陳昭宇，張建文，蔡旭，2

（1.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院風(fēng)力發(fā)電研究中心，上海 200240；2.上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

隨著新能源的開(kāi)發(fā)利用日益受到社會(huì)的關(guān)注，風(fēng)電作為一種清潔和可再生能源備受青睞，世界范圍內(nèi)的風(fēng)電裝機(jī)容量也與日俱增，同時(shí)也使得風(fēng)力發(fā)電技術(shù)得到了十分廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。

風(fēng)電變流器是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中保證風(fēng)機(jī)可靠接入電網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。風(fēng)電變流器是一個(gè)帶有非線性環(huán)節(jié)的電力電子系統(tǒng)，大功率變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)常被設(shè)計(jì)成多路并聯(lián)的形式。在全功率變流器的研制階段，為了測(cè)試和驗(yàn)證變流器的運(yùn)行性能，需要對(duì)其各個(gè)環(huán)節(jié)的波形進(jìn)行監(jiān)測(cè)；對(duì)于并聯(lián)型的變流器系統(tǒng)，其每個(gè)變流器支路的相同監(jiān)測(cè)點(diǎn)要同時(shí)監(jiān)測(cè)，以驗(yàn)證系統(tǒng)抑制環(huán)流和諧波的效果，從而需要大量的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。另外，大功率變流器的控制系統(tǒng)和控制方法較為復(fù)雜，研發(fā)過(guò)程中容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，需要通過(guò)記錄大量的數(shù)據(jù)波形來(lái)進(jìn)行參數(shù)調(diào)諧和故障分析，這需要一個(gè)能夠進(jìn)行大量數(shù)據(jù)記錄的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)完成。

目前已有關(guān)于風(fēng)電變流器監(jiān)測(cè)的研究主要針對(duì)其整體運(yùn)行中的狀態(tài)監(jiān)視，而非研發(fā)調(diào)試過(guò)程，故其監(jiān)測(cè)范圍僅僅是變流器輸出的有功和無(wú)功，以及輸出電流和電壓的狀態(tài)等[1]，并不能掌握變流器各環(huán)節(jié)的運(yùn)行情況。另外，這種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般基于分布式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有多臺(tái)下位機(jī)，通過(guò)架設(shè)以太網(wǎng)絡(luò)或者總線和上位機(jī)進(jìn)行通信[1]，規(guī)模龐大成本很高；也有的變流器監(jiān)控系統(tǒng)基于串口通信[2]，能夠上傳的數(shù)據(jù)量有限；這些并不適用于大功率風(fēng)電變流器的研發(fā)測(cè)試。

本文根據(jù)3 MW全功率變流器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于PXI虛擬儀器技術(shù)的3 MW全功率風(fēng)電變流器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。結(jié)合PXI技術(shù)的特點(diǎn)，不僅能夠大量數(shù)據(jù)交換、速度快、而且具有性能可靠、成本低、開(kāi)發(fā)速度快的優(yōu)點(diǎn)。

1 3MW全功率風(fēng)電變流器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)特點(diǎn)

1.1 3 MW全功率變流器

3 MW全功率風(fēng)電變流器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 并聯(lián)全功率風(fēng)力發(fā)電變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of parallel full-scale wind power converter

如圖所示，3 MW全功率變流器系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為四路并聯(lián)結(jié)構(gòu)。每個(gè)支路由機(jī)側(cè)濾波電抗、變流器、LCL濾波器組成，正常運(yùn)行時(shí)承擔(dān)750 kW的功率輸出。變流器采用雙PWM控制的背靠背式結(jié)構(gòu)采用這樣結(jié)構(gòu)的變流器具有靈活性高、能實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功解耦等特點(diǎn)[4]。由于大功率的變流器不能直接采用一個(gè)大的電抗接入電網(wǎng)[5]，因此，網(wǎng)側(cè)逆變器采用LCL濾波器接入電網(wǎng)。

1.2 全功率多路并聯(lián)結(jié)構(gòu)變流器監(jiān)測(cè)的難點(diǎn)

1）全功率并聯(lián)型變流器系統(tǒng)，其每個(gè)變流器支路的相同監(jiān)測(cè)點(diǎn)要同時(shí)監(jiān)測(cè)，以驗(yàn)證系統(tǒng)抑制環(huán)流和諧波的效果。

2）由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)多，需要大量的通道同時(shí)快速進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

3）控制參數(shù)調(diào)整過(guò)程中需要記錄大量的數(shù)據(jù)波形，根據(jù)記錄的波形進(jìn)行參數(shù)的調(diào)諧。

4）需要監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有故障預(yù)測(cè)、報(bào)警來(lái)保護(hù)變流器即記錄的波形可以方便進(jìn)行故障定位分析。

5）需要克服目前常規(guī)變流器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)規(guī)模龐大、成本高以及上傳數(shù)據(jù)有限等缺點(diǎn)。

6）在低成本、高效率下，實(shí)現(xiàn)全功率風(fēng)電變流器的研制測(cè)試。

1.3 全功率風(fēng)電變流器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合

1）全功率風(fēng)電變流器研發(fā)驗(yàn)證測(cè)試。

2）全功率風(fēng)電變流器生產(chǎn)產(chǎn)品出廠測(cè)試。

3）將來(lái)拓展到全功率風(fēng)電變流器維護(hù)性測(cè)試。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3 MW并聯(lián)型全功率風(fēng)電變流器的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由前端傳感器、調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集平臺(tái)以及系統(tǒng)軟件（PC機(jī)）構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 本文所述變流器檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成Fig.2 The component of the converter monitoring system descried in this paper

2.1 前端傳感器

前端傳感器將變流器各環(huán)節(jié)的電壓、電流、以及溫度轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)的調(diào)理電路可以接受的電信號(hào)。

電壓電流信號(hào)通過(guò)霍爾電壓/電流傳感器，可以同時(shí)用于交流和直流信號(hào)測(cè)量。為了降低電磁干擾的影響，部分電流和電壓傳感器的輸出信號(hào)為0~20mA電流信號(hào)，其余的選用輸出信號(hào)為5 V電壓信號(hào)。

溫度信號(hào)的測(cè)量主要選用K型熱電偶和熱電阻Pt100兩種溫度傳感器。熱電阻可以將溫度的變化反應(yīng)為電阻值的變換，熱電偶則利用兩種材料的熱電勢(shì)差，通過(guò)電勢(shì)差反映不同的溫度。Pt100的測(cè)量精度要高于K型熱電偶；熱電偶的探頭體積很小，可用在狹窄空間中。

2.2調(diào)理電路

調(diào)理電路主要的功能是接受傳感器的信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和濾波，使得輸出信號(hào)適于數(shù)據(jù)采集平臺(tái)的輸入。系統(tǒng)所使用的電壓和電流信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示。

調(diào)理電路由放大電路和跟隨電路級(jí)聯(lián)組成。圖3中，RS為采樣電阻，當(dāng)傳感器的輸出為電流信號(hào)時(shí)，首先通過(guò)RS將信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸入運(yùn)放電路中。

2.3 PXI數(shù)據(jù)采集平臺(tái)

圖3 電壓電流信號(hào)的調(diào)理電路Fig.3 Regulating circuit of the voltage and current signals

PXI數(shù)據(jù)采集平臺(tái)是系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣（AD轉(zhuǎn)換）的硬件平臺(tái)。PXI（PCI extension for instrument）是一種面向儀器設(shè)備（主要是用于測(cè)量的數(shù)據(jù)采集設(shè)備）的總線技術(shù)，他是對(duì)PCI Express總線技術(shù)的改造和擴(kuò)展，從而使得PCI總線更適用于數(shù)據(jù)采集設(shè)備的驅(qū)動(dòng)以及大量數(shù)據(jù)的通信。

PCI Express是PCI總線的擴(kuò)展，通過(guò)將PCI總線的并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞礁臑榇型ㄐ牛琍CI Express總線的數(shù)據(jù)通信帶寬得到了極大地提高，從原來(lái)的133 MB/s升至數(shù)GB/s（具體依照總線的時(shí)鐘頻率以及終端設(shè)備的插槽形式）。PXI即利用了PCI Express總線的帶寬，實(shí)現(xiàn)了總線上的數(shù)據(jù)采集設(shè)備的多通道、高速數(shù)據(jù)傳輸功能。

除了PCI Express固有的通信總線之外，PXI還加入了數(shù)據(jù)采集設(shè)備專(zhuān)用的系統(tǒng)時(shí)鐘，同步用的觸發(fā)總線以及設(shè)備間通信的局部總線。通過(guò)這些額外的信號(hào)和通信手段，PXI總線實(shí)現(xiàn)了多個(gè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備的協(xié)同控制工作。

本文中的監(jiān)控系統(tǒng)采用了國(guó)家儀器（National Instrument）公司的PXI總線機(jī)箱（PXI-1045）、數(shù)據(jù)采集卡（PXI-6123）、以及專(zhuān)用控制器（即CPU）。NI公司對(duì)PXI數(shù)據(jù)采集設(shè)備的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行了高度的封裝，并在Labview圖形化編程環(huán)境中提供了面向軟件頂層開(kāi)發(fā)的API函數(shù)和配置界面，從而實(shí)現(xiàn)了硬件和軟件的無(wú)縫銜接，極大簡(jiǎn)化了硬件和底層驅(qū)動(dòng)軟件的開(kāi)發(fā)過(guò)程。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件

3.1 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)軟件運(yùn)行在PC機(jī)上，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)的控制、數(shù)據(jù)顯示和處理、提供人機(jī)界面等功能。軟件的架構(gòu)如圖4所示。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)軟件架構(gòu)Fig.4 The architecture of the software for monitoring system

系統(tǒng)軟件的底層驅(qū)動(dòng)包含了標(biāo)準(zhǔn)I/O底層函數(shù)集VISA（Virtual Instrument Software Architecture虛擬儀器軟件架構(gòu)）。其調(diào)用不僅與接口的類(lèi)型無(wú)關(guān)，與操作系統(tǒng)、編程語(yǔ)言及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)。軟件的開(kāi)發(fā)環(huán)境使用Labview圖形化編程環(huán)境。該平臺(tái)包含了Labview的數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)套件中，包含了PXI數(shù)據(jù)采集設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。同時(shí)，系統(tǒng)軟件的上層即監(jiān)控的應(yīng)用程序，通過(guò)調(diào)用Labview提供的API（vi），實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的用戶(hù)界面以及數(shù)據(jù)顯示、處理、儲(chǔ)存、分析的功能。

3.2 應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)

監(jiān)控應(yīng)用程序采用模塊化設(shè)計(jì)。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 監(jiān)控應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)Fig.5 The structure of the monitoring application program

3.2.1 應(yīng)用程序的實(shí)時(shí)性保證

由于3 MW變流器的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通道數(shù)較多，數(shù)據(jù)量大，簡(jiǎn)單地將程序?qū)憺轫樞驁?zhí)行結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)緩沖區(qū)溢出的問(wèn)題。因此，本文所述的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，通過(guò)2個(gè)方面保證了應(yīng)用程序運(yùn)行的實(shí)時(shí)性：1）使用雙核結(jié)構(gòu)的CPU；2）將數(shù)據(jù)采集模塊和處理顯示等模塊分別運(yùn)行在2個(gè)線程中。

數(shù)據(jù)采集模塊的運(yùn)行機(jī)制大致如下：程序根據(jù)用戶(hù)的配置在內(nèi)存中分配緩沖區(qū)，同時(shí)啟動(dòng)后臺(tái)的AD轉(zhuǎn)換程序，按照采樣率進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換并且將采樣的結(jié)果放入緩沖區(qū)。當(dāng)數(shù)據(jù)采集模塊讀取緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)后，會(huì)輸出給程序中的數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行處理、顯示等工作。程序的流程如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集模塊的運(yùn)行原理Fig.6 Schema of the data acquisition module

根據(jù)上述運(yùn)行機(jī)制可知，采樣啟動(dòng)后數(shù)據(jù)會(huì)不斷地送入緩沖區(qū)中，如果數(shù)據(jù)采集模塊不能及時(shí)地將數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)讀出，就會(huì)導(dǎo)致緩沖區(qū)溢出。即便緩沖區(qū)足夠大，也會(huì)導(dǎo)致顯示的數(shù)據(jù)和實(shí)際情況之間產(chǎn)生延遲。由于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)留量比較大，緩沖區(qū)的讀取、數(shù)據(jù)的處理、比較顯示等程序的執(zhí)行時(shí)間相對(duì)比較長(zhǎng)。因此實(shí)際上，在本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集模塊和之后的程序執(zhí)行時(shí)間之和已經(jīng)超過(guò)了采樣的時(shí)間，如果數(shù)據(jù)采集模塊和處理顯示等操作順序執(zhí)行，一定會(huì)導(dǎo)致緩沖區(qū)溢出的情況發(fā)生。

為了保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件的實(shí)時(shí)性，本文中的程序直接利用CPU的兩個(gè)核并行執(zhí)行數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理顯示等部分的程序。這樣程序的結(jié)構(gòu)就如圖5所示，數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理、顯示、等分別放在兩個(gè)線程中運(yùn)行。由于Labview具有自動(dòng)線程調(diào)度的功能，程序運(yùn)行時(shí)，Labview會(huì)根據(jù)操作的類(lèi)型不同（數(shù)據(jù)采集任務(wù)和在屏幕中顯示數(shù)據(jù)任務(wù)）將兩個(gè)線程的程序分配給不同的CPU內(nèi)核。

3.2.2 數(shù)據(jù)處理、顯示、比較、儲(chǔ)存的實(shí)現(xiàn)

由之前的敘述可知，數(shù)據(jù)的處理、顯示、比較、儲(chǔ)存在同一個(gè)線程中進(jìn)行。數(shù)據(jù)處理主要將采樣值還原為真實(shí)值。該比例值的計(jì)算如下：

式中，N為傳感器的變比，其值等于測(cè)量真實(shí)值/輸出值；R為調(diào)理電路的采樣電阻，如果傳感器為電壓輸出，則該值取1；G為調(diào)理電路增益。

數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后，即可以輸出給顯示、比較和儲(chǔ)存模塊。顯示模塊的實(shí)現(xiàn)利用Labview自帶的數(shù)據(jù)波形顯示控件波形圖表（Waveform Chart），該控件會(huì)將當(dāng)前輸入的數(shù)據(jù)以波形的形式顯示，并可以將一段時(shí)間前的歷史數(shù)據(jù)根據(jù)配置要求保留在屏幕上。數(shù)據(jù)比較即報(bào)警功能，他將數(shù)據(jù)和用戶(hù)設(shè)定的限制進(jìn)行比較，并輸出結(jié)果。數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊將數(shù)據(jù)放入一個(gè)用戶(hù)自定義的緩沖區(qū)中，緩沖區(qū)滿(mǎn)時(shí)，新的數(shù)據(jù)將覆蓋最老的數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶(hù)從界面觸發(fā)保存時(shí)，程序?qū)?shù)據(jù)一次性存入一個(gè)二進(jìn)制文件中，采用這種格式可以提高儲(chǔ)存的速度。

3.2.3 儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的讀取和離線分析的實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)讀取和離線分析的程序同樣各自運(yùn)行在一個(gè)線程中，如圖5所示。當(dāng)用戶(hù)觸發(fā)讀取數(shù)據(jù)操作時(shí)，程序?qū)⑻峁?duì)話框供用戶(hù)選擇數(shù)據(jù)文件，并將所選擇的文件數(shù)據(jù)讀入自定義緩沖區(qū)。程序提供相應(yīng)的通道選擇界面，將用戶(hù)選擇的通道數(shù)據(jù)從自定義緩沖中取出并顯示在示波器上。當(dāng)數(shù)據(jù)被讀入用戶(hù)自定義緩沖時(shí)，數(shù)據(jù)離線分析就可以調(diào)用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

4 變流器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

在3 MW變流器的調(diào)試過(guò)程中，出現(xiàn)了由于控制器通信線路脫線導(dǎo)致一路變流器機(jī)側(cè)的單相橋壁控制脈沖中斷，導(dǎo)致變流器的輸出波形異常。

圖7 變流器機(jī)側(cè)整流器電流故障波形Fig.7 Fault waveform of the current on the motor-side rectifier of the converter

如圖7所示為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)記錄的機(jī)側(cè)整流器的三相電流波形。其中，可以看出由于該相橋臂的脈沖中斷，導(dǎo)致該相IGBT一直處于關(guān)斷的狀態(tài)。由三相橋式逆變器電路的原理可知，這時(shí)該相無(wú)法輸出正向電流，其波形正如圖7所示表現(xiàn)為電流波形的正半波消失。

在故障發(fā)生時(shí)，變流器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及時(shí)檢測(cè)出了故障現(xiàn)象，并且啟動(dòng)了數(shù)據(jù)儲(chǔ)存功能將數(shù)據(jù)波形保存了下來(lái)。根據(jù)波形的分析，使得調(diào)試人員較為準(zhǔn)確地判斷出了可能的故障原因?？梢钥闯觯兞髌鞅O(jiān)測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確地反映了調(diào)試中變流器的狀態(tài)，及時(shí)捕捉了故障的具體數(shù)據(jù)，幫助調(diào)試人員減少了故障定位和故障起因判斷的工作量，從而使得故障迅速得到修復(fù)。

5 結(jié)論

本文介紹了一個(gè)適用于并聯(lián)型全功率變流器的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)針對(duì)變流器的研發(fā)調(diào)試過(guò)程中的需要，具有多通道高速采集、數(shù)據(jù)記錄、故障報(bào)警、數(shù)據(jù)分析等功能。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)采用了PXI技術(shù)，不僅滿(mǎn)足了多通道高速采集的需求，并且簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件的開(kāi)發(fā)過(guò)程、增強(qiáng)了拓展性，從而使得開(kāi)發(fā)人員可以更集中于應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。

本文對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能特點(diǎn)、軟硬件實(shí)現(xiàn)方式、以及應(yīng)用程序各環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了較為詳細(xì)的描述，并且闡述了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性問(wèn)題的解決方法。最后，文章通過(guò)一個(gè)使用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行單相脈沖中斷故障的檢測(cè)的實(shí)例，驗(yàn)證了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性，表明了其對(duì)于變流器調(diào)試開(kāi)發(fā)工作的必要性。

[1]董海燕.基于CAN通信的風(fēng)機(jī)變流器監(jiān)控技術(shù)的研究[D].合肥:安徽理工大學(xué)，2009.

[2]郭云崢，諸嘉惠.SMES變流器監(jiān)控系統(tǒng)及其可視化設(shè)計(jì)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2010，30（11）：130-133.GUO Yun-zheng，ZHU Jia-hui.Monitoring system of SMES converter and its visualization design[J].Electric Power Automation Equipment，2010，30（11）：130-133（in Chinese）.

[3] 湯秀芬，魏鳳蘭.基于PXI總線的虛擬儀器系統(tǒng)的探析[J].寧夏工程技術(shù)，2003，2（1）：74-75.TANG Xiu-fen，WEI Feng-lan.Research and analysis of virtual instruments on the base of PXI bus[J].Ning Xia Engineering Technology，2003，2（1）：74-75（in Chinese）.

[4] RUBEN Pefia，ROBERTO Cardenas.A cage induction generator using back to back PWM converters for variable speed grid connected wind energy system[C].The 27th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society，2001.

[5] TANG Feng，JIN Min.Stability analysis on parallel of LCLFilter-Based Grid-Connected converters in MW-Level Direct-Drive wind generation using complex vector[C].Electrical Machines and Systems（ICEMS），2011 International Conference，2011.