论文部分内容阅读
摘 要：本文结合风力发电机控制系统，分析了基于DSP的新型风电机保护控制器的设计方案，然后对其可行性进行了具体分析，以便于保障方案的科学性和可推广性。
关键词：DSP；风力发电机；主控器系统；通信方案
现代社会经济发展形势下，城市现代化建设进程不断加快，对能源的需求力度也明显加大。以煤、石油、天燃气为主的常规能源数量有限，并且对环境污染比较严重，无法满足社会可持续发展理念的多元需求。而风能资源作为一种新型无污染、可再生能源，逐渐受到社會的高度重视。但就风能资源的实际应用情况来看，其风速与风向的稳定性不足，长期保持无人值守的运行状态，对风力发电机组的适应性提出了严格的要求。此种情况下，加大力度探讨基于DSP 的风力发电机主控制器系统设计相关问题，对于风力发电机组控制技术的科学化应用具有重要意义。
1 风力发电机组控制技术
风力发电机组控制技术是风电机组运行中的关键技术，主要包含中心控制技术、偏航控制技术、并网技术以及变桨距控制技术等。风力发电机组控制技术的合理应用，能够为风力发电机组的安全可靠运行提供可靠保证，从而推进风力发电机产业的健康持续发展。就分红利发电机组的运行情况来看，控制器是保证整个机组运行的重要条件，控制技术作为机组运行中的重要技术，在保证大型风力发电机组自主开发能力的提升以及降低机组成本上发挥着独特作用，进一步提高风力发电机组的国产化率，为风能资源的优化利用打下良好的基础。
2 风力发电控制系统的发展现状
现代风力发电崛起于20世纪八九十年代，已取得了飞速的进展。从控制系统的实现来说，由19世纪末第一台现代风力发电机组在丹麦诞生，到20 世纪80 年代初，风力发电机组控制系统得以实现。到了20 世纪80 年代中后期，随着计算机技术的发展及其在控制领域的应用，出现了基于微处理器的风力发电机组控制系统。步入20 世纪90 年代，风力发电机组的控制系统往往采用基于单片机或可编程控制器的微机控制。
3 风力发电机控制系统设计
风力发电机控制系统与大部分测控系统相类似，主要是通过测量装置获取输入参数，在执行控制算法的基础上，做出控制决策，并依照控制决策启动设备，以保证系统控制的规范有序开展。在风力发电机控制系统中，主控系统将单个分散测量和控制设备变为网络节点后，将基本控制、参数修改以及监控等功能分散至节点中，以光纤对信号进行稳定传输，以促进信号干扰问题的妥善解决。风力发电机控制系统的整体硬件结构如图1 所示。
通过对图1 进行观察和分析可知，塔底主控制器是系统的核心环节，基于光纤实现实时通信，为远程监控机提供通信接口，以保证风力发电机状态监控等操作的顺利实现。机舱从控制器的主要功能是采集温度、风速和风向等信号，对风机叶片进行合理控制，确保风力发电机的偏航等功能的顺利实现。光纤模块作为主控制器与从控制器之间传输的重要平台，保证数据参数的稳定精准传输。
3.1 主控制器系统的硬件设计
3.1.1 设计原则。由于风力发电机对数据的采样要求极高，要求每20ms对风速、温度等参数进行一次采样，这就要求在硬件设计时，必须使CPU的处理速度能满足这个要求。各个控制器节点的数据量大、交互复杂，要求数据间的通信要实时、准确。由于整个主控制器系统模块多、功能复杂，所以在硬件设计时要着重避免模块间及模块内部各种信号的衰减和干扰。由于主控系统硬件设计较复杂，为了保证后期更好地调试、维护，因此在设计硬件电路时要充分考虑各个显示、调试等功能。
3.1.2 主控系统硬件设计。本研究采用以TI 公司的TMS320C6713 芯片为核心CPU进行扩展搭建主控制器系统的硬件平台，硬件结构如图2所示。根据需求，外围需扩展的功能模块主要由TCP/IP 通讯节点模块、CAN转光纤模块、文件管理模块、调试模块、显示模块、电源模块组成。
3.2 主控制器系统的软件设计
3.2.1 主控制器系统软件平台。主控制器系统的软件设计主要包括对DSP主控芯片内部应用程序的编写和主控制器驱动程序的编写。在主控制器的软件设计中，选择TI 公司自主开发的CCS5.3 为软件开发平台，它具有嵌入式系统的任务调度与管理功能，能使整个系统稳定可靠地运行，而且支持C、C++编程，提供了经过汇编手工优化的数字信号处理库。
3.2.2 主控制器系统。PC 端应用程序设计PC 端应用程序主要实现3个功能：程序功能界面、与主控制器系统通信、处理相关信息。应用程序界面设计包括登录界面和功能界面。功能界面包括主页、设备控制、显示设置、报警设置、系统设置、数据存储及报表生成、数据库设置。（1）主页主要显示当前风力发电机的状态及运行的曲线图；（2）设备控制主要根据系统通信协议，对控制器下发工艺参数进行控制；（3）显示设置主要是对当前测试数据的曲线的设置，包括曲线颜色设置、测量范围的设置、是否隐藏曲线的设置；（4）报警设置主要设置报警上限或下限值；（5）系统设置主要包括设置一些用户权限；（6）数据存储及报表生成设置主要对采集数据的路径、名称及报表格式进行设置；（7）数据库设置主要设置数据的查询。
4 实验结果
在PC 端安装软件并搭建主控制器平台后，PC 端能够将控制风力发电机工艺参数进行准确下发，并对显示运行的电流、电压、转速、输入功率以及效率等相关数据指标进行准确接收，实际应用稳定性强。该系统能够将所测试的实验数据描绘为功能曲线并进行妥善保存，为客户分析风机运行情况提供可靠的数据支持。实验结果表明，该系统测试合格，运行稳定性极佳。
5 结论
通过以上研究可知，基于DSP的风力发电机主控制器系统具有良好的应用价值，将其应用于1.5MW级风力发电机组上，最大程度上满足了风力发电机组运行的多项功能指标，机组运行稳定性强，具备实时监控风力发电机运行的功能和信息数据处理功能。基于DSP 的风力发电机主控制器系统在操作过程中的便捷程度较高，一定程度上增强了系统兼容性，运行效果优良，但在功能上仍具备一定改进空间。
参考文献
[1]赵伟，刘毅力，丁换换，et al.基于DSP异步电动机保护装置的设计[J].计算机与数字工程，2017，45（1）：181-185.
[2]任瑾，倪元相，龙小丽，et al.基于DSP+ARM的双核低压智能断路器控制器系统设计研究[J].现代机械，2017（3）：90-94.
[3]陈庆，魏丽君，熊异.基于DSP和弱磁控制算法的纯电动汽车电机控制系统[J].微特电机，2016，44（5）：48-51.
（作者单位：江苏易立电气股份有限公司南京分公司；
身份证号码：320721199002206025）
关键词：DSP；风力发电机；主控器系统；通信方案
现代社会经济发展形势下，城市现代化建设进程不断加快，对能源的需求力度也明显加大。以煤、石油、天燃气为主的常规能源数量有限，并且对环境污染比较严重，无法满足社会可持续发展理念的多元需求。而风能资源作为一种新型无污染、可再生能源，逐渐受到社會的高度重视。但就风能资源的实际应用情况来看，其风速与风向的稳定性不足，长期保持无人值守的运行状态，对风力发电机组的适应性提出了严格的要求。此种情况下，加大力度探讨基于DSP 的风力发电机主控制器系统设计相关问题，对于风力发电机组控制技术的科学化应用具有重要意义。
1 风力发电机组控制技术
风力发电机组控制技术是风电机组运行中的关键技术，主要包含中心控制技术、偏航控制技术、并网技术以及变桨距控制技术等。风力发电机组控制技术的合理应用，能够为风力发电机组的安全可靠运行提供可靠保证，从而推进风力发电机产业的健康持续发展。就分红利发电机组的运行情况来看，控制器是保证整个机组运行的重要条件，控制技术作为机组运行中的重要技术，在保证大型风力发电机组自主开发能力的提升以及降低机组成本上发挥着独特作用，进一步提高风力发电机组的国产化率，为风能资源的优化利用打下良好的基础。
2 风力发电控制系统的发展现状
现代风力发电崛起于20世纪八九十年代，已取得了飞速的进展。从控制系统的实现来说，由19世纪末第一台现代风力发电机组在丹麦诞生，到20 世纪80 年代初，风力发电机组控制系统得以实现。到了20 世纪80 年代中后期，随着计算机技术的发展及其在控制领域的应用，出现了基于微处理器的风力发电机组控制系统。步入20 世纪90 年代，风力发电机组的控制系统往往采用基于单片机或可编程控制器的微机控制。
3 风力发电机控制系统设计
风力发电机控制系统与大部分测控系统相类似，主要是通过测量装置获取输入参数，在执行控制算法的基础上，做出控制决策，并依照控制决策启动设备，以保证系统控制的规范有序开展。在风力发电机控制系统中，主控系统将单个分散测量和控制设备变为网络节点后，将基本控制、参数修改以及监控等功能分散至节点中，以光纤对信号进行稳定传输，以促进信号干扰问题的妥善解决。风力发电机控制系统的整体硬件结构如图1 所示。
通过对图1 进行观察和分析可知，塔底主控制器是系统的核心环节，基于光纤实现实时通信，为远程监控机提供通信接口，以保证风力发电机状态监控等操作的顺利实现。机舱从控制器的主要功能是采集温度、风速和风向等信号，对风机叶片进行合理控制，确保风力发电机的偏航等功能的顺利实现。光纤模块作为主控制器与从控制器之间传输的重要平台，保证数据参数的稳定精准传输。
3.1 主控制器系统的硬件设计
3.1.1 设计原则。由于风力发电机对数据的采样要求极高，要求每20ms对风速、温度等参数进行一次采样，这就要求在硬件设计时，必须使CPU的处理速度能满足这个要求。各个控制器节点的数据量大、交互复杂，要求数据间的通信要实时、准确。由于整个主控制器系统模块多、功能复杂，所以在硬件设计时要着重避免模块间及模块内部各种信号的衰减和干扰。由于主控系统硬件设计较复杂，为了保证后期更好地调试、维护，因此在设计硬件电路时要充分考虑各个显示、调试等功能。
3.1.2 主控系统硬件设计。本研究采用以TI 公司的TMS320C6713 芯片为核心CPU进行扩展搭建主控制器系统的硬件平台，硬件结构如图2所示。根据需求，外围需扩展的功能模块主要由TCP/IP 通讯节点模块、CAN转光纤模块、文件管理模块、调试模块、显示模块、电源模块组成。
3.2 主控制器系统的软件设计
3.2.1 主控制器系统软件平台。主控制器系统的软件设计主要包括对DSP主控芯片内部应用程序的编写和主控制器驱动程序的编写。在主控制器的软件设计中，选择TI 公司自主开发的CCS5.3 为软件开发平台，它具有嵌入式系统的任务调度与管理功能，能使整个系统稳定可靠地运行，而且支持C、C++编程，提供了经过汇编手工优化的数字信号处理库。
3.2.2 主控制器系统。PC 端应用程序设计PC 端应用程序主要实现3个功能：程序功能界面、与主控制器系统通信、处理相关信息。应用程序界面设计包括登录界面和功能界面。功能界面包括主页、设备控制、显示设置、报警设置、系统设置、数据存储及报表生成、数据库设置。（1）主页主要显示当前风力发电机的状态及运行的曲线图；（2）设备控制主要根据系统通信协议，对控制器下发工艺参数进行控制；（3）显示设置主要是对当前测试数据的曲线的设置，包括曲线颜色设置、测量范围的设置、是否隐藏曲线的设置；（4）报警设置主要设置报警上限或下限值；（5）系统设置主要包括设置一些用户权限；（6）数据存储及报表生成设置主要对采集数据的路径、名称及报表格式进行设置；（7）数据库设置主要设置数据的查询。
4 实验结果
在PC 端安装软件并搭建主控制器平台后，PC 端能够将控制风力发电机工艺参数进行准确下发，并对显示运行的电流、电压、转速、输入功率以及效率等相关数据指标进行准确接收，实际应用稳定性强。该系统能够将所测试的实验数据描绘为功能曲线并进行妥善保存，为客户分析风机运行情况提供可靠的数据支持。实验结果表明，该系统测试合格，运行稳定性极佳。
5 结论
通过以上研究可知，基于DSP的风力发电机主控制器系统具有良好的应用价值，将其应用于1.5MW级风力发电机组上，最大程度上满足了风力发电机组运行的多项功能指标，机组运行稳定性强，具备实时监控风力发电机运行的功能和信息数据处理功能。基于DSP 的风力发电机主控制器系统在操作过程中的便捷程度较高，一定程度上增强了系统兼容性，运行效果优良，但在功能上仍具备一定改进空间。
参考文献
[1]赵伟，刘毅力，丁换换，et al.基于DSP异步电动机保护装置的设计[J].计算机与数字工程，2017，45（1）：181-185.
[2]任瑾，倪元相，龙小丽，et al.基于DSP+ARM的双核低压智能断路器控制器系统设计研究[J].现代机械，2017（3）：90-94.
[3]陈庆，魏丽君，熊异.基于DSP和弱磁控制算法的纯电动汽车电机控制系统[J].微特电机，2016，44（5）：48-51.
（作者单位：江苏易立电气股份有限公司南京分公司；
身份证号码：320721199002206025）