具有通信功能的风力发电并网实验平台设计

丁卫忠,潘再平

(浙江大学电气工程学院,浙江杭州 310027)

具有通信功能的风力发电并网实验平台设计

丁卫忠,潘再平

(浙江大学电气工程学院,浙江杭州 310027)

基于微网的特点和智能电网对网络通信技术的要求,在搭建风力发电并网实验平台的基础上设计了基于CAN总线和Modbus协议的通信系统并应用于该实验平台。介绍了实验平台的硬件组成和软件设计,详细地阐述了该实验平台的结构和工作原理。为了测试实验平台的功能及可靠性,以三相并网逆变器预测直接功率控制实验为例进行了验证。验证结果表明,以触摸屏为上位机的该实验平台可靠性较高,扩展性较好,可方便地实现多种功能。

风力发电;微网;通信系统;CAN总线;Modbus协议

微网是一个由负载和分布式电源组成的独立可控系统,对当地提供电能和热能。微网内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换,并提供必需的控制,相对于外部大电网变现为单一的受控单元[1-2]。当负载为电网时,即构成并网系统,可以满足外部输配电网络的需求。

作为智能电网信息系统的重要技术支撑,网络通信技术贯穿于输电、变电、配电、调度等电网环节,不仅是智能电网数字化、信息化、自动化、互动化的基础和关键,而且是实现智能电网电力流和信息流统一、融合的技术手段,为智能电网信息交换与互操作等提供了平台支持[3-5]。

本文基于一台三相60极永磁同步发电机,并以变频器驱动原动机来模拟风力机,搭建了一套风力发电并网实验平台。同时以触摸屏为上位机,设计了一套基于CAN总线和Modbus协议的通信系统,并应用于该实验平台,能够测试不同控制算法的可行性,并简单直观地发送控制指令和实时显示系统数据和状态,为永磁同步电机的实验教学和相关研究提供了硬件平台,具有很好的实践意义。

1 实验平台总体结构

实验平台总体结构见图1,硬件部分主要有变频器、原动机、永磁同步发电机PMSG、背靠背双PWM变流器、机侧变流器控制板、网侧变流器控制板、通信板、触摸屏以及电压电流传感器、转速编码盘等。软件部分主要包括双PWM变流器的控制算法,通信板与变流器控制板之间的通信,触摸屏与通信板之间的通信。

图1 实验平台总体结构

该实验平台以触摸屏作为上位机,发出系统的控制指令,并显示系统的实时数据和状态;通信板作为通信系统的中枢,向双PWM变流器控制板发送基于CAN总线的控制信号[6-8],并返回相应的应答信号,同时与触摸屏之间通过RS485接口电路进行串行通信,从触摸屏接收基于Modbus协议的控制信号,并实时地返回系统的数据和状态[9];双PWM变流器控制板之间也可以进行CAN信号的相互传输。最后,所有的控制指令将到达双PWM变流器的控制板参与控制算法的执行,直接影响实验的最终结果。不同的控制算法可以设计不同的控制指令以及需要显示的不同数据和状态。

2 实验平台主要硬件

实验平台的主要控制器为TI公司的TMS320F28335 DSP芯片。该DSP芯片包含6个ePWM模块,每个ePWM模块可以输出两路PWM信号,且每个ePWM模块都能产生对应的中断,这对控制算法的执行提供了极大的方便。该DSP芯片还具有2个增强型控制器局域网(eCAN)模块,分别为eCAN-A和eCAN-B模块,支持CAN2.0B协议,每个eCAN模块有32个邮箱,可根据需要配置成发送邮箱或者接收邮箱。该DSP芯片包括3个串行通信接口(SCI)模块,分别为SCI-A、SCI-B、SCI-C模块。为了保证数据的完整性,SCI在中断检测、奇偶校验、超载和组帧错误方面对接收到的数据进行检查。

变流器控制板如图2所示,主要包括DSP引脚配置电路以及隔离收发器、电平转换电路、采样电路、信号调理电路、PWM驱动电路等。

图2 变流器控制板

通信板如图3所示,主要包括DSP引脚配置电路以及隔离收发器、电平转换电路、CAN通信电路、RS485串口通信电路等

CAN通信电路采用CTM1050T高速CAN隔离收发器作为核心,该芯片具有DC 2 500 V的隔离功能以及ESD保护作用,至少可连接110个节点,通信速率最高达1 Mbit/s,使得实时控制变得非常容易。同时,硬件的错误检定特性也增强了CAN的抗电磁干扰能力。

图3 通信板

RS485串口通信电路其核心芯片为ADM2483BRTW,该芯片为半双工隔离的RS485收发器,收发速度达500 kbit/s。

触摸屏采用HITECH公司的PWS6800C-P,采用24 V直流电压供电,拥有4 MB内存和512 KB RAM。

3 实验平台软件设计

本实验平台的软件设计包括双PWM变流器控制板的DSP控制程序、通信板的DSP控制程序和触摸屏的人机交互界面设计。DSP控制程序基于TI公司提供的编程工具Code Composer Studio(CCS)和C/ C＋＋语言,具有较好的可读性和通用性,利于系统的改进维护。人机交互界面设计基于HITECH公司提供的模块化设计软件ADP,在电脑屏幕上能看到画面设计的实际效果,非常直观方便。系统的DSP控制程序结构见图4。

图4 系统的DSP控制程序结构

双PWM变流器控制板的DSP控制程序主要包括初始化程序、主程序和一个中断服务子程序。其中CAN通信程序置于主程序的for循环中,下层板的实时数据和状态不断地传送到通信板中进行更新,同时通信板的控制指令不断地传输到下层板,对系统进行实时控制。不同的控制算法在中断程序中执行,可根据不同的需求设计出不同的控制算法,从而实现本实验平台功能的多样化。

通信板的DSP控制程序主要包括初始化程序、主程序和若干中断子程序。其中基于Modbus协议的SCI发送程序置于主程序的for循环中,不断地向触摸屏发送实时的系统数据。中断子程序包含定时器中断、SCI接收中断和eCAN中断,分别定时地从下层板读取系统的关键数据,从触摸屏不断地接收系统控制指令,不断地更新来自下层板的系统数据,同时向下层板更新控制指令。

4 实验平台功能及测试

4.1 实验平台功能

根据上述系统设计方案,搭建了一套具有通信功能的风力发电并网实验平台。表1所示为主要的实验设备参数。

表1 主要的实验设备参数

该实验平台可以实现多种功能,如三相并网逆变器的直接功率控制实验、矢量控制实验、直接转矩控制实验等。可根据不同的需求设计出不同的驱动控制程序、不同的通信控制程序以及人机交互界面,从而实现不同的功能。

三相并网逆变器的直接功率控制实验包括传统的查表直接功率控制和预测直接功率控制实验,可实现对功率的解耦控制和快速调节[10-12]。通过对机侧变流器的控制可产生恒定的直流母线电压,在此基础上对网侧变流器进行直接功率控制即可实现对向电网传输电能多少的直接控制,同时可对比研究两种控制算法的特点,加深对直接功率控制算法的认识。

三相并网逆变器的矢量控制实验可实现逆变器的可靠并网及功率的调节。在恒定的直流母线电压基础上,对并网前的逆变器输出电压进行锁相环控制,使之达到并网要求,同时对逆变器输出交流电流进行坐标旋转变换,将交流量转换为直流量控制,通过控制对应电流即可达到控制对应功率的目的,理解和掌握并网技术和矢量控制技术。

4.2 实验平台测试

以三相并网逆变器的预测直接功率控制为例对实验平台进行测试。

为了实现单位功率因数的转换,即只向电网输入有功功率,本实验有功功率给定值取为600 W,无功功率给定值取为0 var,同时滤波电感选为14 m H,采样周期选为100μs。

触摸屏的人机界面如图5所示,既能在界面上输入功率的给定值,又能显示系统的实时运行参数和状态。AB线电压和B相电流如图6所示,图7所示为有功和无功功率的趋势图。结果表明,该通信系统能够可靠地控制和显示,同时系统能实现功率的解耦跟踪控制,动静态性能良好。

图5 触摸屏界面图

图6 AB线电压和B相电流

图7 有功功率和无功功率的趋势图

5 结束语

本文在搭建了一套风力发电并网实验平台的基础上,设计了一套基于CAN总线和Modbus协议的通信系统,并把它应用到该实验平台中。通过设计不同的控制算法、通信控制程序以及人机交互界面,可实现不同的功能。最后以并网逆变器的预测直接功率控制为例,验证了平台功能的可靠性,为扩展实验平台的功能打下了坚实的基础。实验表明,加入该通信系统后的实验平台相比传统的实验平台,更加直观明了,操作更加简单方便,更加容易集成为成套装置以应用于工业控制。此外,还可在现有实验平台的基础上,加入储能环节,构成为本地负载供电的微网,为离网运行的相关研究做好准备。

References)

[1]Lasseter R,Abbas A,Mamay C,et al.Integration of distributed energy resources:The CERTS MicroGrid Concept[R].California: Energy Commission,2003.

[2]张淳,潘再平.含逆变型分布式电源的微网控制策略研究[D].杭州:浙江大学,2013.

[3]王智东,陈俊威.适用于电力通信接入网的实验装置[J].实验室研究与探索,2014,33(3):66-71.

[4]马韬韬,李珂,朱少华,等.智能电网信息和通信技术关键问题探讨[J].电力自动化设备,2010(5):87-91.

[5]苗新,张恺,田世明,等.支撑智能电网的信息通信体系[J].电网技术,2009(17):8-13.

[6]毛敏.CAN总线通讯在电梯控制系统中的应用[J].中国科技信息, 2007(6):101-102.

[7]唐金海,刘彦文.CAN总线分析及应用编程[D].呼和浩特:内蒙古大学,2013.

[8]佟为明,林景波,金显吉.CAN总线实验系统在教学实践中的应用[J].实验技术与管理,2010,27(7):96-98.

[9]凌启鑫.Modbus通信在PLC与触摸屏系统中的应用[J].黑龙江科技信息,2013(23):161-162.

[10]王久和,李华德,王立明.电压型PWM整流器直接功率控制系统[J].中国电机工程学报,2006,26(18):54-60.

[11]赵方平,杨勇,阮毅,等.三相并网逆变器直接功率控制和直接功率预测控制的对比[J].电工技术学报,2012,27(7):212-220.

[12]尚磊,孙丹,胡家兵,等.三相电压型并网逆变器预测直接功率控制[J].电工技术学报,2011,26(7):216-222.

Design of experimental platform for grid-connected wind power generation with communication function

Ding Weizhong,Pan Zaiping
(College of Electrical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)

According to the characteristics of microgrid and the requirements of smart grid towards network communication technology,a communication system is designed based on CAN bus and Modbus protocol and applied in the experimental platform for grid-connected wind power generation.The structure and principle of the platform are demonstrated in detail in the introduction of the hardware structure and software design of the experimental platform.And in order to test the function and reliability of the platform,an experiment of gridconnected P-DPC is conducted.It is proved that the experimental platform using touchscreen has good reliability and extension and it can achieve various functions easily.

grid-connected wind power generation;microgrid;communication system;CAN bus;Modbus protocol

TM614;G484

A

1002-4956(2015)4-0102-04

2014-08-30修改日期：2014-09-23

国家863计划项目(2011AA050204)

丁卫忠(1989—),男,浙江宁波,硕士,研究方向为分布式发电及其控制技术

E-mail:weizhong.ding＠163.com

潘再平(1957—),男,浙江台州,教授,研究方向为电机系统及其控制、电力电子技术应用和新能源发电技术.

E-mail:panzaiping＠zju.edu.cn