劉 旭，張竹嫻

(1.湖南勞動人事職業(yè)學院，湖南 長沙 410000；2.長沙學院，湖南 長沙 410022)

基于數(shù)據(jù)流的風力發(fā)電變流系統(tǒng)控制軟件設(shè)計

劉 旭1，張竹嫻2

(1.湖南勞動人事職業(yè)學院，湖南 長沙 410000；2.長沙學院，湖南 長沙 410022)

風能作為可再生能源的重要組成部分，近年來倍受關(guān)注.對于風力發(fā)電機組，并網(wǎng)變流系統(tǒng)是決定其輸出電能質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié).采用PEBB電力電子集成模塊化設(shè)計方法，設(shè)計了變流系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，然后應(yīng)用數(shù)據(jù)流體系設(shè)計其控制軟件.通過搭建的直驅(qū)風力發(fā)電變流系統(tǒng)實驗平臺，觀察了有功調(diào)節(jié)、無功調(diào)節(jié)以及在外界擾動下系統(tǒng)的抗干擾性能實驗結(jié)果波形.實驗結(jié)果表明設(shè)計的風力發(fā)電變流系統(tǒng)控制策略及軟件符合技術(shù)指標要求，提高了風電變流系統(tǒng)的工作效率及其經(jīng)濟效益.

風力發(fā)電；變流系統(tǒng)；PEBB 控制軟件

風能具有不穩(wěn)定、具有氣候性等特點，在風力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運行過程中，其難點在于如何更好地獲取最大風能的同時保證電能質(zhì)量.當前，風力發(fā)電機組的主流結(jié)構(gòu)為變速恒頻風力發(fā)電機組，其中以直驅(qū)型永磁風力發(fā)電機組應(yīng)用前景最好.它具有可靠性高、能量轉(zhuǎn)換效率高、容易實現(xiàn)低電壓穿越、維護成本低、并網(wǎng)功率控制靈活等諸多優(yōu)點[1,2].

一般來說，為了捕獲最大風能，直驅(qū)型風力發(fā)電機組通常要跟隨風速的變化而變化，導致發(fā)電機輸出電壓經(jīng)常會發(fā)生變化，十分不穩(wěn)定.而電網(wǎng)電壓的頻率和幅值都是恒定的，直接將發(fā)電機輸出電壓并到電網(wǎng)上肯定是不行的，因此，這中間需要一個全功率變流器穩(wěn)定發(fā)電機輸出電能的質(zhì)量[3-5].同時，隨著人們用電水平的提高，風力機組的功率將來會越來越大，相應(yīng)地全功率變流器的功率也將不斷提高，其結(jié)構(gòu)將會更為復雜，并且體積也會隨之變大，這一系列的發(fā)展趨勢給風電機組的維護和設(shè)計帶來了巨大地挑戰(zhàn).為了能夠在質(zhì)量、可靠性和成本多方面對全功率變流器進行改進，必須要發(fā)展一種綜合技術(shù)來實現(xiàn)全功率變流器的模塊化和標準化設(shè)計.

本文采用美國海軍研究機構(gòu)提出的PEBB電力電子集成模塊化設(shè)計方法，模塊化、標準化地設(shè)計變流系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，改進該電力電子系統(tǒng)的可靠性，降低系統(tǒng)的維護成本，然后應(yīng)用數(shù)據(jù)流體系設(shè)計其控制軟件.

1 數(shù)據(jù)流軟件體系

將PEBB具體投入使用時，為了更好地拓寬電力電子系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，應(yīng)該要選擇合適的控制軟件設(shè)計方法，以實現(xiàn)模塊功能的配置[6].傳統(tǒng)的電力電子控制軟件，主要采用前后臺系統(tǒng)(Foreground/Background System)或主程序—子程序的形式.這種軟件控制方法通過構(gòu)造一個主程序?qū)崿F(xiàn)循環(huán)結(jié)構(gòu)，于循環(huán)中調(diào)用子程序?qū)崿F(xiàn)各模塊功能.這種軟件結(jié)構(gòu)易于理解，但是它與硬件的相關(guān)性過大，軟件的可重用性低，設(shè)計人員在具體設(shè)計時修改和升級會十分困難，不適用于大型的電力電子系統(tǒng)的軟件開發(fā).而數(shù)據(jù)流軟件設(shè)計方法，以結(jié)點作為基本計算單元，箭頭表示數(shù)據(jù)的流向，以數(shù)據(jù)流圖為載體實現(xiàn)控制算法.它具有十分靈活的模塊化設(shè)計思路，并且每一個節(jié)點就是一個獨立的執(zhí)行單元，不受具體應(yīng)用環(huán)境的限制，具有高的獨立性和重用性，十分適用于基于PEBB的電力電子系統(tǒng)的控制軟件設(shè)計.

數(shù)據(jù)流軟件體系，是對過程控制中數(shù)據(jù)流的“自頂向下，逐步求精”的處理過程，只依賴于數(shù)據(jù)的來源，而不用關(guān)心數(shù)據(jù)到來的先后順序[5].數(shù)據(jù)流體系的典型結(jié)構(gòu)可通過節(jié)點和箭頭進行表述，如圖1所示.

圖1 數(shù)據(jù)流軟件體系結(jié)構(gòu)

圖中，一個節(jié)點代表的是一個計算單元(Unit) ，稱為基本控制對象ECO.箭頭則是一種具有緩沖功能的數(shù)據(jù)通道(Data Channel)，它表示數(shù)據(jù)流的流向只能是單向的，即只能從源節(jié)點將數(shù)據(jù)傳遞到目標節(jié)點.每個節(jié)點對應(yīng)一個獨立的計算單元，節(jié)點的接口在功能確定的同時進行標準化，不同節(jié)點能夠同時執(zhí)行.節(jié)點可有多個輸入數(shù)據(jù)來源，輸出數(shù)據(jù)也可有多個輸出去向.每一個節(jié)點只有當數(shù)據(jù)到達時才被激活，無數(shù)據(jù)時不工作[7].各個節(jié)點按照一定方式形成數(shù)據(jù)流圖，完成控制任務(wù).

我們可以看到，數(shù)據(jù)流體系中，各節(jié)點之間只有數(shù)據(jù)交換，再無其他任何交互，使得該軟件體系具有高可重用性.而每一個節(jié)點單獨完成其任務(wù)，并且可并行執(zhí)行保證了該軟件體系的實時性.同時，該軟件體系的數(shù)據(jù)流走向十分清晰明了，易于設(shè)計者理解及系統(tǒng)維護和改進[8].應(yīng)用數(shù)據(jù)流體系設(shè)計控制軟件，就是將控制算法進行分解，按照一定的方式構(gòu)成一個有機整體，實現(xiàn)控制任務(wù).

2 基于數(shù)據(jù)流的風電變流系統(tǒng)控制軟件設(shè)計

2.1 直驅(qū)永磁風力發(fā)電變流系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

為了提高風力發(fā)電系統(tǒng)的整體性能，較好實現(xiàn)風力發(fā)電機組的變速恒頻運行，直驅(qū)永磁風力發(fā)電機組采用雙PWM全功率變流器.

圖2 直驅(qū)永磁風力發(fā)電機組變流器主拓撲電路

圖中，與低速永磁同步發(fā)電機相連接的是兩組橋式PWM變流器，與網(wǎng)側(cè)相連的是同樣結(jié)構(gòu)的兩組橋式PWM變流器.變流器中所采用的電力電子器件均由可控IGBT組成，通過對電力電子器件通斷的控制，網(wǎng)側(cè)變流器起到整流器的作用，實現(xiàn)對風力發(fā)電機組輸出電壓的整流，機側(cè)變流器則起到逆變器的作用，穩(wěn)定直流母線電壓值.

2.2 基于PEBB的變流系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了模塊化設(shè)計變流系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，本文基于PEBB技術(shù)將直驅(qū)永磁風力發(fā)電系統(tǒng)進行了分層設(shè)計，其層次結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 基于PEBB的直驅(qū)永磁風電力發(fā)電機組變流系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)框圖

本文設(shè)計的基于PEBB的直驅(qū)永磁風力發(fā)電機組變流系統(tǒng)共分為4層，它們分別為應(yīng)用控制層、變換器控制層、PEBB控制層以及PEBB層.其中，變流系統(tǒng)控制層整個變流系統(tǒng)的控制核心，主要任務(wù)是完成網(wǎng)側(cè)和機側(cè)變流器的控制，其具體設(shè)計框圖如圖4所示.

圖4 變流器控制層具體設(shè)計框圖

2.3 風力發(fā)電變流系統(tǒng)控制軟件具體設(shè)計

變流系統(tǒng)控制軟件的任務(wù)是完成網(wǎng)側(cè)和機側(cè)變流器的控制，需要與上層總控制軟件進行通信，并控制下層硬件結(jié)構(gòu)完成控制任務(wù).因此，本文將風電變流系統(tǒng)整體的控制分為上層總控制和下層總控制兩部分，每部分由眾多ECO模塊按照一定方式組合成數(shù)據(jù)流圖實現(xiàn)，上下層之間通過CAN總線進行通信

2.3.1 變流器控制層控制軟件設(shè)計

根據(jù)永磁直驅(qū)風電機組變流系統(tǒng)控制方案和基于PEBB變流系統(tǒng)硬件方案，變流器控制層需要完成機側(cè)變流器的轉(zhuǎn)速外環(huán)控制、網(wǎng)側(cè)變流器的直流電壓外環(huán)控制、跟機組主控制器的實時工業(yè)以太網(wǎng)通信和與PEBB控制層的CAN通信，控制軟件的主要文件包括常規(guī)任務(wù)程序文件和實時控制任務(wù)調(diào)度文件兩類文件組成(如圖5所示).

圖5 變流器控制層控制軟件組成

2.3.2 變流器控制層實時控制任務(wù)調(diào)度處理程序的數(shù)據(jù)流分析

(1)機側(cè)變流器轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)程序

圖6 機側(cè)變流器轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)程序數(shù)據(jù)流圖

(2)網(wǎng)側(cè)變流器直流電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)程序

圖7 網(wǎng)側(cè)變流器直流電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)程序數(shù)據(jù)流圖

(3)以太網(wǎng)通信程序

圖8 以太網(wǎng)通信發(fā)送端數(shù)據(jù)流圖

圖9 以太網(wǎng)通信接受端數(shù)據(jù)流圖

(4)CAN通信程序

圖10 變換器控制層CAN通信數(shù)據(jù)流圖

2.3.3 變流器控制層主要程序模塊設(shè)計與實現(xiàn)

例：PI控制算法模塊設(shè)計與實現(xiàn)如下

PI控制算法模塊(又叫PI調(diào)節(jié)器)主要功能是根據(jù)給定值與實際值的差值，調(diào)整控制量以使得實際系統(tǒng)能夠跟蹤給定.因此，對于一個PI modulator ECO，它的輸入數(shù)據(jù)主要實際系統(tǒng)的采樣值或者檢測值以及給定值.這些數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)通道提供，同時，該模塊還需要設(shè)定PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)比例系數(shù)(KP)和積分系數(shù)(KI)以及dq軸的參考電流dd_ref、dq_ref，其模塊結(jié)構(gòu)如下：

圖11 PI控制算法模塊結(jié)構(gòu)圖

其中，dd、dq為PI調(diào)節(jié)模塊的輸入數(shù)據(jù)，通過內(nèi)部的PI增量式控制算法，得到跟蹤給定d、q軸電流的輸出電壓信號.PI調(diào)節(jié)的具體實現(xiàn)算法流程圖如圖12所示.通過將從采樣模塊反饋得到的dd和dq值分別與給定值dd_ref、dq_ref進行比較得到偏差值Err_dd和Err_dq，然后進行PI增量式運算，得到電壓增量值，進行最后的控制量運算及限幅處理得到最終輸出.

其中，PI增量式運算算法如公式1所示：

(1)

圖12 PI調(diào)節(jié)算法流程示意圖

其中，Kp和KI是模塊預先設(shè)定的參數(shù)，可人為調(diào)整，dq軸的參考電流dd_ref、dq_ref由設(shè)計人員根據(jù)實際情況進行設(shè)定和調(diào)整.

(2)CAN通信模塊

CAN通 塊的設(shè)計主要包括三大部分：初始化控制器，數(shù)據(jù)息的發(fā)送與接收.設(shè)計時CAN控制器的發(fā)送和接收報文，都采用了擴展數(shù)據(jù)幀格式，發(fā)送和接收信息采用中斷方式.

2.4 PEBB控制層控制軟件設(shè)計

2.4.1 PEBB控制層控制程序文件組成

圖13 PEBB控制層控制軟件組成

PEBB控制層需要完成機側(cè)變流器的永磁電機磁場定向控制或網(wǎng)側(cè)變流器的電網(wǎng)電壓定向控制，為了實現(xiàn)上述兩個控制，PEBB控制層采集交流側(cè)電流，通過CAN通信接受來自變換器控制層的電流給定、永磁電機轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速、電網(wǎng)交流電壓及相角等信息，執(zhí)行電流閉環(huán)計算、坐標轉(zhuǎn)換計算和空間矢量調(diào)制計算，通過數(shù)字信號處理器內(nèi)部PWM發(fā)生器產(chǎn)生IGBT驅(qū)動信號，達到電能形式的變換、穩(wěn)定地向電網(wǎng)輸送電能.PEBB控制層控制軟件的常規(guī)任務(wù)程序文件包括向量配置表、主程序和數(shù)據(jù)配置文件，實時控制任務(wù)調(diào)度文件包括電流閉環(huán)調(diào)節(jié)程序、與變換器控制層的CAN通信程序和變流器保護程序，程序組成如圖13所示.

2.4.2 PEBB控制層實時控制任務(wù)調(diào)度處理程序的數(shù)據(jù)流分析

(1)磁場定向控制或電網(wǎng)電壓定向控制程序數(shù)據(jù)流分析

圖14 PEBB控制層程序流程圖

(2)CAN通信程序數(shù)據(jù)流分析

圖15 PEBB控制層CAN通信數(shù)據(jù)流圖

2.4.3 變換器控制層主要程序模塊設(shè)計與實現(xiàn)

變換器控制層主要程序模塊中包含了輸入采樣與處理、坐標變換、PI調(diào)節(jié)器及空間矢量調(diào)節(jié)等多個ECO模塊.

例：輸入采樣處理ECO模塊ADC_A和ADC_B的實現(xiàn)如下

輸入采樣過程主要是對輸入數(shù)據(jù)進行濾波，減少由于采樣過程的噪聲或者其他干擾因素帶來的不利影響，其處理流程圖如圖16所示.

其中，數(shù)字濾波方法可采用簡單的限幅濾波法，即通過計算連續(xù)兩次采樣值的偏差與允許的最大偏差進行比較，來確定本次采樣值是否有效.超出最大偏差，放棄本次采樣值，用前一次采樣值代替本次采樣值.在允許偏差范圍內(nèi)，則保留本次采樣值.其具體的C語言實現(xiàn)過程如下：

圖16 輸入采樣處理流程圖

/* A值可根據(jù)實際情況調(diào)整 value為有效值，new_value為當前采樣值濾波程序返回有效的實際值*/

#define A 10

char value;

char filter()

{

char new_value;

new_value = get_ad();

if ( ( new_value - value > A ) || ( value - new_value > A )

return value;

return new_value;

}

同時，控制量還需要進行規(guī)格化處理，是因為DCS系統(tǒng)中各個模塊之間輸入輸出的運算信號往往是規(guī)格化的，并且上、下位機通信時，規(guī)格化的數(shù)據(jù)能夠使得通信更為可靠.

3 實驗結(jié)果及分析

經(jīng)過直驅(qū)風力發(fā)電變流系統(tǒng)實驗平臺模擬風力發(fā)電系統(tǒng)的運行情況，通過觀察有功調(diào)節(jié)、無功調(diào)節(jié)以及在外界擾動下系統(tǒng)的抗干擾性能實驗結(jié)果波形，充分驗證了控制軟件的控制效果.

3.1 有功調(diào)節(jié)實驗結(jié)果分析

有功調(diào)節(jié)過程表明，這種直驅(qū)風力發(fā)電變流控制系統(tǒng)電流調(diào)節(jié)速度快，且超調(diào)量小，控制穩(wěn)定.

圖17 有功調(diào)節(jié)實驗波形圖

3.2 無功調(diào)節(jié)實驗結(jié)果分析

圖18 無功調(diào)節(jié)實驗波形圖

無功調(diào)節(jié)過程表明，這種直驅(qū)風力發(fā)電變流控制系統(tǒng)電流調(diào)節(jié)速度快，且超調(diào)量小，控制穩(wěn)定.

3.3 風力發(fā)電變流系統(tǒng)抗干擾性能驗證

為了驗證系統(tǒng)能否在受到干擾的情況下仍然能夠穩(wěn)定直流母線電壓在某一恒定值，通過在負載端突加負載，觀察其母線電壓波形，如圖19所示.

圖19 負載突變時的母線電壓波形

由圖可知，直流母線電壓會出現(xiàn)短暫的動態(tài)變化，超調(diào)量比較小，并且能夠很快保持在穩(wěn)定值不變.可見，該風力發(fā)電變流系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能十分優(yōu)秀，此方案完全可以滿足系統(tǒng)的要求.

4 結(jié)論

本文基于PEBB模塊化設(shè)計平臺，設(shè)計了直驅(qū)型風力發(fā)電機組并網(wǎng)逆變器的分布式控制硬件結(jié)構(gòu).然后將并網(wǎng)變流器總體控制分成上層控制器和下層控制器兩層，基于數(shù)據(jù)流體系實現(xiàn)了控制軟件的設(shè)計.數(shù)據(jù)流系統(tǒng)通過將控制算法進行分解并以ECO模塊的形式實現(xiàn)，能夠使控制軟件的設(shè)計獨立于硬件結(jié)構(gòu)，降低控制軟件設(shè)計的復雜程度.基于數(shù)據(jù)流體系設(shè)計變流系統(tǒng)對提高風電變流系統(tǒng)的工作效率及其經(jīng)濟效益具有十分積極的意義.

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(責任編校：晴川)

Design of Control Software for Wind Power Generation Converter System Based on Data Flow

LIU Xu, ZHANG Zhuxian

(1. Hunan Labor and Human Resources Vocational College, Changsha Hunan 410000, China; 2. Changsha University, Changsha Hunan 410022, China)

As an important part of renewable energy, wind energy has attracted more and more attention in recent years. The grid connected converter system is the key link for the output power quality of wind turbine. In this paper, the hardware structure of the converter system is designed based on the PEBB power electronics integrated modular design method, then the data flow system is used to design the control software. Through the experimental platform of direct wind power-drive converter system, the waveforms of the anti-jamming performance experiment were observed in cases of active power regulation, reactive power regulation and subjected to external disturbance. The experimental result shows that the design of wind power converter system control strategy and software accords with the technical requirements, and can improve the work efficiency and economic benefits of wind power converter system.

wind power generation; converter system; PEBB control software

2017-02-09

2016年湖南省教育廳科學研究項目(批準號：16C0714).

劉旭(1985— )，男，湖南祁東人，湖南勞動人事職業(yè)學院助理政工師，碩士.研究方向：軟件工程電氣信息.

TM315

A

1008-4681(2017)02-0045-06