茅靖峰，吳愛華，吳國(guó)慶，曹　陽(yáng)，張旭東

(南通大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇南通　226019)

0　引言

風(fēng)力發(fā)電是當(dāng)前最具大規(guī)模發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉矗鱾€(gè)國(guó)家均已投入了巨額資金競(jìng)相研究開發(fā)，并積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，大力開拓市場(chǎng)應(yīng)用[1-2]。直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用多極低速無刷永磁同步發(fā)電機(jī)(PMSG)與風(fēng)力機(jī)直接相連結(jié)構(gòu)，省去了雙饋交流勵(lì)磁發(fā)電系統(tǒng)中的齒輪箱增速裝置，具有整機(jī)效率和可靠性高、直接成本和維護(hù)費(fèi)用低、低電壓適應(yīng)能力好的優(yōu)異特性，逐漸成為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域的主導(dǎo)發(fā)展方向[3-5]。

由于風(fēng)力資源分布的特點(diǎn)，離網(wǎng)型直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備多安裝于地理和氣象條件較惡劣的郊區(qū)或市區(qū)中的地勢(shì)高處。一旦設(shè)備安裝完畢，機(jī)組的運(yùn)行管理和檢修維護(hù)極不方便。為此，依據(jù)設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用需求，研發(fā)出集運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制和決策功能的系統(tǒng)平臺(tái)，對(duì)風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，如研發(fā)階段的性能測(cè)試和參數(shù)優(yōu)化，運(yùn)行階段的故障診斷和管理等，均具有重要意義[6-10]。

文中應(yīng)用無線通信技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理器技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于上下位機(jī)結(jié)構(gòu)的離網(wǎng)型直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)無線監(jiān)控平臺(tái)。該平臺(tái)能夠?qū)︼L(fēng)力發(fā)電工作現(xiàn)場(chǎng)的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)采集、集中顯示和處理，為離網(wǎng)型直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在自然風(fēng)況運(yùn)行條件下穩(wěn)定、方便及連續(xù)的整機(jī)性能測(cè)試和電控系統(tǒng)參數(shù)在線修正提供了技術(shù)手段，具有良好的應(yīng)用前景和借鑒價(jià)值。

1　監(jiān)控參數(shù)需求分析

離網(wǎng)型直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1　離網(wǎng)型直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)組成

風(fēng)力機(jī)組負(fù)責(zé)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，電控系統(tǒng)負(fù)責(zé)將發(fā)電機(jī)輸出的電能轉(zhuǎn)換為符合用戶要求的電能。兩者的工作性能共同決定了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的整體性能。

對(duì)于風(fēng)力機(jī)組部分，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 19068．2-2003)給出了離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能評(píng)價(jià)的主要技術(shù)指標(biāo)[11]：(1)風(fēng)速與風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電功率關(guān)系曲線；(2)風(fēng)速與發(fā)電機(jī)效率的關(guān)系曲線。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出電功率

P1=UI

(1)

式中：P1為風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電功率，W；U為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出電壓，V；I為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出電流，A．

因此，欲求得風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能參數(shù)，需要對(duì)不同風(fēng)速下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電壓和輸出電流進(jìn)行測(cè)量。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的整機(jī)效率

(2)

式中：η為風(fēng)力發(fā)電機(jī)總效率；P2為理論風(fēng)功率，

(3)

式中：ρ為當(dāng)?shù)乜諝饷芏?，kg·m-3；R為風(fēng)輪半徑，m；v為當(dāng)?shù)仫L(fēng)速，m·s-1．

由式(3)可知，理論風(fēng)功率是風(fēng)速、大氣密度和風(fēng)輪半徑的函數(shù)，其中風(fēng)速、風(fēng)輪半徑可以通過實(shí)測(cè)得出，大氣密度ρ可以通過式(4)，利用測(cè)量環(huán)境溫度T和大氣壓力B來間接計(jì)算得到。

(4)

式中：T為平均氣溫，K；B為平均大氣壓力，kPa．

風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作效率

(5)

式中：η1為發(fā)電機(jī)的效率；P3發(fā)電機(jī)的輸入功率，

(6)

式中：TM為風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸上的扭矩，Nm；n風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，r·min-1。

由式(6)可知，測(cè)得傳動(dòng)軸的扭矩，就可以求得發(fā)電機(jī)的工作效率，還可知道風(fēng)力發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)扭矩。

永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的f-n關(guān)系式

(7)

式中：n為風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速r·min-1；f為風(fēng)力發(fā)電機(jī)所發(fā)交流電頻率，Hz；р為風(fēng)力發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)。

由式(7)可知，可以將對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量簡(jiǎn)化為對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出交流電頻率的測(cè)量。

綜上所述，對(duì)于風(fēng)力機(jī)組性能的監(jiān)測(cè)，至少需要涉及到的被測(cè)參數(shù)有：風(fēng)速、發(fā)電機(jī)輸入扭矩和轉(zhuǎn)速、機(jī)組輸出電壓和電流。

對(duì)于電控系統(tǒng)，各電氣被控對(duì)象的狀態(tài)，如控制策略中的各種閥值參數(shù)、切入風(fēng)速、蓄電池的電壓/電流、各邏輯執(zhí)行開關(guān)的狀態(tài)，用戶電氣負(fù)載的大小、電功率(蓄電池和發(fā)電機(jī))的流向及大小等參數(shù)，均是調(diào)試整機(jī)控制器、評(píng)判與優(yōu)化整機(jī)控制策略合理性的理論依據(jù)。對(duì)這些參數(shù)的監(jiān)測(cè)還可為改進(jìn)控制策略和控制參數(shù)提供決策和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并通過在線修改電控參數(shù)的方法，提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試效率和工作性能。

2　系統(tǒng)總體架構(gòu)

設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)由分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集前置處理模塊、下位機(jī)參數(shù)集控模塊、上/下位機(jī)無線通訊模塊以及上位機(jī)(PC機(jī))等部分組成，如圖2所示。

圖2　監(jiān)控系統(tǒng)總體構(gòu)架

分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由風(fēng)杯式風(fēng)速儀、風(fēng)向儀、溫度變送器、交直流霍爾電壓/電流變送器、扭矩變送器、數(shù)字開關(guān)狀態(tài)緩存器等物理量傳感器組成。

數(shù)據(jù)采集前置處理模塊包括模擬和數(shù)字兩個(gè)采集調(diào)理電路部分。模擬量采集調(diào)理部分實(shí)現(xiàn)電壓線性調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換兩個(gè)功能，前者將各模擬量傳感器輸出的電信號(hào)做相應(yīng)的線性電壓變換，后者實(shí)現(xiàn)電壓量的模數(shù)變換。數(shù)字量采集調(diào)理部分主要由數(shù)據(jù)緩沖、頻率信號(hào)測(cè)量及其接口電路組成，完成對(duì)風(fēng)力發(fā)電電控系統(tǒng)中的各數(shù)字邏輯切入/切出開關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行按需鎖存。

下位機(jī)參數(shù)集控模塊是監(jiān)控系統(tǒng)的控制核心，并按照上位機(jī)(PC機(jī))給出的指令產(chǎn)生相關(guān)操作。這些操作包括：聯(lián)機(jī)應(yīng)答測(cè)試；下位機(jī)的工作模式設(shè)置；上傳風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的被測(cè)參數(shù)；上傳或修改風(fēng)力發(fā)電機(jī)電控系統(tǒng)參數(shù)等工作。

3　硬件設(shè)計(jì)

3．1下位機(jī)集控模塊

依據(jù)參數(shù)監(jiān)控的需求分析，下位機(jī)主控單元需要具有AD轉(zhuǎn)換、數(shù)字輸入/輸出通道、捕獲測(cè)速以及較強(qiáng)的通訊能力，因此，綜合考慮性價(jià)比和技術(shù)成熟度，選用TMS320F2812芯片作為下位機(jī)集控模塊的主控芯片。設(shè)計(jì)的F2812外圍電路原理圖如圖3所示。

圖3　F2812的外圍電路原理圖

F2812具有16路集成片內(nèi)ADC單元，單極性，12位精度，每個(gè)通道的轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)80 ns，1次全排序轉(zhuǎn)換耗時(shí)1.28 μs，可以滿足直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采樣通道數(shù)與轉(zhuǎn)換速度的要求。兩個(gè)SCI通訊口分別與下位機(jī)無線通訊模塊和風(fēng)力發(fā)電電控系統(tǒng)通訊，在與上位機(jī)進(jìn)行通訊時(shí)，F(xiàn)2812為從站，依據(jù)上位機(jī)的命令執(zhí)行相關(guān)操作；在與電控系統(tǒng)通訊時(shí)，F(xiàn)2812為主站，主要是向電控系統(tǒng)發(fā)送請(qǐng)求控制參數(shù)命令或需修正的控制參數(shù)值。

3．2無線通訊模塊

選擇低成本單片射頻集成電路CC1020作為收發(fā)通信芯片。該芯片主要設(shè)計(jì)用于ISM(工業(yè)科學(xué)及醫(yī)療方面)以及SRD(短距離通訊)，可視傳輸距離達(dá)km以上，載頻頻率可編程在402～470 MHz和804～960 MHz，具有工作電壓低(2.3～3.6 V)、能耗低、體積小等特點(diǎn)。

由于CC1020射頻芯片的工作參數(shù)配置和收發(fā)數(shù)據(jù)通信需通過串行總線接口進(jìn)行，因此，采用ATmega8L單片機(jī)構(gòu)建此無線通訊模塊。圖4所示為上位機(jī)無線收發(fā)模塊接線原理圖。

圖4　上位機(jī)無線通訊模塊原理圖

上位機(jī)通過RS232串口總線與單片機(jī)ATmega8L進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通訊。ATmega8L作為此無線通訊模塊中的主控器，上電時(shí)首先利用CC1020的4串行SPI總線(PSEL、PCLK、PDI、PDO)對(duì)CC1020的工作參數(shù)進(jìn)行配置；待CC1020工作穩(wěn)定后，通過DCLK和DIO引腳實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的收與發(fā)。

CC1020一次完整的配置要求發(fā)送33個(gè)數(shù)據(jù)幀，每幀16位(內(nèi)部寄存器地址7位，R/W1位，數(shù)據(jù)8位)，一次完整配置所需時(shí)間取決于PCLK的頻率。模塊的發(fā)射和接收頻率由CC1020的晶振及外部元件決定。系統(tǒng)選擇433 MHz的收發(fā)頻率，GFSK的調(diào)制方式，選用14.7 456 MHz晶振，各寄存器的取值可由廠商提供的軟件SarmtRF Studio計(jì)算得到。

3．3模擬量采集模塊

F2812的ADC轉(zhuǎn)換模塊的輸入電平范圍為0～3 V，而系統(tǒng)中傳感器節(jié)點(diǎn)的模擬量輸出接口具有電壓型和電流型兩種標(biāo)準(zhǔn)，因此，需要設(shè)計(jì)調(diào)理電路進(jìn)行線性匹配轉(zhuǎn)換。

圖5為扭矩傳感器輸出1～5 V信號(hào)的調(diào)理轉(zhuǎn)換接口電路。該1～5V電壓輸入信號(hào)V0in通過電壓跟隨、低通濾波、比例變換和3 V限幅鉗位后引入F2812的ADC口。

圖5　扭矩傳感器電壓調(diào)理電路

由于離網(wǎng)型直驅(qū)風(fēng)力機(jī)的最高轉(zhuǎn)速在幾百rpm范圍內(nèi)，因此，圖5中的前置低通濾波器的截止頻率可設(shè)置在20 Hz．采用低通(巴特沃斯響應(yīng))濾波器的快速設(shè)計(jì)方法得相應(yīng)電路參數(shù)為C102=1 μF.R102=7.5 kΩ、R103=27 kΩ、C101=330 nF．其幅頻特性如圖6所示。

圖6　低通濾波器幅頻特性

對(duì)于電流型的傳感器輸出，常采用精密電流/電壓轉(zhuǎn)換芯片RCV420來實(shí)現(xiàn)I/V信號(hào)變換。考慮到性價(jià)比因素，系統(tǒng)采用并聯(lián)電阻的方法實(shí)現(xiàn)I/V轉(zhuǎn)換。

圖7所示為母線直流電流檢測(cè)調(diào)理電路。CSM為電流型霍爾電流傳感器，其輸出的電流信號(hào)通過可調(diào)電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再通過電壓跟隨、低通濾波和3 V限幅鉗位后接入F2812的ADC輸入引腳。

圖7　電流-電壓轉(zhuǎn)換電路

在系統(tǒng)中，F(xiàn)2812的ADC轉(zhuǎn)換模塊工作于16通道級(jí)聯(lián)單排序模式順序轉(zhuǎn)換，由TIMER1周期中斷觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換事件，再由轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷ADCINT_ISR完成ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器RESULYn數(shù)據(jù)的讀取。

上位機(jī)可通過向F2812發(fā)送采樣工作模式指令，來重載F2812的TIMER1相關(guān)寄存器T1CON、T1PR，以及ADC模塊控制寄存器ADCTRL1/2/3和ADCMAXCONV的值，以修改ADC轉(zhuǎn)換的頻率與通道數(shù)。

3．4數(shù)字量采集模塊

F2812有多達(dá)56個(gè)獨(dú)立可編程復(fù)用的通用雙向數(shù)字引腳，其最大允許輸入電壓為3.3 V，最大拉/灌電流在2～8 mA之間，因此，為了兼容外圍電路的5VCOMS/TTL電平信號(hào)并增加引腳的驅(qū)動(dòng)能力，在GPIO引腳上加入總線收發(fā)器SN74LVTH245A芯片。

系統(tǒng)中，通過配置控制寄存器GPxMUX和方向寄存器GPxDIR來設(shè)定相關(guān)引腳的功能模式，通過讀寫寄存器GPxDAT來讀取與設(shè)置輸入/輸出數(shù)據(jù)值。

由于采用的風(fēng)杯式風(fēng)速儀的輸出信號(hào)為頻率正比與風(fēng)速的正弦波信號(hào)(0～125 Hz)，因此，需要將此正弦波信號(hào)經(jīng)低通濾波、過零檢測(cè)和整形后，再引入F2812的捕獲中斷口CAP1進(jìn)行測(cè)頻，電路如圖8所示。

圖8中，低通濾波器的截止頻率設(shè)置在150 Hz．史密斯觸發(fā)器CD40106防止電平誤翻轉(zhuǎn)，其工作電壓為5 V，而CAP1口的最高輸入信號(hào)為3.3 V，因此，通過電阻R102分壓，以匹配電平。

圖8　正弦波信號(hào)整形調(diào)理電路

F2812配置CAP1為雙沿檢測(cè)，選TIMER2為其時(shí)基，單增計(jì)數(shù)模式，賦周期寄存器T2PR=0FFF0H．通過連續(xù)的捕獲中斷，即可用捕獲值CAP1FIFO來反映實(shí)時(shí)風(fēng)速。為了協(xié)調(diào)大風(fēng)速范圍條件下的測(cè)頻問題，程序中使能TIMER2的溢出中斷功能，當(dāng)檢測(cè)與計(jì)算TIMER2溢出中斷發(fā)生的次數(shù)，即可判斷出當(dāng)前風(fēng)速小于某一最小閥值。

由于對(duì)發(fā)電機(jī)輸出交流電頻率的測(cè)量即可換算得到發(fā)電機(jī)(風(fēng)力機(jī))轉(zhuǎn)速，因此，將發(fā)電機(jī)輸出交流電A相通過如圖9所示的電壓型霍爾電壓傳感器變送后，再利用類似圖8所示的整形調(diào)理電路引入F2812的捕獲中斷口CAP2進(jìn)行測(cè)頻。

圖9　霍爾電壓傳感器電路

4　軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括ATmage8L單片機(jī)的無線通訊接口軟件、F2812 DSP的參數(shù)采集與處理軟件以及上位機(jī)的監(jiān)控管理軟件3個(gè)部分。

在無線通訊模塊中，上下位機(jī)采用半雙工通訊模式，上位機(jī)設(shè)定為通訊主站，下位機(jī)設(shè)定為通訊從站，收與發(fā)的來回時(shí)序關(guān)系嚴(yán)密，因此，ATmage8L軟件需嚴(yán)格按照通訊協(xié)議編寫。

DSP參數(shù)采集與處理軟件主要依據(jù)上位機(jī)給出的指令(命令編碼)執(zhí)行相關(guān)操作，這些指令包括：聯(lián)機(jī)應(yīng)答測(cè)試；DSP工作模式設(shè)置；采集并上傳風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)；上傳或修改風(fēng)力發(fā)電機(jī)電控系統(tǒng)參數(shù)等5種。其主程序流程圖如圖10所示。

上位機(jī)監(jiān)控管理軟件主要由無線通訊協(xié)議處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與顯示、人機(jī)接口等3個(gè)功能子程序組成，采用LabVIEW軟件編程實(shí)現(xiàn)。程序設(shè)計(jì)中，計(jì)算機(jī)與無線通訊模塊的RS232串口通信處理使用VISA儀器驅(qū)動(dòng)函數(shù)庫(kù)中的VISA Configure Serial Port、VISA Read、VISA Write、VISA Close、VISA Set I/O Buffer Size、VISA Bytes at Serial Port等8個(gè)函數(shù)。

圖10　F2812主程序流程圖

以上位機(jī)接收數(shù)據(jù)為例，當(dāng)LabVIEW串口Buff接收到數(shù)據(jù)后，判斷Buff中的字節(jié)數(shù)是否大于0，若是，條件結(jié)構(gòu)進(jìn)入“True”分支。此時(shí)，用String Subset函數(shù)，截取串口Buff中讀取的字符串中的標(biāo)志位，根據(jù)標(biāo)志位的不同，執(zhí)行相應(yīng)的各功能子模塊。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，通過String Subset函數(shù)拆分、Bundle 函數(shù)與必要信息拼接及格式化整合后，形成字符串?dāng)?shù)據(jù)流，再利用Oрen/Create/Reрlace File函數(shù)、Set File Position函數(shù)、Set File Position函數(shù)和Close File函數(shù)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以新建或是追加方式儲(chǔ)存到Execl格式的文件中。

圖11所示為1臺(tái)50W自制垂直軸離網(wǎng)型直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，在風(fēng)洞測(cè)試時(shí)，利用該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)并擬合處理后得到的風(fēng)能吸收曲線。

圖11　實(shí)測(cè)風(fēng)速-轉(zhuǎn)速-電功率曲線

由圖11可以看出，在某一風(fēng)速下，系統(tǒng)電功率是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的似拋物線型的單值函數(shù)關(guān)系，并且僅有唯一的最優(yōu)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)一個(gè)最大的功率點(diǎn)。將不同風(fēng)速下的各個(gè)最大功率點(diǎn)連接在一起可以得到系統(tǒng)的最大功率曲線，符合風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)力學(xué)特性。

5　結(jié)束語(yǔ)

提出了基于無線通訊方式的離網(wǎng)型直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)集成監(jiān)控平臺(tái)的軟、硬件系統(tǒng)架構(gòu)和功能設(shè)計(jì)方案。該集成監(jiān)控平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)工作現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)以及電控參數(shù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和修正，為風(fēng)力發(fā)電整機(jī)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行性能的測(cè)評(píng)和進(jìn)一步參數(shù)優(yōu)化提供了分析數(shù)據(jù)和技術(shù)手段。

該設(shè)計(jì)方案的特點(diǎn)有：(1)采用CC1020射頻芯片組建雙向無線通訊節(jié)點(diǎn)，工作在ISM頻段，可靠性強(qiáng)、性價(jià)比高。(2)下位機(jī)以TMS320F2812為核心，采用模塊化設(shè)計(jì)，在滿足風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)采集的多信道、多類型、多功能的條件下，外圍硬件電路得到簡(jiǎn)化，系統(tǒng)可靠性和可擴(kuò)展能力得到提高。(3)上位機(jī)功能軟件的可擴(kuò)充性好，根據(jù)需求可進(jìn)一步加入數(shù)據(jù)處理、報(bào)表生成及網(wǎng)絡(luò)互連等功能，利于應(yīng)用于其他風(fēng)力發(fā)電類型的參數(shù)監(jiān)測(cè)與控制場(chǎng)合。

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