基于DSP 的风力发电机主控制器系统设计

李昆亮，俞子荣，陈黎娟

(南昌航空大学信息工程学院，江西 南昌 330063)

0 引言

随着经济的不断发展，世界各国对能源的需求越来越大。能源已成为当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题［1］。常规能源以煤、石油、天然气为主，不仅资源有限，而且造成了严重的环境污染。风能作为一种无污染的可再生能源，已经成为人们替代常规能源的首选［2-3］。近20 年来，发达国家在风能的开发利用方面己取得了巨大的成就［4-6］。20 世纪80 年代问世的并网风力发电机组，只经过几年的发展便迅速实现了商品化，到90 年代中期就已形成了一个规模巨大的风力发电机产业。预计到2020 年，我国风电装机容量将达到2.48 亿kW［7-8］。

风能作为一种自然资源，风速、风向都是不稳定的，而且风力发电机组要求适应高温、高寒、高潮湿、大风沙等恶劣环境，且在无人值守下长年运行。这些因素对风力发电机组电气控制系统的可靠性和环境适应性都提出了十分严格的要求。风力发电机组控制技术是风电机组的关键技术之一，是整个机组可靠运行和实现最佳运行的重要保证。风力发电机组控制系统技术主要包括中心控制技术、偏航控制技术、并网技术和变桨距控制技术等。

控制技术是风力发电的最关键技术之一，控制器是风力发电机组运行的“大脑”，是使整个机组实现正常安全运行及实现最佳运行的可靠保证［9-11］。控制技术的研究对增强我国大型风力发电机组的自主开发能力，提高风力发电机组的国产化率和降低机组成本具有重要意义。

1 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。

目前风力发电机的主控系统主要是基于PLC 控制的［12-15］。目前国内外的主流产品有:

1)BACHMANN。巴赫曼控制器是一种主要针对风力发电机组设计开发的嵌入式PLC，性能优越［16-17］。

2)BECKHOFF(倍福)。基于PC 的控制技术研制开发的CX 系列嵌入式PLC 产品，正被逐渐运用到大型风力发电机组的控制中。

3)MITA。丹麦MITA 成立于1969 年，是世界范围内风机控制系统关键供应商，开发和生产风机控制系统、控制柜和控制技术，是目前世界领先的风机生产的一站式供应商。

国内外学者研究风能发电的控制系统设计，多数运用基于PLC(可编程控制器)的风机控制系统的设计，但是由于PLC 控制系统的价格昂贵，整个系统兼容性差，不易扩展开发。随着DSP 技术的发展，越来越多的DSP 供应厂家推出了多系列且功能强大的多核CPU，这已经足够满足风机控制系统的运用，为此很多的厂商开始以DSP 为平台开发风机的控制系统。

2 风力发电机控制系统总体设计

在任何测控系统中，都要通过测量装置获取相关输入参数，然后执行控制算法，做出相应的控制决策，最后启动执行设备来实现对系统的控制。风力发电机控制系统也是如此。主控系统将单个分散的测量和控制设备变成网络节点，将主控系统中所需的基本控制、参数修改、报警、显示、监控等功能分散到各个节点中。风力发电机的控制系统主要分布在轮毂控制柜、机舱控制柜和塔底控制柜中，由于一般机舱的高度都有60 m 以上的高度，所以信号从塔顶传到塔底会衰减和串进干扰信号，为了克服这个缺点，在主控系统采用了光纤来传输塔底到机舱的信号。为了显示风力发电机的运行状态方便维护人员调试，选择监控机安放在塔底控制柜上，它通过以太网和塔底主控制器连接来传输风力发电机的实时数据。风力发电机控制系统的整体硬件结构如图1 所示。

图1 风力发电机的控制系统结构图

图1 所示塔底主控制器是整个控制系统的核心，它负责处理各类复杂逻辑控制，通过光纤与轮毂和机舱进行实时通信，同时对外围远程监控机提供相应的通信接口，以满足风力发电机状态监控等各种接口需求。机舱中的从控制器主要负责采集温度、风速和风向等信号，进而控制风机的叶片，实现风力发电机的偏航、解缆等功能。轮毂中的从控制器主要负责风力发电机3 个叶片控制，实现风力发电机的变桨、停机，完成轮毂远程变桨控制、轮毂辅助控制、紧急变桨控制等。光纤模块主要为主控制器与从控制器远距离的数据提供准确传输。由于主控制器是风机系统运行的大脑中枢，是整个控制系统的核心，因此对主控制器的设计至关重要。

3 主控制器系统硬件设计

3.1 设计原则

主控制器系统在整个控制系统中起着至关重要的作用，其实现的主要原则应从下面几点出发:

1)由于风力发电机对数据的采样要求极高，要求每20 ms 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。

2)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。

3)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。

4)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。

3.2 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。

图2 主控制器系统硬件结构图

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。

3.2.1 DSP 处理系统

DSP 处理系统主要由TMS320C6713 芯片为核心及一些外围电路组成，TMS320C6713 芯片是一款双核的DSP 芯片，具有高性能浮点数字信号处理器;运算速度最高可达2400 MIPS/1800 MFLOPS;达到最高运算能力时CPU 主频为300 MHz;主频为167 MHz时，运算速度最高可达1336 MIPS/1000 MFLOPS，该运算能力可以满足风电领域应用的要求。同时其内核有CACHE 机制，可以加速CPU 的运行。非常高的运算与运行速度可以对软件的要求降低，在软件编程时可以适度地减少关注运行效率，而将重点放在软件的可读性、可维护性上。

3.2.2 TCP/IP 通讯节点模块

该模块主要由STM32 为TCP/IP 通讯节点模块的处理器及以太网通信芯片W5300 组成，W5300 内部集成了10/100 Mbit/s 以太网控制器、MAC 及TCP/IP 协议栈，因此该通讯节点模块不需要考虑以太网的控制，只需对W5300 进行端口(Socket)编程，即可实现网络通信。

3.2.3 CAN 转光纤模块

该模块实现了光信号到电信号，再到CAN 信号的相互转换。该模块主要由光收发一体模块OCM2351 和CAN 收发器CTM1050T 来完成光信号、电信号、CAN 信号相互之间的转换。

3.2.4 文件管理接口模块

该模块主要由CH378 芯片为核心和外围电路组成，CH378 芯片内部集成USB 总线协议及SPI 总线协议，为USB 存储设备及SD 卡提供USB 接口及SPI总线接口。

3.2.5 显示模块

该模块主要由PIC16F876-20I-SO 单片机为控制器、MAX6371 芯片及外围电路组成，控制LED 数码管显示风机运行时所需查看的数据。

3.2.6 调试接口模块

该模块主要由外围电路组成，为主控制器硬件系统后期调试提供JTAG 接口和DBUG 接口。

3.2.7 电源模块

该模块主要由MAX44244AUK +芯片及一些外围电路组成，该芯片具有超高精度、低噪声、零漂移双通道运放，在较宽的供电范围保持超低功耗特性，能为电源模块提供较宽的供电范围。

4 主控制器系统软件设计

主控制器系统的软件主要包括2 个部分:主控制器系统软件平台、主控制器系统PC 端的应用程序。

4.1 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。其中DSP 主控芯片内部应用程序的编写主要包括对网络通信节点模块中实现TCP/IP 以太网通信的W5300 的应用程序编写;对CAN 转光纤模块中集成CANopen 协议的CAN 收发器CTM1050T 芯片的应用程序的编写;对文件管理模块中集成USB 总线协议及SPI 总线协议的CH378 芯片的应用程序的编写。

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。主控制器的软件结构如图3所示。

图3 主控制器软件结构图

4.2 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。设计好的界面如图4 所示。

图4 登录及主界面

5 实验结果

将PC 端软件安装，并搭建主控制器平台，PC 端软件通过下发控制风力发电机工艺参数，实时接收并显示风力发电机当前运行的各项数据指标，包括电流、电压、转矩、转速、输入功率、输出功率、效率等参数。并将每次测试的实验数据通过采点描绘功能曲线并保存数据库，用于客户对风机运行情况的系统分析，在每次测试结束后，根据国际上通用的风机测试标准，判断是否满足风力发电机运行的指标要求，最终实验结果表明系统运行稳定，测试合格。运行界面如图5 所示。

图5 工艺下发与测试结果判断

6 结束语

将该主控制器系统运用在1.5 MW 级的风力发电机组上，机组运行稳定，满足风力发电机运行的各项功能指标，达到了对风力发电机运行实时的监控和对各项信息数据处理的功能要求。而且这种方式增强了系统兼容性，易于扩展，操作便捷，运行稳定可靠。但是，在功能上主控制器系统仍然有改进的空间，比如加入远程智能监控，通过手机客户端远程监控风力发电机的运行等。

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