李昆亮，俞子榮，陳黎娟

(南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院，江西 南昌 330063)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，世界各國(guó)對(duì)能源的需求越來(lái)越大。能源已成為當(dāng)今人類(lèi)生存和發(fā)展所要解決的緊迫問(wèn)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(yán)重的環(huán)境污染。風(fēng)能作為一種無(wú)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(lái)，發(fā)達(dá)國(guó)家在風(fēng)能的開(kāi)發(fā)利用方面己取得了巨大的成就［4-6］。20 世紀(jì)80 年代問(wèn)世的并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，只經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展便迅速實(shí)現(xiàn)了商品化，到90 年代中期就已形成了一個(gè)規(guī)模巨大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)業(yè)。預(yù)計(jì)到2020 年，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到2.48 億kW［7-8］。

風(fēng)能作為一種自然資源，風(fēng)速、風(fēng)向都是不穩(wěn)定的，而且風(fēng)力發(fā)電機(jī)組要求適應(yīng)高溫、高寒、高潮濕、大風(fēng)沙等惡劣環(huán)境，且在無(wú)人值守下長(zhǎng)年運(yùn)行。這些因素對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣控制系統(tǒng)的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性都提出了十分嚴(yán)格的要求。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)是風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)之一，是整個(gè)機(jī)組可靠運(yùn)行和實(shí)現(xiàn)最佳運(yùn)行的重要保證。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)技術(shù)主要包括中心控制技術(shù)、偏航控制技術(shù)、并網(wǎng)技術(shù)和變槳距控制技術(shù)等。

控制技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電的最關(guān)鍵技術(shù)之一，控制器是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的“大腦”，是使整個(gè)機(jī)組實(shí)現(xiàn)正常安全運(yùn)行及實(shí)現(xiàn)最佳運(yùn)行的可靠保證［9-11］?？刂萍夹g(shù)的研究對(duì)增強(qiáng)我國(guó)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的自主開(kāi)發(fā)能力，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的國(guó)產(chǎn)化率和降低機(jī)組成本具有重要意義。

1 風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電崛起于20 世紀(jì)八九十年代，已取得了飛速的進(jìn)展。從控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)來(lái)說(shuō)，由19 世紀(jì)末第一臺(tái)現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在丹麥誕生，到20 世紀(jì)80 年代初，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。到了20 世紀(jì)80 年代中后期，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及其在控制領(lǐng)域的應(yīng)用，出現(xiàn)了基于微處理器的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)。步入20 世紀(jì)90 年代，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)往往采用基于單片機(jī)或可編程控制器的微機(jī)控制。

目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主控系統(tǒng)主要是基于PLC 控制的［12-15］。目前國(guó)內(nèi)外的主流產(chǎn)品有:

1)BACHMANN。巴赫曼控制器是一種主要針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)開(kāi)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(shù)研制開(kāi)發(fā)的CX 系列嵌入式PLC 產(chǎn)品，正被逐漸運(yùn)用到大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制中。

3)MITA。丹麥MITA 成立于1969 年，是世界范圍內(nèi)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)關(guān)鍵供應(yīng)商，開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)、控制柜和控制技術(shù)，是目前世界領(lǐng)先的風(fēng)機(jī)生產(chǎn)的一站式供應(yīng)商。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究風(fēng)能發(fā)電的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，多數(shù)運(yùn)用基于PLC(可編程控制器)的風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，但是由于PLC 控制系統(tǒng)的價(jià)格昂貴，整個(gè)系統(tǒng)兼容性差，不易擴(kuò)展開(kāi)發(fā)。隨著DSP 技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的DSP 供應(yīng)廠家推出了多系列且功能強(qiáng)大的多核CPU，這已經(jīng)足夠滿足風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)用，為此很多的廠商開(kāi)始以DSP 為平臺(tái)開(kāi)發(fā)風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng)。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在任何測(cè)控系統(tǒng)中，都要通過(guò)測(cè)量裝置獲取相關(guān)輸入?yún)?shù)，然后執(zhí)行控制算法，做出相應(yīng)的控制決策，最后啟動(dòng)執(zhí)行設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)也是如此。主控系統(tǒng)將單個(gè)分散的測(cè)量和控制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，將主控系統(tǒng)中所需的基本控制、參數(shù)修改、報(bào)警、顯示、監(jiān)控等功能分散到各個(gè)節(jié)點(diǎn)中。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)主要分布在輪轂控制柜、機(jī)艙控制柜和塔底控制柜中，由于一般機(jī)艙的高度都有60 m 以上的高度，所以信號(hào)從塔頂傳到塔底會(huì)衰減和串進(jìn)干擾信號(hào)，為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，在主控系統(tǒng)采用了光纖來(lái)傳輸塔底到機(jī)艙的信號(hào)。為了顯示風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)方便維護(hù)人員調(diào)試，選擇監(jiān)控機(jī)安放在塔底控制柜上，它通過(guò)以太網(wǎng)和塔底主控制器連接來(lái)傳輸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的整體硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖1 所示塔底主控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)處理各類(lèi)復(fù)雜邏輯控制，通過(guò)光纖與輪轂和機(jī)艙進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，同時(shí)對(duì)外圍遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)提供相應(yīng)的通信接口，以滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)控等各種接口需求。機(jī)艙中的從控制器主要負(fù)責(zé)采集溫度、風(fēng)速和風(fēng)向等信號(hào)，進(jìn)而控制風(fēng)機(jī)的葉片，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的偏航、解纜等功能。輪轂中的從控制器主要負(fù)責(zé)風(fēng)力發(fā)電機(jī)3 個(gè)葉片控制，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變槳、停機(jī)，完成輪轂遠(yuǎn)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(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)提供準(zhǔn)確傳輸。由于主控制器是風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的大腦中樞，是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，因此對(duì)主控制器的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

3 主控制器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原則

主控制器系統(tǒng)在整個(gè)控制系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，其實(shí)現(xiàn)的主要原則應(yīng)從下面幾點(diǎn)出發(fā):

1)由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的采樣要求極高，要求每20 ms 對(duì)風(fēng)速、溫度等參數(shù)進(jìn)行一次采樣，這就要求在硬件設(shè)計(jì)時(shí)，必須使CPU 的處理速度能滿足這個(gè)要求。

2)各個(gè)控制器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)量大、交互復(fù)雜，要求數(shù)據(jù)間的通信要實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確。

3)由于整個(gè)主控制器系統(tǒng)模塊多、功能復(fù)雜，所以在硬件設(shè)計(jì)時(shí)要著重避免模塊間及模塊內(nèi)部各種信號(hào)的衰減和干擾。

4)由于主控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)較復(fù)雜，為了保證后期更好地調(diào)試、維護(hù)，因此在設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)要充分考慮各個(gè)顯示、調(diào)試等功能。

3.2 主控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本研究采用以TI 公司的TMS320C6713 芯片為核心CPU 進(jìn)行擴(kuò)展搭建主控制器系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 主控制器系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)需求，外圍需擴(kuò)展的功能模塊主要由TCP/IP 通訊節(jié)點(diǎn)模塊、CAN 轉(zhuǎn)光纖模塊、文件管理模塊、調(diào)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(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器;運(yùn)算速度最高可達(dá)2400 MIPS/1800 MFLOPS;達(dá)到最高運(yùn)算能力時(shí)CPU 主頻為300 MHz;主頻為167 MHz時(shí)，運(yùn)算速度最高可達(dá)1336 MIPS/1000 MFLOPS，該運(yùn)算能力可以滿足風(fēng)電領(lǐng)域應(yīng)用的要求。同時(shí)其內(nèi)核有CACHE 機(jī)制，可以加速CPU 的運(yùn)行。非常高的運(yùn)算與運(yùn)行速度可以對(duì)軟件的要求降低，在軟件編程時(shí)可以適度地減少關(guān)注運(yùn)行效率，而將重點(diǎn)放在軟件的可讀性、可維護(hù)性上。

3.2.2 TCP/IP 通訊節(jié)點(diǎn)模塊

該模塊主要由STM32 為T(mén)CP/IP 通訊節(jié)點(diǎn)模塊的處理器及以太網(wǎng)通信芯片W5300 組成，W5300 內(nèi)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(diǎn)模塊不需要考慮以太網(wǎng)的控制，只需對(duì)W5300 進(jìn)行端口(Socket)編程，即可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。

3.2.3 CAN 轉(zhuǎn)光纖模塊

該模塊實(shí)現(xiàn)了光信號(hào)到電信號(hào)，再到CAN 信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換。該模塊主要由光收發(fā)一體模塊OCM2351 和CAN 收發(fā)器CTM1050T 來(lái)完成光信號(hào)、電信號(hào)、CAN 信號(hào)相互之間的轉(zhuǎn)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(nèi)部集成USB 總線協(xié)議及SPI 總線協(xié)議，為USB 存儲(chǔ)設(shè)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(jī)為控制器、MAX6371 芯片及外圍電路組成，控制LED 數(shù)碼管顯示風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)所需查看的數(shù)據(jù)。

3.2.6 調(diào)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(diào)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(yùn)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(shè)計(jì)

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

4.1 主控制器系統(tǒng)軟件平臺(tái)

主控制器系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括對(duì)DSP 主控芯片內(nèi)部應(yīng)用程序的編寫(xiě)和主控制器驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)。其中DSP 主控芯片內(nèi)部應(yīng)用程序的編寫(xiě)主要包括對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)模塊中實(shí)現(xiàn)TCP/IP 以太網(wǎng)通信的W5300 的應(yīng)用程序編寫(xiě);對(duì)CAN 轉(zhuǎn)光纖模塊中集成CANopen 協(xié)議的CAN 收發(fā)器CTM1050T 芯片的應(yīng)用程序的編寫(xiě);對(duì)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(yīng)用程序的編寫(xiě)。

在主控制器的軟件設(shè)計(jì)中，選擇TI 公司自主開(kāi)發(fā)的CCS5.3 為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，它具有嵌入式系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度與管理功能，能使整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，而且支持C、C ++編程，提供了經(jīng)過(guò)匯編手工優(yōu)化的數(shù)字信號(hào)處理庫(kù)。主控制器的軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 主控制器軟件結(jié)構(gòu)圖

4.2 主控制器系統(tǒng)PC 端應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

PC 端應(yīng)用程序主要實(shí)現(xiàn)3 個(gè)功能:程序功能界面、與主控制器系統(tǒng)通信、處理相關(guān)信息。

應(yīng)用程序界面設(shè)計(jì)包括登錄界面和功能界面。功能界面包括主頁(yè)、設(shè)備控制、顯示設(shè)置、報(bào)警設(shè)置、系統(tǒng)設(shè)置、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及報(bào)表生成、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)置。1)主頁(yè)主要顯示當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電機(jī)的狀態(tài)及運(yùn)行的曲線圖;2)設(shè)備控制主要根據(jù)系統(tǒng)通信協(xié)議，對(duì)控制器下發(fā)工藝參數(shù)進(jìn)行控制;3)顯示設(shè)置主要是對(duì)當(dāng)前測(cè)試數(shù)據(jù)的曲線的設(shè)置，包括曲線顏色設(shè)置、測(cè)量范圍的設(shè)置、是否隱藏曲線的設(shè)置;4)報(bào)警設(shè)置主要設(shè)置報(bào)警上限或下限值;5)系統(tǒng)設(shè)置主要包括設(shè)置一些用戶權(quán)限;6)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及報(bào)表生成設(shè)置主要對(duì)采集數(shù)據(jù)的路徑、名稱(chēng)及報(bào)表格式進(jìn)行設(shè)置;7)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)置主要設(shè)置數(shù)據(jù)的查詢。設(shè)計(jì)好的界面如圖4 所示。

圖4 登錄及主界面

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將PC 端軟件安裝，并搭建主控制器平臺(tái)，PC 端軟件通過(guò)下發(fā)控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)工藝參數(shù)，實(shí)時(shí)接收并顯示風(fēng)力發(fā)電機(jī)當(dāng)前運(yùn)行的各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)，包括電流、電壓、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、輸入功率、輸出功率、效率等參數(shù)。并將每次測(cè)試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)采點(diǎn)描繪功能曲線并保存數(shù)據(jù)庫(kù)，用于客戶對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況的系統(tǒng)分析，在每次測(cè)試結(jié)束后，根據(jù)國(guó)際上通用的風(fēng)機(jī)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，判斷是否滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行的指標(biāo)要求，最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，測(cè)試合格。運(yùn)行界面如圖5 所示。

圖5 工藝下發(fā)與測(cè)試結(jié)果判斷

6 結(jié)束語(yǔ)

將該主控制器系統(tǒng)運(yùn)用在1.5 MW 級(jí)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行的各項(xiàng)功能指標(biāo)，達(dá)到了對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控和對(duì)各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)處理的功能要求。而且這種方式增強(qiáng)了系統(tǒng)兼容性，易于擴(kuò)展，操作便捷，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。但是，在功能上主控制器系統(tǒng)仍然有改進(jìn)的空間，比如加入遠(yuǎn)程智能監(jiān)控，通過(guò)手機(jī)客戶端遠(yuǎn)程監(jiān)控風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行等。

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