基于DSP 的風力發(fā)電機主控制器系統(tǒng)設計

李昆亮，俞子榮，陳黎娟

(南昌航空大學信息工程學院，江西 南昌 330063)

0 引言

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，世界各國對能源的需求越來越大。能源已成為當今人類生存和發(fā)展所要解決的緊迫問題［1］。常規(guī)能源以煤、石油、天然氣為主，不僅資源有限，而且造成了嚴重的環(huán)境污染。風能作為一種無污染的可再生能源，已經(jīng)成為人們替代常規(guī)能源的首選［2-3］。近20 年來，發(fā)達國家在風能的開發(fā)利用方面己取得了巨大的成就［4-6］。20 世紀80 年代問世的并網(wǎng)風力發(fā)電機組，只經(jīng)過幾年的發(fā)展便迅速實現(xiàn)了商品化，到90 年代中期就已形成了一個規(guī)模巨大的風力發(fā)電機產(chǎn)業(yè)。預計到2020 年，我國風電裝機容量將達到2.48 億kW［7-8］。

風能作為一種自然資源，風速、風向都是不穩(wěn)定的，而且風力發(fā)電機組要求適應高溫、高寒、高潮濕、大風沙等惡劣環(huán)境，且在無人值守下長年運行。這些因素對風力發(fā)電機組電氣控制系統(tǒng)的可靠性和環(huán)境適應性都提出了十分嚴格的要求。風力發(fā)電機組控制技術是風電機組的關鍵技術之一，是整個機組可靠運行和實現(xiàn)最佳運行的重要保證。風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)技術主要包括中心控制技術、偏航控制技術、并網(wǎng)技術和變槳距控制技術等。

控制技術是風力發(fā)電的最關鍵技術之一，控制器是風力發(fā)電機組運行的“大腦”，是使整個機組實現(xiàn)正常安全運行及實現(xiàn)最佳運行的可靠保證［9-11］?？刂萍夹g的研究對增強我國大型風力發(fā)電機組的自主開發(fā)能力，提高風力發(fā)電機組的國產(chǎn)化率和降低機組成本具有重要意義。

1 風力發(fā)電控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)代風力發(fā)電崛起于20 世紀八九十年代，已取得了飛速的進展。從控制系統(tǒng)的實現(xiàn)來說，由19 世紀末第一臺現(xiàn)代風力發(fā)電機組在丹麥誕生，到20 世紀80 年代初，風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)得以實現(xiàn)。到了20 世紀80 年代中后期，隨著計算機技術的發(fā)展及其在控制領域的應用，出現(xiàn)了基于微處理器的風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)。步入20 世紀90 年代，風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)往往采用基于單片機或可編程控制器的微機控制。

目前風力發(fā)電機的主控系統(tǒng)主要是基于PLC 控制的［12-15］。目前國內外的主流產(chǎn)品有:

1)BACHMANN。巴赫曼控制器是一種主要針對風力發(fā)電機組設計開發(fā)的嵌入式PLC，性能優(yōu)越［16-17］。

2)BECKHOFF(倍福)?；赑C 的控制技術研制開發(fā)的CX 系列嵌入式PLC 產(chǎn)品，正被逐漸運用到大型風力發(fā)電機組的控制中。

3)MITA。丹麥MITA 成立于1969 年，是世界范圍內風機控制系統(tǒng)關鍵供應商，開發(fā)和生產(chǎn)風機控制系統(tǒng)、控制柜和控制技術，是目前世界領先的風機生產(chǎn)的一站式供應商。

國內外學者研究風能發(fā)電的控制系統(tǒng)設計，多數(shù)運用基于PLC(可編程控制器)的風機控制系統(tǒng)的設計，但是由于PLC 控制系統(tǒng)的價格昂貴，整個系統(tǒng)兼容性差，不易擴展開發(fā)。隨著DSP 技術的發(fā)展，越來越多的DSP 供應廠家推出了多系列且功能強大的多核CPU，這已經(jīng)足夠滿足風機控制系統(tǒng)的運用，為此很多的廠商開始以DSP 為平臺開發(fā)風機的控制系統(tǒng)。

2 風力發(fā)電機控制系統(tǒng)總體設計

在任何測控系統(tǒng)中，都要通過測量裝置獲取相關輸入?yún)?shù)，然后執(zhí)行控制算法，做出相應的控制決策，最后啟動執(zhí)行設備來實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。風力發(fā)電機控制系統(tǒng)也是如此。主控系統(tǒng)將單個分散的測量和控制設備變成網(wǎng)絡節(jié)點，將主控系統(tǒng)中所需的基本控制、參數(shù)修改、報警、顯示、監(jiān)控等功能分散到各個節(jié)點中。風力發(fā)電機的控制系統(tǒng)主要分布在輪轂控制柜、機艙控制柜和塔底控制柜中，由于一般機艙的高度都有60 m 以上的高度，所以信號從塔頂傳到塔底會衰減和串進干擾信號，為了克服這個缺點，在主控系統(tǒng)采用了光纖來傳輸塔底到機艙的信號。為了顯示風力發(fā)電機的運行狀態(tài)方便維護人員調試，選擇監(jiān)控機安放在塔底控制柜上，它通過以太網(wǎng)和塔底主控制器連接來傳輸風力發(fā)電機的實時數(shù)據(jù)。風力發(fā)電機控制系統(tǒng)的整體硬件結構如圖1 所示。

圖1 風力發(fā)電機的控制系統(tǒng)結構圖

圖1 所示塔底主控制器是整個控制系統(tǒng)的核心，它負責處理各類復雜邏輯控制，通過光纖與輪轂和機艙進行實時通信，同時對外圍遠程監(jiān)控機提供相應的通信接口，以滿足風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)控等各種接口需求。機艙中的從控制器主要負責采集溫度、風速和風向等信號，進而控制風機的葉片，實現(xiàn)風力發(fā)電機的偏航、解纜等功能。輪轂中的從控制器主要負責風力發(fā)電機3 個葉片控制，實現(xiàn)風力發(fā)電機的變槳、停機，完成輪轂遠程變槳控制、輪轂輔助控制、緊急變槳控制等。光纖模塊主要為主控制器與從控制器遠距離的數(shù)據(jù)提供準確傳輸。由于主控制器是風機系統(tǒng)運行的大腦中樞，是整個控制系統(tǒng)的核心，因此對主控制器的設計至關重要。

3 主控制器系統(tǒng)硬件設計

3.1 設計原則

主控制器系統(tǒng)在整個控制系統(tǒng)中起著至關重要的作用，其實現(xiàn)的主要原則應從下面幾點出發(fā):

1)由于風力發(fā)電機對數(shù)據(jù)的采樣要求極高，要求每20 ms 對風速、溫度等參數(shù)進行一次采樣，這就要求在硬件設計時，必須使CPU 的處理速度能滿足這個要求。

2)各個控制器節(jié)點的數(shù)據(jù)量大、交互復雜，要求數(shù)據(jù)間的通信要實時、準確。

3)由于整個主控制器系統(tǒng)模塊多、功能復雜，所以在硬件設計時要著重避免模塊間及模塊內部各種信號的衰減和干擾。

4)由于主控系統(tǒng)硬件設計較復雜，為了保證后期更好地調試、維護，因此在設計硬件電路時要充分考慮各個顯示、調試等功能。

3.2 主控系統(tǒng)硬件設計

本研究采用以TI 公司的TMS320C6713 芯片為核心CPU 進行擴展搭建主控制器系統(tǒng)的硬件平臺，硬件結構如圖2 所示。

圖2 主控制器系統(tǒng)硬件結構圖

根據(jù)需求，外圍需擴展的功能模塊主要由TCP/IP 通訊節(jié)點模塊、CAN 轉光纖模塊、文件管理模塊、調試模塊、顯示模塊、電源模塊組成。

3.2.1 DSP 處理系統(tǒng)

DSP 處理系統(tǒng)主要由TMS320C6713 芯片為核心及一些外圍電路組成，TMS320C6713 芯片是一款雙核的DSP 芯片，具有高性能浮點數(shù)字信號處理器;運算速度最高可達2400 MIPS/1800 MFLOPS;達到最高運算能力時CPU 主頻為300 MHz;主頻為167 MHz時，運算速度最高可達1336 MIPS/1000 MFLOPS，該運算能力可以滿足風電領域應用的要求。同時其內核有CACHE 機制，可以加速CPU 的運行。非常高的運算與運行速度可以對軟件的要求降低，在軟件編程時可以適度地減少關注運行效率，而將重點放在軟件的可讀性、可維護性上。

3.2.2 TCP/IP 通訊節(jié)點模塊

該模塊主要由STM32 為TCP/IP 通訊節(jié)點模塊的處理器及以太網(wǎng)通信芯片W5300 組成，W5300 內部集成了10/100 Mbit/s 以太網(wǎng)控制器、MAC 及TCP/IP 協(xié)議棧，因此該通訊節(jié)點模塊不需要考慮以太網(wǎng)的控制，只需對W5300 進行端口(Socket)編程，即可實現(xiàn)網(wǎng)絡通信。

3.2.3 CAN 轉光纖模塊

該模塊實現(xiàn)了光信號到電信號，再到CAN 信號的相互轉換。該模塊主要由光收發(fā)一體模塊OCM2351 和CAN 收發(fā)器CTM1050T 來完成光信號、電信號、CAN 信號相互之間的轉換。

3.2.4 文件管理接口模塊

該模塊主要由CH378 芯片為核心和外圍電路組成，CH378 芯片內部集成USB 總線協(xié)議及SPI 總線協(xié)議，為USB 存儲設備及SD 卡提供USB 接口及SPI總線接口。

3.2.5 顯示模塊

該模塊主要由PIC16F876-20I-SO 單片機為控制器、MAX6371 芯片及外圍電路組成，控制LED 數(shù)碼管顯示風機運行時所需查看的數(shù)據(jù)。

3.2.6 調試接口模塊

該模塊主要由外圍電路組成，為主控制器硬件系統(tǒng)后期調試提供JTAG 接口和DBUG 接口。

3.2.7 電源模塊

該模塊主要由MAX44244AUK +芯片及一些外圍電路組成，該芯片具有超高精度、低噪聲、零漂移雙通道運放，在較寬的供電范圍保持超低功耗特性，能為電源模塊提供較寬的供電范圍。

4 主控制器系統(tǒng)軟件設計

主控制器系統(tǒng)的軟件主要包括2 個部分:主控制器系統(tǒng)軟件平臺、主控制器系統(tǒng)PC 端的應用程序。

4.1 主控制器系統(tǒng)軟件平臺

主控制器系統(tǒng)的軟件設計主要包括對DSP 主控芯片內部應用程序的編寫和主控制器驅動程序的編寫。其中DSP 主控芯片內部應用程序的編寫主要包括對網(wǎng)絡通信節(jié)點模塊中實現(xiàn)TCP/IP 以太網(wǎng)通信的W5300 的應用程序編寫;對CAN 轉光纖模塊中集成CANopen 協(xié)議的CAN 收發(fā)器CTM1050T 芯片的應用程序的編寫;對文件管理模塊中集成USB 總線協(xié)議及SPI 總線協(xié)議的CH378 芯片的應用程序的編寫。

在主控制器的軟件設計中，選擇TI 公司自主開發(fā)的CCS5.3 為軟件開發(fā)平臺，它具有嵌入式系統(tǒng)的任務調度與管理功能，能使整個系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運行，而且支持C、C ++編程，提供了經(jīng)過匯編手工優(yōu)化的數(shù)字信號處理庫。主控制器的軟件結構如圖3所示。

圖3 主控制器軟件結構圖

4.2 主控制器系統(tǒng)PC 端應用程序設計

PC 端應用程序主要實現(xiàn)3 個功能:程序功能界面、與主控制器系統(tǒng)通信、處理相關信息。

應用程序界面設計包括登錄界面和功能界面。功能界面包括主頁、設備控制、顯示設置、報警設置、系統(tǒng)設置、數(shù)據(jù)存儲及報表生成、數(shù)據(jù)庫設置。1)主頁主要顯示當前風力發(fā)電機的狀態(tài)及運行的曲線圖;2)設備控制主要根據(jù)系統(tǒng)通信協(xié)議，對控制器下發(fā)工藝參數(shù)進行控制;3)顯示設置主要是對當前測試數(shù)據(jù)的曲線的設置，包括曲線顏色設置、測量范圍的設置、是否隱藏曲線的設置;4)報警設置主要設置報警上限或下限值;5)系統(tǒng)設置主要包括設置一些用戶權限;6)數(shù)據(jù)存儲及報表生成設置主要對采集數(shù)據(jù)的路徑、名稱及報表格式進行設置;7)數(shù)據(jù)庫設置主要設置數(shù)據(jù)的查詢。設計好的界面如圖4 所示。

圖4 登錄及主界面

5 實驗結果

將PC 端軟件安裝，并搭建主控制器平臺，PC 端軟件通過下發(fā)控制風力發(fā)電機工藝參數(shù)，實時接收并顯示風力發(fā)電機當前運行的各項數(shù)據(jù)指標，包括電流、電壓、轉矩、轉速、輸入功率、輸出功率、效率等參數(shù)。并將每次測試的實驗數(shù)據(jù)通過采點描繪功能曲線并保存數(shù)據(jù)庫，用于客戶對風機運行情況的系統(tǒng)分析，在每次測試結束后，根據(jù)國際上通用的風機測試標準，判斷是否滿足風力發(fā)電機運行的指標要求，最終實驗結果表明系統(tǒng)運行穩(wěn)定，測試合格。運行界面如圖5 所示。

圖5 工藝下發(fā)與測試結果判斷

6 結束語

將該主控制器系統(tǒng)運用在1.5 MW 級的風力發(fā)電機組上，機組運行穩(wěn)定，滿足風力發(fā)電機運行的各項功能指標，達到了對風力發(fā)電機運行實時的監(jiān)控和對各項信息數(shù)據(jù)處理的功能要求。而且這種方式增強了系統(tǒng)兼容性，易于擴展，操作便捷，運行穩(wěn)定可靠。但是，在功能上主控制器系統(tǒng)仍然有改進的空間，比如加入遠程智能監(jiān)控，通過手機客戶端遠程監(jiān)控風力發(fā)電機的運行等。

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