性保證

由于3 MW變流器的監(jiān)測系統(tǒng)通道數(shù)較多，數(shù)據(jù)量大，簡單地將程序?qū)憺轫樞驁?zhí)行結(jié)構(gòu)會導致數(shù)據(jù)緩沖區(qū)溢出的問題。因此，本文所述的監(jiān)測系統(tǒng)中，通過2個方面保證了應用程序運行的實時性：1）使用雙核結(jié)構(gòu)的CPU；2）將數(shù)據(jù)采集模塊和處理顯示等模塊分別運行在2個線程中。

數(shù)據(jù)采集模塊的運行機制大致如下：程序根據(jù)用戶的配置在內(nèi)存中分配緩沖區(qū)，同時啟動后臺的AD轉(zhuǎn)換程序，按照采樣率進行AD轉(zhuǎn)換并且將采樣的結(jié)果放入緩沖區(qū)。當數(shù)據(jù)采集模塊讀取緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)后，會輸出給程序中的數(shù)據(jù)處理模塊進行處理、顯示等工作。程序的流程如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集模塊的運行原理Fig.6 Schema of the data acquisition module

根據(jù)上述運行機制可知，采樣啟動后數(shù)據(jù)會不斷地送入緩沖區(qū)中，如果數(shù)據(jù)采集模塊不能及時地將數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)讀出，就會導致緩沖區(qū)溢出。即便緩沖區(qū)足夠大，也會導致顯示的數(shù)據(jù)和實際情況之間產(chǎn)生延遲。由于監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)留量比較大，緩沖區(qū)的讀取、數(shù)據(jù)的處理、比較顯示等程序的執(zhí)行時間相對比較長。因此實際上，在本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集模塊和之后的程序執(zhí)行時間之和已經(jīng)超過了采樣的時間，如果數(shù)據(jù)采集模塊和處理顯示等操作順序執(zhí)行，一定會導致緩沖區(qū)溢出的情況發(fā)生。

為了保證監(jiān)測系統(tǒng)軟件的實時性，本文中的程序直接利用CPU的兩個核并行執(zhí)行數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理顯示等部分的程序。這樣程序的結(jié)構(gòu)就如圖5所示，數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理、顯示、等分別放在兩個線程中運行。由于Labview具有自動線程調(diào)度的功能，程序運行時，Labview會根據(jù)操作的類型不同（數(shù)據(jù)采集任務和在屏幕中顯示數(shù)據(jù)任務）將兩個線程的程序分配給不同的CPU內(nèi)核。

3.2.2 數(shù)據(jù)處理、顯示、比較、儲存的實現(xiàn)

由之前的敘述可知，數(shù)據(jù)的處理、顯示、比較、儲存在同一個線程中進行。數(shù)據(jù)處理主要將采樣值還原為真實值。該比例值的計算如下：

式中，N為傳感器的變比，其值等于測量真實值/輸出值；R為調(diào)理電路的采樣電阻，如果傳感器為電壓輸出，則該值取1；G為調(diào)理電路增益。

數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，即可以輸出給顯示、比較和儲存模塊。顯示模塊的實現(xiàn)利用Labview自帶的數(shù)據(jù)波形顯示控件波形圖表（Waveform Chart），該控件會將當前輸入的數(shù)據(jù)以波形的形式顯示，并可以將一段時間前的歷史數(shù)據(jù)根據(jù)配置要求保留在屏幕上。數(shù)據(jù)比較即報警功能，他將數(shù)據(jù)和用戶設(shè)定的限制進行比較，并輸出結(jié)果。數(shù)據(jù)儲存模塊將數(shù)據(jù)放入一個用戶自定義的緩沖區(qū)中，緩沖區(qū)滿時，新的數(shù)據(jù)將覆蓋最老的數(shù)據(jù)。當用戶從界面觸發(fā)保存時，程序?qū)?shù)據(jù)一次性存入一個二進制文件中，采用這種格式可以提高儲存的速度。

3.2.3 儲存數(shù)據(jù)的讀取和離線分析的實現(xiàn)

數(shù)據(jù)讀取和離線分析的程序同樣各自運行在一個線程中，如圖5所示。當用戶觸發(fā)讀取數(shù)據(jù)操作時，程序?qū)⑻峁υ捒蚬┯脩暨x擇數(shù)據(jù)文件，并將所選擇的文件數(shù)據(jù)讀入自定義緩沖區(qū)。程序提供相應的通道選擇界面，將用戶選擇的通道數(shù)據(jù)從自定義緩沖中取出并顯示在示波器上。當數(shù)據(jù)被讀入用戶自定義緩沖時，數(shù)據(jù)離線分析就可以調(diào)用這些數(shù)據(jù)進行分析。

4 變流器監(jiān)測系統(tǒng)應用實例

在3 MW變流器的調(diào)試過程中，出現(xiàn)了由于控制器通信線路脫線導致一路變流器機側(cè)的單相橋壁控制脈沖中斷，導致變流器的輸出波形異常。

圖7 變流器機側(cè)整流器電流故障波形Fig.7 Fault waveform of the current on the motor-side rectifier of the converter

如圖7所示為監(jiān)測系統(tǒng)記錄的機側(cè)整流器的三相電流波形。其中，可以看出由于該相橋臂的脈沖中斷，導致該相IGBT一直處于關(guān)斷的狀態(tài)。由三相橋式逆變器電路的原理可知，這時該相無法輸出正向電流，其波形正如圖7所示表現(xiàn)為電流波形的正半波消失。

在故障發(fā)生時，變流器監(jiān)測系統(tǒng)及時檢測出了故障現(xiàn)象，并且啟動了數(shù)據(jù)儲存功能將數(shù)據(jù)波形保存了下來。根據(jù)波形的分析，使得調(diào)試人員較為準確地判斷出了可能的故障原因?？梢钥闯?，變流器監(jiān)測系統(tǒng)準確地反映了調(diào)試中變流器的狀態(tài)，及時捕捉了故障的具體數(shù)據(jù)，幫助調(diào)試人員減少了故障定位和故障起因判斷的工作量，從而使得故障迅速得到修復。

5 結(jié)論

本文介紹了一個適用于并聯(lián)型全功率變流器的監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)針對變流器的研發(fā)調(diào)試過程中的需要，具有多通道高速采集、數(shù)據(jù)記錄、故障報警、數(shù)據(jù)分析等功能。系統(tǒng)的實現(xiàn)采用了PXI技術(shù)，不僅滿足了多通道高速采集的需求，并且簡化了系統(tǒng)硬件的開發(fā)過程、增強了拓展性，從而使得開發(fā)人員可以更集中于應用程序的開發(fā)。

本文對監(jiān)測系統(tǒng)的功能特點、軟硬件實現(xiàn)方式、以及應用程序各環(huán)節(jié)的實現(xiàn)進行了較為詳細的描述，并且闡述了系統(tǒng)實時性問題的解決方法。最后，文章通過一個使用監(jiān)測系統(tǒng)進行單相脈沖中斷故障的檢測的實例，驗證了監(jiān)測系統(tǒng)的有效性，表明了其對于變流器調(diào)試開發(fā)工作的必要性。

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