离网型直驱风力发电系统无线集成监控平台设计

茅靖峰，吴爱华，吴国庆，曹　阳，张旭东

(南通大学电气工程学院，江苏南通　226019)

0　引言

风力发电是当前最具大规模发展潜力的可再生能源，各个国家均已投入了巨额资金竞相研究开发，并积极推进产业化进程，大力开拓市场应用[1-2]。直驱式风力发电系统采用多极低速无刷永磁同步发电机(PMSG)与风力机直接相连结构，省去了双馈交流励磁发电系统中的齿轮箱增速装置，具有整机效率和可靠性高、直接成本和维护费用低、低电压适应能力好的优异特性，逐渐成为风力发电技术领域的主导发展方向[3-5]。

由于风力资源分布的特点，离网型直驱风力发电设备多安装于地理和气象条件较恶劣的郊区或市区中的地势高处。一旦设备安装完毕，机组的运行管理和检修维护极不方便。为此，依据设备的实际应用需求，研发出集运行状态参数的监测、远程控制和决策功能的系统平台，对风力发电产品的整个生命周期，如研发阶段的性能测试和参数优化，运行阶段的故障诊断和管理等，均具有重要意义[6-10]。

文中应用无线通信技术和数字信号处理器技术，设计实现了基于上下位机结构的离网型直驱风力发电系统无线监控平台。该平台能够对风力发电工作现场的参数进行实时自动采集、集中显示和处理，为离网型直驱风力发电系统在自然风况运行条件下稳定、方便及连续的整机性能测试和电控系统参数在线修正提供了技术手段，具有良好的应用前景和借鉴价值。

1　监控参数需求分析

离网型直驱风力发电机系统组成如图1所示。

图1　离网型直驱风力发电机系统组成

风力机组负责将风能转换为旋转的机械能，电控系统负责将发电机输出的电能转换为符合用户要求的电能。两者的工作性能共同决定了风力发电系统的整体性能。

对于风力机组部分，国家标准(GB/T 19068．2-2003)给出了离网型风力发电机性能评价的主要技术指标[11]：(1)风速与风力发电机输出电功率关系曲线；(2)风速与发电机效率的关系曲线。

风力发电机组输出电功率

P1=UI

(1)

式中：P1为风力发电机输出电功率，W；U为风力发电机的输出电压，V；I为风力发电机的输出电流，A．

因此，欲求得风力发电机性能参数，需要对不同风速下的风力发电机输出电压和输出电流进行测量。

风力发电系统的整机效率

(2)

式中：η为风力发电机总效率；P2为理论风功率，

(3)

式中：ρ为当地空气密度，kg·m-3；R为风轮半径，m；v为当地风速，m·s-1．

由式(3)可知，理论风功率是风速、大气密度和风轮半径的函数，其中风速、风轮半径可以通过实测得出，大气密度ρ可以通过式(4)，利用测量环境温度T和大气压力B来间接计算得到。

(4)

式中：T为平均气温，K；B为平均大气压力，kPa．

风力发电机工作效率

(5)

式中：η1为发电机的效率；P3发电机的输入功率，

(6)

式中：TM为风力发电机轴上的扭矩，Nm；n风力发电机转速，r·min-1。

由式(6)可知，测得传动轴的扭矩，就可以求得发电机的工作效率，还可知道风力发电机的启动扭矩。

永磁同步风力发电机的f-n关系式

(7)

式中：n为风力发电机风轮转速r·min-1；f为风力发电机所发交流电频率，Hz；р为风力发电机极对数。

由式(7)可知，可以将对发电机转速的测量简化为对风力发电机输出交流电频率的测量。

综上所述，对于风力机组性能的监测，至少需要涉及到的被测参数有：风速、发电机输入扭矩和转速、机组输出电压和电流。

对于电控系统，各电气被控对象的状态，如控制策略中的各种阀值参数、切入风速、蓄电池的电压/电流、各逻辑执行开关的状态，用户电气负载的大小、电功率(蓄电池和发电机)的流向及大小等参数，均是调试整机控制器、评判与优化整机控制策略合理性的理论依据。对这些参数的监测还可为改进控制策略和控制参数提供决策和实验数据，并通过在线修改电控参数的方法，提高风力发电系统的现场调试效率和工作性能。

2　系统总体架构

设计的监控系统由分布式传感器网络、数据采集前置处理模块、下位机参数集控模块、上/下位机无线通讯模块以及上位机(PC机)等部分组成，如图2所示。

图2　监控系统总体构架

分布式传感器网络节点由风杯式风速仪、风向仪、温度变送器、交直流霍尔电压/电流变送器、扭矩变送器、数字开关状态缓存器等物理量传感器组成。

数据采集前置处理模块包括模拟和数字两个采集调理电路部分。模拟量采集调理部分实现电压线性调理和模数转换两个功能，前者将各模拟量传感器输出的电信号做相应的线性电压变换，后者实现电压量的模数变换。数字量采集调理部分主要由数据缓冲、频率信号测量及其接口电路组成，完成对风力发电电控系统中的各数字逻辑切入/切出开关的状态进行按需锁存。

下位机参数集控模块是监控系统的控制核心，并按照上位机(PC机)给出的指令产生相关操作。这些操作包括：联机应答测试；下位机的工作模式设置；上传风力发电系统的被测参数；上传或修改风力发电机电控系统参数等工作。

3　硬件设计

3．1下位机集控模块

依据参数监控的需求分析，下位机主控单元需要具有AD转换、数字输入/输出通道、捕获测速以及较强的通讯能力，因此，综合考虑性价比和技术成熟度，选用TMS320F2812芯片作为下位机集控模块的主控芯片。设计的F2812外围电路原理图如图3所示。

图3　F2812的外围电路原理图

F2812具有16路集成片内ADC单元，单极性，12位精度，每个通道的转换时间可达80 ns，1次全排序转换耗时1.28 μs，可以满足直驱式风力发电系统采样通道数与转换速度的要求。两个SCI通讯口分别与下位机无线通讯模块和风力发电电控系统通讯，在与上位机进行通讯时，F2812为从站，依据上位机的命令执行相关操作；在与电控系统通讯时，F2812为主站，主要是向电控系统发送请求控制参数命令或需修正的控制参数值。

3．2无线通讯模块

选择低成本单片射频集成电路CC1020作为收发通信芯片。该芯片主要设计用于ISM(工业科学及医疗方面)以及SRD(短距离通讯)，可视传输距离达km以上，载频频率可编程在402～470 MHz和804～960 MHz，具有工作电压低(2.3～3.6 V)、能耗低、体积小等特点。

由于CC1020射频芯片的工作参数配置和收发数据通信需通过串行总线接口进行，因此，采用ATmega8L单片机构建此无线通讯模块。图4所示为上位机无线收发模块接线原理图。

图4　上位机无线通讯模块原理图

上位机通过RS232串口总线与单片机ATmega8L进行双向数据通讯。ATmega8L作为此无线通讯模块中的主控器，上电时首先利用CC1020的4串行SPI总线(PSEL、PCLK、PDI、PDO)对CC1020的工作参数进行配置；待CC1020工作稳定后，通过DCLK和DIO引脚实现无线数据的收与发。

CC1020一次完整的配置要求发送33个数据帧，每帧16位(内部寄存器地址7位，R/W1位，数据8位)，一次完整配置所需时间取决于PCLK的频率。模块的发射和接收频率由CC1020的晶振及外部元件决定。系统选择433 MHz的收发频率，GFSK的调制方式，选用14.7 456 MHz晶振，各寄存器的取值可由厂商提供的软件SarmtRF Studio计算得到。

3．3模拟量采集模块

F2812的ADC转换模块的输入电平范围为0～3 V，而系统中传感器节点的模拟量输出接口具有电压型和电流型两种标准，因此，需要设计调理电路进行线性匹配转换。

图5为扭矩传感器输出1～5 V信号的调理转换接口电路。该1～5V电压输入信号V0in通过电压跟随、低通滤波、比例变换和3 V限幅钳位后引入F2812的ADC口。

图5　扭矩传感器电压调理电路

由于离网型直驱风力机的最高转速在几百rpm范围内，因此，图5中的前置低通滤波器的截止频率可设置在20 Hz．采用低通(巴特沃斯响应)滤波器的快速设计方法得相应电路参数为C102=1 μF.R102=7.5 kΩ、R103=27 kΩ、C101=330 nF．其幅频特性如图6所示。

图6　低通滤波器幅频特性

对于电流型的传感器输出，常采用精密电流/电压转换芯片RCV420来实现I/V信号变换。考虑到性价比因素，系统采用并联电阻的方法实现I/V转换。

图7所示为母线直流电流检测调理电路。CSM为电流型霍尔电流传感器，其输出的电流信号通过可调电阻转换为电压信号，再通过电压跟随、低通滤波和3 V限幅钳位后接入F2812的ADC输入引脚。

图7　电流-电压转换电路

在系统中，F2812的ADC转换模块工作于16通道级联单排序模式顺序转换，由TIMER1周期中断触发ADC转换事件，再由转换结束中断ADCINT_ISR完成ADC转换结果寄存器RESULYn数据的读取。

上位机可通过向F2812发送采样工作模式指令，来重载F2812的TIMER1相关寄存器T1CON、T1PR，以及ADC模块控制寄存器ADCTRL1/2/3和ADCMAXCONV的值，以修改ADC转换的频率与通道数。

3．4数字量采集模块

F2812有多达56个独立可编程复用的通用双向数字引脚，其最大允许输入电压为3.3 V，最大拉/灌电流在2～8 mA之间，因此，为了兼容外围电路的5VCOMS/TTL电平信号并增加引脚的驱动能力，在GPIO引脚上加入总线收发器SN74LVTH245A芯片。

系统中，通过配置控制寄存器GPxMUX和方向寄存器GPxDIR来设定相关引脚的功能模式，通过读写寄存器GPxDAT来读取与设置输入/输出数据值。

由于采用的风杯式风速仪的输出信号为频率正比与风速的正弦波信号(0～125 Hz)，因此，需要将此正弦波信号经低通滤波、过零检测和整形后，再引入F2812的捕获中断口CAP1进行测频，电路如图8所示。

图8中，低通滤波器的截止频率设置在150 Hz．史密斯触发器CD40106防止电平误翻转，其工作电压为5 V，而CAP1口的最高输入信号为3.3 V，因此，通过电阻R102分压，以匹配电平。

图8　正弦波信号整形调理电路

F2812配置CAP1为双沿检测，选TIMER2为其时基，单增计数模式，赋周期寄存器T2PR=0FFF0H．通过连续的捕获中断，即可用捕获值CAP1FIFO来反映实时风速。为了协调大风速范围条件下的测频问题，程序中使能TIMER2的溢出中断功能，当检测与计算TIMER2溢出中断发生的次数，即可判断出当前风速小于某一最小阀值。

由于对发电机输出交流电频率的测量即可换算得到发电机(风力机)转速，因此，将发电机输出交流电A相通过如图9所示的电压型霍尔电压传感器变送后，再利用类似图8所示的整形调理电路引入F2812的捕获中断口CAP2进行测频。

图9　霍尔电压传感器电路

4　软件设计

系统软件包括ATmage8L单片机的无线通讯接口软件、F2812 DSP的参数采集与处理软件以及上位机的监控管理软件3个部分。

在无线通讯模块中，上下位机采用半双工通讯模式，上位机设定为通讯主站，下位机设定为通讯从站，收与发的来回时序关系严密，因此，ATmage8L软件需严格按照通讯协议编写。

DSP参数采集与处理软件主要依据上位机给出的指令(命令编码)执行相关操作，这些指令包括：联机应答测试；DSP工作模式设置；采集并上传风力发电系统的现场参数；上传或修改风力发电机电控系统参数等5种。其主程序流程图如图10所示。

上位机监控管理软件主要由无线通讯协议处理、数据存储与显示、人机接口等3个功能子程序组成，采用LabVIEW软件编程实现。程序设计中，计算机与无线通讯模块的RS232串口通信处理使用VISA仪器驱动函数库中的VISA Configure Serial Port、VISA Read、VISA Write、VISA Close、VISA Set I/O Buffer Size、VISA Bytes at Serial Port等8个函数。

图10　F2812主程序流程图

以上位机接收数据为例，当LabVIEW串口Buff接收到数据后，判断Buff中的字节数是否大于0，若是，条件结构进入“True”分支。此时，用String Subset函数，截取串口Buff中读取的字符串中的标志位，根据标志位的不同，执行相应的各功能子模块。在数据存储时，通过String Subset函数拆分、Bundle 函数与必要信息拼接及格式化整合后，形成字符串数据流，再利用Oрen/Create/Reрlace File函数、Set File Position函数、Set File Position函数和Close File函数将实时数据以新建或是追加方式储存到Execl格式的文件中。

图11所示为1台50W自制垂直轴离网型直驱永磁同步风力发电系统实验样机，在风洞测试时，利用该系统进行实时采集存储并拟合处理后得到的风能吸收曲线。

图11　实测风速-转速-电功率曲线

由图11可以看出，在某一风速下，系统电功率是转子转速的似抛物线型的单值函数关系，并且仅有唯一的最优转子转速对应一个最大的功率点。将不同风速下的各个最大功率点连接在一起可以得到系统的最大功率曲线，符合风力机的气动力学特性。

5　结束语

提出了基于无线通讯方式的离网型直驱式风力发电系统集成监控平台的软、硬件系统架构和功能设计方案。该集成监控平台可实现风力发电系统工作现场参数以及电控参数的远程实时监测和修正，为风力发电整机系统现场运行性能的测评和进一步参数优化提供了分析数据和技术手段。

该设计方案的特点有：(1)采用CC1020射频芯片组建双向无线通讯节点，工作在ISM频段，可靠性强、性价比高。(2)下位机以TMS320F2812为核心，采用模块化设计，在满足风力发电现场参数采集的多信道、多类型、多功能的条件下，外围硬件电路得到简化，系统可靠性和可扩展能力得到提高。(3)上位机功能软件的可扩充性好，根据需求可进一步加入数据处理、报表生成及网络互连等功能，利于应用于其他风力发电类型的参数监测与控制场合。

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