面向工程需求的風(fēng)力發(fā)電實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的開發(fā)

張 強(qiáng)， 張敬南

(哈爾濱工程大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，哈爾濱 150001)

0 引 言

伴隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的推廣和應(yīng)用，與其相關(guān)的生產(chǎn)、制造等產(chǎn)業(yè)也獲得了迅猛發(fā)展，并成為當(dāng)前大學(xué)生就業(yè)的熱門。在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，企業(yè)急需工程知識(shí)基礎(chǔ)扎實(shí)且具備一定創(chuàng)新意識(shí)和能力的專業(yè)人才。因此需要高校的相關(guān)專業(yè)在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)方面，加強(qiáng)對(duì)在校學(xué)生的培養(yǎng)與鍛煉，使之畢業(yè)后能夠具備相關(guān)的工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力。由于現(xiàn)有的各種風(fēng)力發(fā)電裝置不僅造價(jià)昂貴，而且不具備為學(xué)生開設(shè)實(shí)驗(yàn)的功能，因此一些高校開始自主研制相關(guān)的實(shí)驗(yàn)裝置以滿足實(shí)際需求[1-15]。但是受到硬件和軟件結(jié)構(gòu)復(fù)雜等因素的制約，這些實(shí)驗(yàn)裝置的可操作性和功能拓展性受到了限制，往往只能進(jìn)行規(guī)定內(nèi)容實(shí)驗(yàn)或演示性操作。為了能夠面向風(fēng)力發(fā)電的實(shí)際工程需求，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)相關(guān)工程技術(shù)的分析、設(shè)計(jì)、解決、創(chuàng)新能力，本文以原有的科研成果——低頻逆變器和直流可調(diào)電壓源為基礎(chǔ)，通過對(duì)硬件電路和軟件程序采用模塊化改造和開放式設(shè)計(jì)等措施，開發(fā)出了能夠?yàn)榇髮W(xué)生相應(yīng)工程能力鍛煉提供有效支撐的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

為了確保實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)具有良好的可操作性和功能拓展能力，在平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)上采用了模塊化、開放式的設(shè)計(jì)方法。

模塊化是指在硬件電路和軟件程序的設(shè)計(jì)中，以功能為依據(jù)來劃分成為多個(gè)不同的電路模塊和程序模塊：電路模塊之間具有明確的硬件接口定義，例如I/O通道數(shù)及其電平幅值、A/D通道數(shù)及其電壓變化范圍等；而程序模塊之間依靠全局變量實(shí)現(xiàn)橫、縱聯(lián)系，構(gòu)成完整的程序框架。無論是電路模塊還是程序模塊，只要能實(shí)現(xiàn)指定的功能，滿足接口需求，其內(nèi)部的具體設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方式可靈活選擇或自主設(shè)計(jì)。

開放式是指在硬件電路和軟件程序的設(shè)計(jì)中，每一個(gè)模塊所涉及的電路參數(shù)或程序代碼都是對(duì)外公開的，參與的學(xué)生可以根據(jù)需要對(duì)其進(jìn)行修改和調(diào)試，并且也可以在原有的總體結(jié)構(gòu)中加入新的功能模塊，以提升平臺(tái)的總體性能。

基于以上設(shè)計(jì)思想，所開發(fā)的雙饋風(fēng)力發(fā)電實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)主要由風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)、雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和上位機(jī)等3個(gè)主要部分組成，其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)主要是用來替代實(shí)際的風(fēng)力機(jī)和變速箱，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速變化的有效模擬，具體包括調(diào)速電機(jī)和調(diào)速控制裝置；雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)由雙饋發(fā)電機(jī)和發(fā)電控制裝置構(gòu)成，當(dāng)風(fēng)速(即發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速)變化時(shí)，通過對(duì)勵(lì)磁電流的控制實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電運(yùn)行；上位機(jī)主要是實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話功能，實(shí)驗(yàn)人員可通過上位機(jī)對(duì)風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)和雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)予以調(diào)節(jié)、控制，并獲得運(yùn)行的相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖1 總體結(jié)構(gòu)框圖

在原始設(shè)計(jì)方案(即平臺(tái)所提供的，能夠?qū)崿F(xiàn)基本功能的設(shè)計(jì)方案)中，調(diào)速電動(dòng)機(jī)選用的是額定功率為2.8 kW、額定電壓220 V、額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)；雙饋發(fā)電機(jī)利用三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)替代，其功率等級(jí)和轉(zhuǎn)速與調(diào)速電機(jī)相匹配；上位機(jī)選用臺(tái)式計(jì)算機(jī)，利用串行總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

2 調(diào)速控制裝置設(shè)計(jì)

(1)調(diào)速主電路設(shè)計(jì)。調(diào)速主電路以原有的直流可調(diào)電壓源為核心，采用單相全橋整流接濾波電容得到300 V左右直流電壓，再經(jīng)過BUCK式DC-DC變換電路得到0～280 V輸出連續(xù)可調(diào)直流電壓。BUCK電路中的電力電子器件為IGBT(原始設(shè)計(jì)中具體型號(hào)為BSM100GB120DN2)，濾波電感值選為5 mH，濾波電容值為470 μF。

(2)調(diào)速控制電路設(shè)計(jì)。調(diào)速控制電路主要由處理器電路模塊、驅(qū)動(dòng)電路模塊、信號(hào)檢測(cè)電路模塊等構(gòu)成：①處理器電路模塊通過對(duì)調(diào)速電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)，利用具體的控制算法生成BUCK電路中IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)完成與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信。因此要求處理器電路必須具備多路高精度A/D和I/O接口，擁有快速的數(shù)據(jù)處理能力，同時(shí)具有一種或幾種數(shù)據(jù)總線，在原始設(shè)計(jì)中選用了美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的32位浮點(diǎn)DSP芯片TMS320F28335作為中央處理器，此外ARM模塊或高性能的單片機(jī)系統(tǒng)都可以作為備選方案；②驅(qū)動(dòng)電路模塊用于對(duì)處理器電路模塊輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行電氣隔離和功率放大，該電路模塊需對(duì)外提供至少1路數(shù)字信號(hào)輸入通道和1路功率信號(hào)輸出通道。驅(qū)動(dòng)電路可以利用光耦和分立器件搭建，進(jìn)而鍛煉學(xué)生的電路設(shè)計(jì)和調(diào)試能力，也可以為了提高運(yùn)行安全和可靠性而直接選用現(xiàn)有的集成電路。原始設(shè)計(jì)選用了集成驅(qū)動(dòng)電路M57962L輔以相應(yīng)的外圍電路的方案；③信號(hào)檢測(cè)電路模塊中首先包含有調(diào)速電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路，用以將調(diào)速電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)反饋給處理器，原始設(shè)計(jì)中采用光電碼盤(MK8030G-1024BM-T5)作為速度傳感器，光電碼盤輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換處理后，送至處理器的高速I/O口，此外測(cè)速電動(dòng)機(jī)、霍爾式位置傳感器也可以用于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量；其次考慮到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制策略的需求，信號(hào)檢測(cè)電路模塊中還應(yīng)包含有電流檢測(cè)電路，進(jìn)而對(duì)電動(dòng)機(jī)的電樞電流進(jìn)行檢測(cè)形成電流閉環(huán)控制，原始設(shè)計(jì)中采用霍爾式電流傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的高精度采集。該電路模塊與處理器電路模塊之間至少需要1路高速I/O通道和1路A/D通道。

3 發(fā)電控制裝置設(shè)計(jì)

發(fā)電控制裝置主要由發(fā)電機(jī)勵(lì)磁主電路和發(fā)電機(jī)控制電路構(gòu)成。

(1)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁主電路設(shè)計(jì)。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)勵(lì)磁主電路以原有的低頻逆變器為核心，具體為背靠背式AC-DC-AC電力變換電路，其中的網(wǎng)側(cè)變換器和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的結(jié)構(gòu)完全相同，均為三相三橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，原始設(shè)計(jì)中電力電子器件選用的是三菱公司的IPM智能功率模塊(型號(hào)為PM100CSA060)，與其他功率開關(guān)器件相比，IPM具有開關(guān)速度快、開關(guān)功耗低、抗干擾能力強(qiáng)和硬件電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，可有效地提高主電路的運(yùn)行可靠性。

(2)發(fā)電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)。與調(diào)速控制電路相似，發(fā)電機(jī)控制電路也主要由處理器電路模塊、驅(qū)動(dòng)電路模塊、信號(hào)檢測(cè)電路模塊等構(gòu)成：①由于發(fā)電控制需要采集的運(yùn)行數(shù)據(jù)和生成的PWM信號(hào)數(shù)量較多，因此對(duì)處理器電路模塊的硬件資源數(shù)量和性能也提出了更高的要求，原始設(shè)計(jì)中考慮到與調(diào)速控制電路的通用性，故仍選用了DSP芯片TMS320F28335作為中央處理器；②驅(qū)動(dòng)電路模塊，無論是網(wǎng)側(cè)變換器還是轉(zhuǎn)子側(cè)變換器都需要對(duì)外提供6路數(shù)字信號(hào)輸入通道和6路功率信號(hào)輸出通道，在電路模塊內(nèi)部除了要實(shí)現(xiàn)電氣隔離和功率放大功能外，最重要的是要避免橋臂的上下直通故障，因此需要具備直通故障保護(hù)電路。在原始設(shè)計(jì)中，采取了如圖2所示的互鎖保護(hù)電路，同一橋臂的上橋臂導(dǎo)通信號(hào)EPWM1A和下橋臂通信號(hào)EPWM1B經(jīng)過電氣隔離和邏輯互鎖處理后，生成對(duì)應(yīng)的PWM1A和PWM1B信號(hào)，才最終送至IPM模塊的對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)輸入引腳。當(dāng)EPWM1A和EPWM1B信號(hào)同時(shí)為“1”時(shí)，對(duì)應(yīng)的PWM1A和PWM1B信號(hào)會(huì)同時(shí)為“0”，因此可以有效防止橋臂上下直通故障的發(fā)生；③檢測(cè)電路模塊，主要由電壓和電流檢測(cè)電路構(gòu)成，用以分別實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電壓、電流信號(hào)的實(shí)時(shí)采樣。由于傳感器模塊輸出的是雙極性模擬信號(hào)，而DSP的AD轉(zhuǎn)換單元只能處理0～3 V單極性的電壓信號(hào)，所以需要利用現(xiàn)有的各種運(yùn)算放大電路對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行比例調(diào)整、電壓提升(即加法電路)、電壓限幅等操作。原始設(shè)計(jì)中傳感器采用了萊姆公司的電壓霍爾傳感器(LV25-P)和電流霍爾傳感器(LA55-P)。

圖2 IGBT驅(qū)動(dòng)脈沖互鎖電路

4 控制軟件設(shè)計(jì)

調(diào)速控制裝置和發(fā)電控制裝置的控制程序都是由主程序和中斷子程序構(gòu)成，為了便于實(shí)驗(yàn)人員的操作和開發(fā)，兩者的主程序和中斷子程序的流程圖基本一致，如圖3所示。

(a)主程序流程圖(b)中斷子程序流程圖

主程序由初始化程序模塊、通信程序模塊等構(gòu)成。其中初始化程序模塊主要完成系統(tǒng)時(shí)鐘、中斷寄存器等基本設(shè)置，以及I/O、A/D等硬件資源的配置。通信程序模塊用于實(shí)現(xiàn)處理器與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換，處理器從上位機(jī)獲得指令，進(jìn)而調(diào)節(jié)運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)將采集到的運(yùn)行數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī)。

中斷子程序由A/D采集程序模塊、數(shù)據(jù)濾波程序模塊、軟件保護(hù)程序模塊、控制算法程序模塊等構(gòu)成。A/D采集程序模塊用于對(duì)主電路的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，對(duì)于調(diào)速控制裝置，這些數(shù)據(jù)包括調(diào)速電動(dòng)機(jī)的電樞電流、轉(zhuǎn)速等信息；對(duì)于發(fā)電控制裝置，這些數(shù)據(jù)包括轉(zhuǎn)子側(cè)的勵(lì)磁電流、直流母線電壓和定子側(cè)輸出電壓等信息。數(shù)據(jù)濾波程序模塊是對(duì)采集到的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，以消除高次諧波和干擾信號(hào)。軟件保護(hù)程序模塊通過對(duì)采集到的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷是否有過壓、過流等狀態(tài)的發(fā)生，如果會(huì)危及到安全運(yùn)行，則立即封鎖PWM信號(hào)并退出中斷，否則正常執(zhí)行后續(xù)程序?？刂扑惴ǔ绦蚰K根據(jù)采集到的運(yùn)行數(shù)據(jù)，利用具體的算法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制：調(diào)速控制裝置的控制目標(biāo)是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，一般多采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制；發(fā)電控制裝置的控制目標(biāo)是變速恒頻發(fā)電運(yùn)行，因此可利用輸出電壓、勵(lì)磁電流等信息構(gòu)成閉環(huán)控制。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過對(duì)原有低頻逆變器和直流可調(diào)電壓源的硬件和軟件進(jìn)行改造和重新編程，開發(fā)出的雙饋風(fēng)力發(fā)電實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)各組成部分的實(shí)物照片如圖4所示。

在實(shí)驗(yàn)過程中，參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)編寫了以PI控制器為核心的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速控制策略，和以PR控制器為核心輔以SVPWM調(diào)制技術(shù)的發(fā)電控制策略，通過上位機(jī)向調(diào)速控制裝置發(fā)出調(diào)速指令改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，發(fā)電控制裝置根據(jù)發(fā)電機(jī)輸出電壓參數(shù)的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)雙饋發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電運(yùn)行。圖5為模擬原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 425 r/min時(shí)，利用示波器觀察到的雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)勵(lì)磁電流波形(電流傳感器輸出波形)和定子側(cè)輸出電壓波形(利用兩個(gè)5 kΩ的電阻分壓檢測(cè))。從波形中可以看出，此時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)勵(lì)磁電流的頻率為2.5 Hz，剛好為轉(zhuǎn)差頻率，進(jìn)而確保了定子側(cè)輸出電壓頻率恒定在50 Hz，定子側(cè)輸出電壓有效值始終穩(wěn)定在220 V左右。

(c)調(diào)速電動(dòng)機(jī)和雙饋發(fā)電機(jī)

(a)勵(lì)磁電流波形

(b)發(fā)電機(jī)輸出電壓波形

由于所開發(fā)的平臺(tái)是利用三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)來替代實(shí)際的雙饋發(fā)電機(jī)，致使轉(zhuǎn)子側(cè)的諧波磁場(chǎng)對(duì)定子側(cè)輸出影響較大，在定子輸出電壓中形成高次諧波。這些諧波分量的存在，不利于實(shí)際分析和控制，因此學(xué)生創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)針對(duì)采集到的輸出電壓數(shù)據(jù)編寫了低通濾波程序模塊，并且將濾波前后的數(shù)據(jù)利用通信總線上傳至上位機(jī)，在上位機(jī)上觀察到的濾波前后輸出電壓波形如圖6所示。通過比較可以看出，在保證基波電壓不失真的前提下，高次電壓諧波得到了有效的濾除。

(a)濾波前輸出電壓波形

(b)濾波后輸出電壓波形

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，開發(fā)出的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)已經(jīng)具備了對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電所涉及到的多項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，并驗(yàn)證了模塊化、開放式設(shè)計(jì)的可行性和有效性。

6 結(jié) 語

開發(fā)出的雙饋風(fēng)力發(fā)電實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，以原始設(shè)計(jì)方案所提供的軟、硬件為基礎(chǔ)，側(cè)重于對(duì)學(xué)生的工程能力、創(chuàng)新性思維和意識(shí)的鍛煉，即需要學(xué)生根據(jù)實(shí)際工程技術(shù)的具體需求，提出切實(shí)可行的設(shè)計(jì)方案，通過自己動(dòng)手設(shè)計(jì)硬件、編寫程序、聯(lián)合調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)技術(shù)的驗(yàn)證、改進(jìn)、開發(fā)乃至創(chuàng)新。同時(shí)依據(jù)該實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，學(xué)生在對(duì)技術(shù)可行性進(jìn)行驗(yàn)證的同時(shí)，還可以綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、可靠性等諸多因素，實(shí)現(xiàn)對(duì)解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)和鍛煉。