吳娜

摘 要：本文結(jié)合風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)，分析了基于DSP的新型風(fēng)電機(jī)保護(hù)控制器的設(shè)計(jì)方案，然后對(duì)其可行性進(jìn)行了具體分析，以便于保障方案的科學(xué)性和可推廣性。

關(guān)鍵詞：DSP；風(fēng)力發(fā)電機(jī)；主控器系統(tǒng)；通信方案

現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展形勢(shì)下，城市現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程不斷加快，對(duì)能源的需求力度也明顯加大。以煤、石油、天燃?xì)鉃橹鞯某Ｒ?guī)能源數(shù)量有限，并且對(duì)環(huán)境污染比較嚴(yán)重，無法滿足社會(huì)可持續(xù)發(fā)展理念的多元需求。而風(fēng)能資源作為一種新型無污染、可再生能源，逐漸受到社會(huì)的高度重視。但就風(fēng)能資源的實(shí)際應(yīng)用情況來看，其風(fēng)速與風(fēng)向的穩(wěn)定性不足，長期保持無人值守的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的適應(yīng)性提出了嚴(yán)格的要求。此種情況下，加大力度探討基于DSP 的風(fēng)力發(fā)電機(jī)主控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)問題，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)的科學(xué)化應(yīng)用具有重要意義。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)是風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行中的關(guān)鍵技術(shù)，主要包含中心控制技術(shù)、偏航控制技術(shù)、并網(wǎng)技術(shù)以及變槳距控制技術(shù)等。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)的合理應(yīng)用，能夠?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全可靠運(yùn)行提供可靠保證，從而推進(jìn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展。就分紅利發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行情況來看，控制器是保證整個(gè)機(jī)組運(yùn)行的重要條件，控制技術(shù)作為機(jī)組運(yùn)行中的重要技術(shù)，在保證大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組自主開發(fā)能力的提升以及降低機(jī)組成本上發(fā)揮著獨(dú)特作用，進(jìn)一步提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的國產(chǎn)化率，為風(fēng)能資源的優(yōu)化利用打下良好的基礎(chǔ)。

2 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)來說，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。

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)與大部分測控系統(tǒng)相類似，主要是通過測量裝置獲取輸入?yún)?shù)，在執(zhí)行控制算法的基礎(chǔ)上，做出控制決策，并依照控制決策啟動(dòng)設(shè)備，以保證系統(tǒng)控制的規(guī)范有序開展。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)中，主控系統(tǒng)將單個(gè)分散測量和控制設(shè)備變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)后，將基本控制、參數(shù)修改以及監(jiān)控等功能分散至節(jié)點(diǎn)中，以光纖對(duì)信號(hào)進(jìn)行穩(wěn)定傳輸，以促進(jìn)信號(hào)干擾問題的妥善解決。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。

通過對(duì)圖1 進(jìn)行觀察和分析可知，塔底主控制器是系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，基于光纖實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，為遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)提供通信接口，以保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)控等操作的順利實(shí)現(xiàn)。機(jī)艙從控制器的主要功能是采集溫度、風(fēng)速和風(fēng)向等信號(hào)，對(duì)風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行合理控制，確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)的偏航等功能的順利實(shí)現(xiàn)。光纖模塊作為主控制器與從控制器之間傳輸?shù)闹匾脚_(tái)，保證數(shù)據(jù)參數(shù)的穩(wěn)定精準(zhǔn)傳輸。

3.1 主控制器系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 設(shè)計(jì)原則。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20ms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。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。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。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。

3.1.2 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。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 主控制器系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 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)用程序的編寫和主控制器驅(qū)動(dòng)程序的編寫。在主控制器的軟件設(shè)計(jì)中，選擇TI 公司自主開發(fā)的CCS5.3 為軟件開發(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)過匯編手工優(yōu)化的數(shù)字信號(hào)處理庫。

3.2.2 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、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)庫設(shè)置。（1）主頁主要顯示當(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)前測試數(shù)據(jù)的曲線的設(shè)置，包括曲線顏色設(shè)置、測量范圍的設(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、名稱及報(bào)表格式進(jìn)行設(shè)置；（7）數(shù)據(jù)庫設(shè)置主要設(shè)置數(shù)據(jù)的查詢。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在PC 端安裝軟件并搭建主控制器平臺(tái)后，PC 端能夠?qū)⒖刂骑L(fēng)力發(fā)電機(jī)工藝參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確下發(fā)，并對(duì)顯示運(yùn)行的電流、電壓、轉(zhuǎn)速、輸入功率以及效率等相關(guān)數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確接收，實(shí)際應(yīng)用穩(wěn)定性強(qiáng)。該系統(tǒng)能夠?qū)⑺鶞y試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描繪為功能曲線并進(jìn)行妥善保存，為客戶分析風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況提供可靠的數(shù)據(jù)支持。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)測試合格，運(yùn)行穩(wěn)定性極佳。

5 結(jié)論

通過以上研究可知，基于DSP的風(fēng)力發(fā)電機(jī)主控制器系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用價(jià)值，將其應(yīng)用于1.5MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上，最大程度上滿足了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的多項(xiàng)功能指標(biāo)，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性強(qiáng)，具備實(shí)時(shí)監(jiān)控風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行的功能和信息數(shù)據(jù)處理功能?；贒SP 的風(fēng)力發(fā)電機(jī)主控制器系統(tǒng)在操作過程中的便捷程度較高，一定程度上增強(qiáng)了系統(tǒng)兼容性，運(yùn)行效果優(yōu)良，但在功能上仍具備一定改進(jìn)空間。

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（作者單位：江蘇易立電氣股份有限公司南京分公司；

身份證號(hào)碼：320721199002206025）