一種現(xiàn)場總線型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

滕 云

（湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院,湖南 長沙 410151）

在當(dāng)前并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)方面，風(fēng)力機(jī)組單機(jī)容量的擴(kuò)大化和系統(tǒng)的直驅(qū)化是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展的兩大趨勢，而采用變槳距控制方式的變速恒頻(VSCF)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。機(jī)組主控制系統(tǒng)是整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制的核心，是機(jī)組安全可靠運(yùn)行以及實(shí)現(xiàn)最佳運(yùn)行的保證。當(dāng)前兆瓦級風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)為基于數(shù)字信號處理器DSP或可編程控制器PLC的微機(jī)控制，機(jī)組運(yùn)行的可靠性及自動化程度越來越高。這樣一來，整個(gè)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的體積就越來越小，控制性能越來越完善，智能化程度越來越高，運(yùn)行更加可靠，維修和操作則更簡便易行，從而真正有效地實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電場的無人監(jiān)控及無人值守運(yùn)行。而隨著風(fēng)電機(jī)組的容量擴(kuò)大，控制策略的改進(jìn)，控制系統(tǒng)的復(fù)雜性的增加，傳統(tǒng)的中央式控制體系正面臨挑戰(zhàn)，在工業(yè)控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的以太網(wǎng)控制技術(shù)也逐漸在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)中得到應(yīng)用，如基于PAC（Programmable Automation Controller） 的 網(wǎng) 絡(luò) 控 制 ，PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)等，利用工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的分布式控制技術(shù)來完成，可以通過網(wǎng)絡(luò)把控制器和分散的驅(qū)動裝置連接起來。這樣做可以極大地簡化控制設(shè)備，減少系統(tǒng)控制的復(fù)雜性，降低成本，并且提高了系統(tǒng)的安全性。

EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology)是由德國倍福BECKHOFF自動控制公司開發(fā)的一種實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，它基于標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)技術(shù)，具備靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。系統(tǒng)具有配置簡單，有效數(shù)據(jù)率高，全雙工，易于實(shí)現(xiàn)等特性獲得越來越多的產(chǎn)品研發(fā)人員的關(guān)注。文章介紹了EtherCAT技術(shù)的原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并將其應(yīng)用于變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控制系統(tǒng)中，給出了主從站設(shè)計(jì)方案和基于ET1100的從站控制器與DSP控制器的接口設(shè)計(jì)。

1 基于EtherCAT技術(shù)的風(fēng)電機(jī)組主控系統(tǒng)

（1）系統(tǒng)概述。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控系統(tǒng)要實(shí)時(shí)采集當(dāng)前的機(jī)組參數(shù)，根據(jù)最佳風(fēng)能捕獲算法，適時(shí)的對各控制單元給出合理的操作指令。同時(shí)，控制系統(tǒng)要建立良好的人機(jī)交互界面，能在控制面板上顯示和查詢風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)、顯示故障狀態(tài)、查詢故障地點(diǎn)、設(shè)置運(yùn)行參數(shù)等。除此之外，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)需具有與中央控制室上位計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程通訊功能，以便中央控制室適時(shí)監(jiān)測風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行數(shù)據(jù)和故障情況等，其主要功能如圖1所示。

由下圖1可以看出，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)主要是由變流器控制單元、變槳距機(jī)構(gòu)、偏航機(jī)構(gòu)、機(jī)組主控制器等構(gòu)成的集散控制系統(tǒng)變流器控制單元用來對整流器和逆變器進(jìn)行控制，在機(jī)組啟動時(shí)實(shí)現(xiàn)軟并網(wǎng)，在正常工作過程中接受主控制器的命令實(shí)現(xiàn)輸出功率的控制，從而使機(jī)組工作在最佳風(fēng)能捕獲狀態(tài)下；當(dāng)風(fēng)速過高，超過系統(tǒng)的額定功率時(shí)，變槳距系統(tǒng)調(diào)節(jié)槳葉節(jié)距角，使風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速下降，將功率控制在額定功率以下；當(dāng)風(fēng)向變化時(shí)，偏航系統(tǒng)可以跟蹤風(fēng)向，使機(jī)組始終迎風(fēng)工作，并且當(dāng)系統(tǒng)因?yàn)槎啻螌︼L(fēng)而導(dǎo)致電纜纏繞時(shí)進(jìn)行解繞操作；而機(jī)組主控制器用于協(xié)調(diào)這些部件的工作，同時(shí)采集當(dāng)前的外部參數(shù)（風(fēng)速、轉(zhuǎn)速、電網(wǎng)電壓等），根據(jù)最佳風(fēng)能捕獲算法，適時(shí)的對各控制單元給出合理的操作指令。

圖1 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控系統(tǒng)

（2）基于EtherCAT技術(shù)的風(fēng)電機(jī)組主控系統(tǒng)。由前面的分析可以知道，基于EtherCAT的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)包括變流器控制單元、變槳距控制系統(tǒng)、偏航控制系統(tǒng)，監(jiān)測系統(tǒng)等子控制系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)是風(fēng)力機(jī)組控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成單元，它們是整個(gè)機(jī)組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的從站控制設(shè)備，而帶有MAC的PC機(jī)作為機(jī)組主控制器對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，為主站設(shè)備，管理整個(gè)機(jī)組控制系統(tǒng)，并將現(xiàn)場采集的參數(shù)傳送給整個(gè)風(fēng)電場的監(jiān)控室，進(jìn)行統(tǒng)一管理，如圖2所示，為基于EtherCAT技術(shù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

圖2 基于EtherCAT的風(fēng)電機(jī)組主控系統(tǒng)

帶有MAC接口的PC機(jī)作為機(jī)組主控制系統(tǒng)的主站，通過編程對從站及其運(yùn)行方式進(jìn)行配置，運(yùn)行風(fēng)電機(jī)組監(jiān)控軟件，并周期性地通過以太網(wǎng)絡(luò)發(fā)送帶有從站控制器命令的數(shù)據(jù)幀，實(shí)現(xiàn)對變流器、槳距和偏航等系統(tǒng)的控制，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的啟停、變流、并網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集和變槳距等控制要求，同時(shí)各從站控制器在控制周期能通過插入相應(yīng)報(bào)文反饋到主站的PC機(jī)。由于EtherCAT技術(shù)良好的網(wǎng)絡(luò)性能和數(shù)據(jù)傳輸能力，使得系統(tǒng)能夠有效地對機(jī)組狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并能對風(fēng)力突變情況下的機(jī)組槳距，變流裝置及時(shí)進(jìn)行控制，跟蹤最大風(fēng)能，提高系統(tǒng)的效率。

2 基于EtherCAT的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

（1）主站設(shè)計(jì)。EtherCAT技術(shù)的實(shí)現(xiàn)包括主站實(shí)現(xiàn)和從站實(shí)現(xiàn)。EtherCAT主站不需要專用的通訊處理器，只需使用無源的NIC卡或主板集成的以太網(wǎng)MAC設(shè)備即可，完全采用軟件方式在主機(jī)中實(shí)現(xiàn)協(xié)議的識別和封裝。本文采用帶有以太網(wǎng)接口的普通工控PC機(jī)即可。PC機(jī)除了帶有與EtherCAT從站進(jìn)行主從控制的以太網(wǎng)卡外，還應(yīng)當(dāng)具有與風(fēng)力發(fā)電場中央監(jiān)控系統(tǒng)通信的接口。

（2）基于ET1100的從站控制器設(shè)計(jì)。在文章的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)中，從站的設(shè)計(jì)包括變流器系統(tǒng)、變槳距系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)的控制器及與這些控制設(shè)備進(jìn)行以太網(wǎng)連接的EtherCAT從站協(xié)議控制器的設(shè)計(jì)，用來實(shí)現(xiàn)主站和從站之間的通訊及控制功能。下面以變流系統(tǒng)控制器TMS320F2812與從站控制器1的接口實(shí)現(xiàn)為例，說明EtherCAT從站控制器的設(shè)計(jì)。

EtherCAT從站控制器ESC（EtherCAT Slave Controller）是通過專用硬件實(shí)現(xiàn)的，它實(shí)現(xiàn)EtherCAT的物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議?，F(xiàn)在市場上有多種EtherCAT協(xié)議控制器可供使用，如ASIC芯片，也可以一次性購買獲取授權(quán)的二進(jìn)制代碼，通過價(jià)格低廉的FPGA實(shí)現(xiàn)從站控制器的功能。從站控制器ESC與從站主機(jī)設(shè)備之間的接口方式根據(jù)過程數(shù)據(jù)接口PDI（Process Data Interface）的形式來確定。

在本系統(tǒng)中，從站控制器ESC采用倍福BECKHOFF公司的ET1100，由于變流器控制系統(tǒng)采用TI公司的TMS320F2812控制，其接口規(guī)范可以選擇為微處理器方式，通過對ET1100自帶的EEPROM進(jìn)行編程后選擇配置。TMS320F2812與ET1100的接口硬件實(shí)現(xiàn)如圖3所示。

其中變流系統(tǒng)控制器F2812實(shí)現(xiàn)EtherCAT對變流器的具體控制和數(shù)據(jù)反饋，通過PDI接口與ET1100連接，讀取和寫入ET1100緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)；ET1100帶有兩個(gè)MII接口，它們在硬件上實(shí)現(xiàn)了EtherCAT協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層，外擴(kuò)的兩個(gè)物理層芯片實(shí)現(xiàn)了工業(yè)以太網(wǎng)的的物理層。網(wǎng)絡(luò)接口由PHY和網(wǎng)絡(luò)變壓器組成，其中網(wǎng)絡(luò)變壓器的作用是實(shí)現(xiàn)隔離和阻抗匹配。EEPROM通過I2C接口編程，用于保存從站配置數(shù)據(jù)和從站描述數(shù)據(jù)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

圖3 基于ET1100的EtherCAT從站結(jié)構(gòu)圖

（1）主站軟件設(shè)計(jì)。EtherCAT主站軟件用以實(shí)現(xiàn)機(jī)組主控制系統(tǒng)應(yīng)用程序，主站和從站配置和對各從站的控制。為了方便主站軟件的開發(fā)，EtherCAT技術(shù)組織現(xiàn)在提供主站樣本代碼，可以方便的把該代碼嵌入到主站的工控PC機(jī)操作系統(tǒng)中，加快項(xiàng)目開發(fā)進(jìn)程。同時(shí)，倍福等公司通過提供EtherCAT組態(tài)軟件來實(shí)現(xiàn)主站控制程序的編寫，TwinCAT System Manager即為倍福公司TwinCAT系統(tǒng)的配置工具，可以實(shí)現(xiàn)解析XML配置文件，通過在線編程對ET1100的EEPROM進(jìn)行編程設(shè)置，管理從站狀態(tài)發(fā)送非周期和周期性數(shù)據(jù)幀，實(shí)現(xiàn)主從站之間數(shù)據(jù)的傳輸。同時(shí)可以編寫應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用層各個(gè)程序的輸入輸出數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)輸入輸出數(shù)據(jù)的連接。

圖4 程序中斷流程圖

（2）從站控制軟件設(shè)計(jì)。在從站，主要對DSP進(jìn)行從站應(yīng)用層程序的設(shè)計(jì)，主要分為EtherCAT網(wǎng)絡(luò)接口程序和變流器控制程序，變流器控制程序主要是周期性的數(shù)據(jù)反饋和非周期性的變流器中電力電子器件開關(guān)量控制數(shù)據(jù)，本例中可以采用中斷方式進(jìn)行，程序流程如圖4所示，當(dāng)F2812控制器完成初始化之后，系統(tǒng)進(jìn)入周期性運(yùn)行狀態(tài)，等待EtherCAT幀的到來。當(dāng)數(shù)據(jù)幀到達(dá)ETl100從站控制器之后，向F2812發(fā)出中斷，DSP響應(yīng)中斷讀取從站控制器中的指令數(shù)據(jù)，并且把反饋狀態(tài)數(shù)據(jù)寫入到從站控制器中，完成一次數(shù)據(jù)的交互。DSP得到來自ET1100的指令數(shù)據(jù)之后，進(jìn)行解碼，并把解碼得到控制數(shù)據(jù)送到變流器的控制程序中去，變流器控制程序根據(jù)控制要求完成控制策略，并輸出電力電子器件開關(guān)的驅(qū)動信號，完成變流過程。

3 結(jié)語

機(jī)組主控制系統(tǒng)在并網(wǎng)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，它具有協(xié)調(diào)機(jī)組變流，槳距偏航系統(tǒng)，制動系統(tǒng)等各部分之間的通訊和對機(jī)組狀態(tài)的監(jiān)控功能，基于工業(yè)以太網(wǎng)的風(fēng)電機(jī)組主控系統(tǒng)以高度的實(shí)時(shí)性和良好的數(shù)據(jù)處理能力得到越來越多的應(yīng)用，文章引入EtherCAT以太網(wǎng)控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于EtherCAT技術(shù)的風(fēng)電機(jī)組主控系統(tǒng)，并以主控制器和變流器控制為例，EtherCAT系統(tǒng)進(jìn)行了硬件和軟件的設(shè)計(jì)，為EtherCAT技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用提供參考。

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