劉 旭，張竹嫻

(1.湖南勞動人事職業(yè)學(xué)院，湖南 長沙 410000；2.長沙學(xué)院，湖南 長沙 410022)

基于數(shù)據(jù)流的風(fēng)力發(fā)電變流系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)

劉 旭1，張竹嫻2

(1.湖南勞動人事職業(yè)學(xué)院，湖南 長沙 410000；2.長沙學(xué)院，湖南 長沙 410022)

風(fēng)能作為可再生能源的重要組成部分，近年來倍受關(guān)注.對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，并網(wǎng)變流系統(tǒng)是決定其輸出電能質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié).采用PEBB電力電子集成模塊化設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了變流系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，然后應(yīng)用數(shù)據(jù)流體系設(shè)計(jì)其控制軟件.通過搭建的直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電變流系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺，觀察了有功調(diào)節(jié)、無功調(diào)節(jié)以及在外界擾動下系統(tǒng)的抗干擾性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)的風(fēng)力發(fā)電變流系統(tǒng)控制策略及軟件符合技術(shù)指標(biāo)要求，提高了風(fēng)電變流系統(tǒng)的工作效率及其經(jīng)濟(jì)效益.

風(fēng)力發(fā)電；變流系統(tǒng)；PEBB 控制軟件

風(fēng)能具有不穩(wěn)定、具有氣候性等特點(diǎn)，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行過程中，其難點(diǎn)在于如何更好地獲取最大風(fēng)能的同時保證電能質(zhì)量.當(dāng)前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主流結(jié)構(gòu)為變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其中以直驅(qū)型永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)用前景最好.它具有可靠性高、能量轉(zhuǎn)換效率高、容易實(shí)現(xiàn)低電壓穿越、維護(hù)成本低、并網(wǎng)功率控制靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)[1,2].

一般來說，為了捕獲最大風(fēng)能，直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常要跟隨風(fēng)速的變化而變化，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出電壓經(jīng)常會發(fā)生變化，十分不穩(wěn)定.而電網(wǎng)電壓的頻率和幅值都是恒定的，直接將發(fā)電機(jī)輸出電壓并到電網(wǎng)上肯定是不行的，因此，這中間需要一個全功率變流器穩(wěn)定發(fā)電機(jī)輸出電能的質(zhì)量[3-5].同時，隨著人們用電水平的提高，風(fēng)力機(jī)組的功率將來會越來越大，相應(yīng)地全功率變流器的功率也將不斷提高，其結(jié)構(gòu)將會更為復(fù)雜，并且體積也會隨之變大，這一系列的發(fā)展趨勢給風(fēng)電機(jī)組的維護(hù)和設(shè)計(jì)帶來了巨大地挑戰(zhàn).為了能夠在質(zhì)量、可靠性和成本多方面對全功率變流器進(jìn)行改進(jìn)，必須要發(fā)展一種綜合技術(shù)來實(shí)現(xiàn)全功率變流器的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì).

本文采用美國海軍研究機(jī)構(gòu)提出的PEBB電力電子集成模塊化設(shè)計(jì)方法，模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化地設(shè)計(jì)變流系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，改進(jìn)該電力電子系統(tǒng)的可靠性，降低系統(tǒng)的維護(hù)成本，然后應(yīng)用數(shù)據(jù)流體系設(shè)計(jì)其控制軟件.

1 數(shù)據(jù)流軟件體系

將PEBB具體投入使用時，為了更好地拓寬電力電子系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，應(yīng)該要選擇合適的控制軟件設(shè)計(jì)方法，以實(shí)現(xiàn)模塊功能的配置[6].傳統(tǒng)的電力電子控制軟件，主要采用前后臺系統(tǒng)(Foreground/Background System)或主程序—子程序的形式.這種軟件控制方法通過構(gòu)造一個主程序?qū)崿F(xiàn)循環(huán)結(jié)構(gòu)，于循環(huán)中調(diào)用子程序?qū)崿F(xiàn)各模塊功能.這種軟件結(jié)構(gòu)易于理解，但是它與硬件的相關(guān)性過大，軟件的可重用性低，設(shè)計(jì)人員在具體設(shè)計(jì)時修改和升級會十分困難，不適用于大型的電力電子系統(tǒng)的軟件開發(fā).而數(shù)據(jù)流軟件設(shè)計(jì)方法，以結(jié)點(diǎn)作為基本計(jì)算單元，箭頭表示數(shù)據(jù)的流向，以數(shù)據(jù)流圖為載體實(shí)現(xiàn)控制算法.它具有十分靈活的模塊化設(shè)計(jì)思路，并且每一個節(jié)點(diǎn)就是一個獨(dú)立的執(zhí)行單元，不受具體應(yīng)用環(huán)境的限制，具有高的獨(dú)立性和重用性，十分適用于基于PEBB的電力電子系統(tǒng)的控制軟件設(shè)計(jì).

數(shù)據(jù)流軟件體系，是對過程控制中數(shù)據(jù)流的“自頂向下，逐步求精”的處理過程，只依賴于數(shù)據(jù)的來源，而不用關(guān)心數(shù)據(jù)到來的先后順序[5].數(shù)據(jù)流體系的典型結(jié)構(gòu)可通過節(jié)點(diǎn)和箭頭進(jìn)行表述，如圖1所示.

圖1 數(shù)據(jù)流軟件體系結(jié)構(gòu)

圖中，一個節(jié)點(diǎn)代表的是一個計(jì)算單元(Unit) ，稱為基本控制對象ECO.箭頭則是一種具有緩沖功能的數(shù)據(jù)通道(Data Channel)，它表示數(shù)據(jù)流的流向只能是單向的，即只能從源節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳遞到目標(biāo)節(jié)點(diǎn).每個節(jié)點(diǎn)對應(yīng)一個獨(dú)立的計(jì)算單元，節(jié)點(diǎn)的接口在功能確定的同時進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，不同節(jié)點(diǎn)能夠同時執(zhí)行.節(jié)點(diǎn)可有多個輸入數(shù)據(jù)來源，輸出數(shù)據(jù)也可有多個輸出去向.每一個節(jié)點(diǎn)只有當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)時才被激活，無數(shù)據(jù)時不工作[7].各個節(jié)點(diǎn)按照一定方式形成數(shù)據(jù)流圖，完成控制任務(wù).

我們可以看到，數(shù)據(jù)流體系中，各節(jié)點(diǎn)之間只有數(shù)據(jù)交換，再無其他任何交互，使得該軟件體系具有高可重用性.而每一個節(jié)點(diǎn)單獨(dú)完成其任務(wù)，并且可并行執(zhí)行保證了該軟件體系的實(shí)時性.同時，該軟件體系的數(shù)據(jù)流走向十分清晰明了，易于設(shè)計(jì)者理解及系統(tǒng)維護(hù)和改進(jìn)[8].應(yīng)用數(shù)據(jù)流體系設(shè)計(jì)控制軟件，就是將控制算法進(jìn)行分解，按照一定的方式構(gòu)成一個有機(jī)整體，實(shí)現(xiàn)控制任務(wù).

2 基于數(shù)據(jù)流的風(fēng)電變流系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)

2.1 直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電變流系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

為了提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的整體性能，較好實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變速恒頻運(yùn)行，直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用雙PWM全功率變流器.

圖2 直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變流器主拓?fù)潆娐?/p>

圖中，與低速永磁同步發(fā)電機(jī)相連接的是兩組橋式PWM變流器，與網(wǎng)側(cè)相連的是同樣結(jié)構(gòu)的兩組橋式PWM變流器.變流器中所采用的電力電子器件均由可控IGBT組成，通過對電力電子器件通斷的控制，網(wǎng)側(cè)變流器起到整流器的作用，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出電壓的整流，機(jī)側(cè)變流器則起到逆變器的作用，穩(wěn)定直流母線電壓值.

2.2 基于PEBB的變流系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了模塊化設(shè)計(jì)變流系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，本文基于PEBB技術(shù)將直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了分層設(shè)計(jì)，其層次結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 基于PEBB的直驅(qū)永磁風(fēng)電力發(fā)電機(jī)組變流系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)框圖

本文設(shè)計(jì)的基于PEBB的直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變流系統(tǒng)共分為4層，它們分別為應(yīng)用控制層、變換器控制層、PEBB控制層以及PEBB層.其中，變流系統(tǒng)控制層整個變流系統(tǒng)的控制核心，主要任務(wù)是完成網(wǎng)側(cè)和機(jī)側(cè)變流器的控制，其具體設(shè)計(jì)框圖如圖4所示.

圖4 變流器控制層具體設(shè)計(jì)框圖

2.3 風(fēng)力發(fā)電變流系統(tǒng)控制軟件具體設(shè)計(jì)

變流系統(tǒng)控制軟件的任務(wù)是完成網(wǎng)側(cè)和機(jī)側(cè)變流器的控制，需要與上層總控制軟件進(jìn)行通信，并控制下層硬件結(jié)構(gòu)完成控制任務(wù).因此，本文將風(fēng)電變流系統(tǒng)整體的控制分為上層總控制和下層總控制兩部分，每部分由眾多ECO模塊按照一定方式組合成數(shù)據(jù)流圖實(shí)現(xiàn)，上下層之間通過CAN總線進(jìn)行通信

2.3.1 變流器控制層控制軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組變流系統(tǒng)控制方案和基于PEBB變流系統(tǒng)硬件方案，變流器控制層需要完成機(jī)側(cè)變流器的轉(zhuǎn)速外環(huán)控制、網(wǎng)側(cè)變流器的直流電壓外環(huán)控制、跟機(jī)組主控制器的實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng)通信和與PEBB控制層的CAN通信，控制軟件的主要文件包括常規(guī)任務(wù)程序文件和實(shí)時控制任務(wù)調(diào)度文件兩類文件組成(如圖5所示).

圖5 變流器控制層控制軟件組成

2.3.2 變流器控制層實(shí)時控制任務(wù)調(diào)度處理程序的數(shù)據(jù)流分析

(1)機(jī)側(cè)變流器轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)程序

圖6 機(jī)側(cè)變流器轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)程序數(shù)據(jù)流圖

(2)網(wǎng)側(cè)變流器直流電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)程序

圖7 網(wǎng)側(cè)變流器直流電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)程序數(shù)據(jù)流圖

(3)以太網(wǎng)通信程序

圖8 以太網(wǎng)通信發(fā)送端數(shù)據(jù)流圖

圖9 以太網(wǎng)通信接受端數(shù)據(jù)流圖

(4)CAN通信程序

圖10 變換器控制層CAN通信數(shù)據(jù)流圖

2.3.3 變流器控制層主要程序模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

例：PI控制算法模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)如下

PI控制算法模塊(又叫PI調(diào)節(jié)器)主要功能是根據(jù)給定值與實(shí)際值的差值，調(diào)整控制量以使得實(shí)際系統(tǒng)能夠跟蹤給定.因此，對于一個PI modulator ECO，它的輸入數(shù)據(jù)主要實(shí)際系統(tǒng)的采樣值或者檢測值以及給定值.這些數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)通道提供，同時，該模塊還需要設(shè)定PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)比例系數(shù)(KP)和積分系數(shù)(KI)以及dq軸的參考電流dd_ref、dq_ref，其模塊結(jié)構(gòu)如下：

圖11 PI控制算法模塊結(jié)構(gòu)圖

其中，dd、dq為PI調(diào)節(jié)模塊的輸入數(shù)據(jù)，通過內(nèi)部的PI增量式控制算法，得到跟蹤給定d、q軸電流的輸出電壓信號.PI調(diào)節(jié)的具體實(shí)現(xiàn)算法流程圖如圖12所示.通過將從采樣模塊反饋得到的dd和dq值分別與給定值dd_ref、dq_ref進(jìn)行比較得到偏差值Err_dd和Err_dq，然后進(jìn)行PI增量式運(yùn)算，得到電壓增量值，進(jìn)行最后的控制量運(yùn)算及限幅處理得到最終輸出.

其中，PI增量式運(yùn)算算法如公式1所示：

(1)

圖12 PI調(diào)節(jié)算法流程示意圖

其中，Kp和KI是模塊預(yù)先設(shè)定的參數(shù)，可人為調(diào)整，dq軸的參考電流dd_ref、dq_ref由設(shè)計(jì)人員根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定和調(diào)整.

(2)CAN通信模塊

CAN通 塊的設(shè)計(jì)主要包括三大部分：初始化控制器，數(shù)據(jù)息的發(fā)送與接收.設(shè)計(jì)時CAN控制器的發(fā)送和接收報(bào)文，都采用了擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀格式，發(fā)送和接收信息采用中斷方式.

2.4 PEBB控制層控制軟件設(shè)計(jì)

2.4.1 PEBB控制層控制程序文件組成

圖13 PEBB控制層控制軟件組成

PEBB控制層需要完成機(jī)側(cè)變流器的永磁電機(jī)磁場定向控制或網(wǎng)側(cè)變流器的電網(wǎng)電壓定向控制，為了實(shí)現(xiàn)上述兩個控制，PEBB控制層采集交流側(cè)電流，通過CAN通信接受來自變換器控制層的電流給定、永磁電機(jī)轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速、電網(wǎng)交流電壓及相角等信息，執(zhí)行電流閉環(huán)計(jì)算、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算和空間矢量調(diào)制計(jì)算，通過數(shù)字信號處理器內(nèi)部PWM發(fā)生器產(chǎn)生IGBT驅(qū)動信號，達(dá)到電能形式的變換、穩(wěn)定地向電網(wǎng)輸送電能.PEBB控制層控制軟件的常規(guī)任務(wù)程序文件包括向量配置表、主程序和數(shù)據(jù)配置文件，實(shí)時控制任務(wù)調(diào)度文件包括電流閉環(huán)調(diào)節(jié)程序、與變換器控制層的CAN通信程序和變流器保護(hù)程序，程序組成如圖13所示.

2.4.2 PEBB控制層實(shí)時控制任務(wù)調(diào)度處理程序的數(shù)據(jù)流分析

(1)磁場定向控制或電網(wǎng)電壓定向控制程序數(shù)據(jù)流分析

圖14 PEBB控制層程序流程圖

(2)CAN通信程序數(shù)據(jù)流分析

圖15 PEBB控制層CAN通信數(shù)據(jù)流圖

2.4.3 變換器控制層主要程序模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

變換器控制層主要程序模塊中包含了輸入采樣與處理、坐標(biāo)變換、PI調(diào)節(jié)器及空間矢量調(diào)節(jié)等多個ECO模塊.

例：輸入采樣處理ECO模塊ADC_A和ADC_B的實(shí)現(xiàn)如下

輸入采樣過程主要是對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，減少由于采樣過程的噪聲或者其他干擾因素帶來的不利影響，其處理流程圖如圖16所示.

其中，數(shù)字濾波方法可采用簡單的限幅濾波法，即通過計(jì)算連續(xù)兩次采樣值的偏差與允許的最大偏差進(jìn)行比較，來確定本次采樣值是否有效.超出最大偏差，放棄本次采樣值，用前一次采樣值代替本次采樣值.在允許偏差范圍內(nèi)，則保留本次采樣值.其具體的C語言實(shí)現(xiàn)過程如下：

圖16 輸入采樣處理流程圖

/* A值可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整 value為有效值，new_value為當(dāng)前采樣值濾波程序返回有效的實(shí)際值*/

#define A 10

char value;

char filter()

{

char new_value;

new_value = get_ad();

if ( ( new_value - value > A ) || ( value - new_value > A )

return value;

return new_value;

}

同時，控制量還需要進(jìn)行規(guī)格化處理，是因?yàn)镈CS系統(tǒng)中各個模塊之間輸入輸出的運(yùn)算信號往往是規(guī)格化的，并且上、下位機(jī)通信時，規(guī)格化的數(shù)據(jù)能夠使得通信更為可靠.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

經(jīng)過直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電變流系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺模擬風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行情況，通過觀察有功調(diào)節(jié)、無功調(diào)節(jié)以及在外界擾動下系統(tǒng)的抗干擾性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形，充分驗(yàn)證了控制軟件的控制效果.

3.1 有功調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

有功調(diào)節(jié)過程表明，這種直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電變流控制系統(tǒng)電流調(diào)節(jié)速度快，且超調(diào)量小，控制穩(wěn)定.

圖17 有功調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)波形圖

3.2 無功調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖18 無功調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)波形圖

無功調(diào)節(jié)過程表明，這種直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電變流控制系統(tǒng)電流調(diào)節(jié)速度快，且超調(diào)量小，控制穩(wěn)定.

3.3 風(fēng)力發(fā)電變流系統(tǒng)抗干擾性能驗(yàn)證

為了驗(yàn)證系統(tǒng)能否在受到干擾的情況下仍然能夠穩(wěn)定直流母線電壓在某一恒定值，通過在負(fù)載端突加負(fù)載，觀察其母線電壓波形，如圖19所示.

圖19 負(fù)載突變時的母線電壓波形

由圖可知，直流母線電壓會出現(xiàn)短暫的動態(tài)變化，超調(diào)量比較小，并且能夠很快保持在穩(wěn)定值不變.可見，該風(fēng)力發(fā)電變流系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能十分優(yōu)秀，此方案完全可以滿足系統(tǒng)的要求.

4 結(jié)論

本文基于PEBB模塊化設(shè)計(jì)平臺，設(shè)計(jì)了直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)逆變器的分布式控制硬件結(jié)構(gòu).然后將并網(wǎng)變流器總體控制分成上層控制器和下層控制器兩層，基于數(shù)據(jù)流體系實(shí)現(xiàn)了控制軟件的設(shè)計(jì).數(shù)據(jù)流系統(tǒng)通過將控制算法進(jìn)行分解并以ECO模塊的形式實(shí)現(xiàn)，能夠使控制軟件的設(shè)計(jì)獨(dú)立于硬件結(jié)構(gòu)，降低控制軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度.基于數(shù)據(jù)流體系設(shè)計(jì)變流系統(tǒng)對提高風(fēng)電變流系統(tǒng)的工作效率及其經(jīng)濟(jì)效益具有十分積極的意義.

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(責(zé)任編校：晴川)

Design of Control Software for Wind Power Generation Converter System Based on Data Flow

LIU Xu, ZHANG Zhuxian

(1. Hunan Labor and Human Resources Vocational College, Changsha Hunan 410000, China; 2. Changsha University, Changsha Hunan 410022, China)

As an important part of renewable energy, wind energy has attracted more and more attention in recent years. The grid connected converter system is the key link for the output power quality of wind turbine. In this paper, the hardware structure of the converter system is designed based on the PEBB power electronics integrated modular design method, then the data flow system is used to design the control software. Through the experimental platform of direct wind power-drive converter system, the waveforms of the anti-jamming performance experiment were observed in cases of active power regulation, reactive power regulation and subjected to external disturbance. The experimental result shows that the design of wind power converter system control strategy and software accords with the technical requirements, and can improve the work efficiency and economic benefits of wind power converter system.

wind power generation; converter system; PEBB control software

2017-02-09

2016年湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目(批準(zhǔn)號：16C0714).

劉旭(1985— )，男，湖南祁東人，湖南勞動人事職業(yè)學(xué)院助理政工師，碩士.研究方向：軟件工程電氣信息.

TM315

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1008-4681(2017)02-0045-06