具有通信功能的風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

丁衛(wèi)忠,潘再平

(浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院,浙江杭州 310027)

具有通信功能的風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

丁衛(wèi)忠,潘再平

(浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院,浙江杭州 310027)

基于微網(wǎng)的特點(diǎn)和智能電網(wǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的要求,在搭建風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于CAN總線和Modbus協(xié)議的通信系統(tǒng)并應(yīng)用于該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。介紹了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件組成和軟件設(shè)計(jì),詳細(xì)地闡述了該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)和工作原理。為了測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能及可靠性,以三相并網(wǎng)逆變器預(yù)測(cè)直接功率控制實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行了驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明,以觸摸屏為上位機(jī)的該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可靠性較高,擴(kuò)展性較好,可方便地實(shí)現(xiàn)多種功能。

風(fēng)力發(fā)電;微網(wǎng);通信系統(tǒng);CAN總線;Modbus協(xié)議

微網(wǎng)是一個(gè)由負(fù)載和分布式電源組成的獨(dú)立可控系統(tǒng),對(duì)當(dāng)?shù)靥峁╇娔芎蜔崮?。微網(wǎng)內(nèi)部的電源主要由電力電子器件負(fù)責(zé)能量的轉(zhuǎn)換,并提供必需的控制,相對(duì)于外部大電網(wǎng)變現(xiàn)為單一的受控單元[1-2]。當(dāng)負(fù)載為電網(wǎng)時(shí),即構(gòu)成并網(wǎng)系統(tǒng),可以滿足外部輸配電網(wǎng)絡(luò)的需求。

作為智能電網(wǎng)信息系統(tǒng)的重要技術(shù)支撐,網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)貫穿于輸電、變電、配電、調(diào)度等電網(wǎng)環(huán)節(jié),不僅是智能電網(wǎng)數(shù)字化、信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化的基礎(chǔ)和關(guān)鍵,而且是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)電力流和信息流統(tǒng)一、融合的技術(shù)手段,為智能電網(wǎng)信息交換與互操作等提供了平臺(tái)支持[3-5]。

本文基于一臺(tái)三相60極永磁同步發(fā)電機(jī),并以變頻器驅(qū)動(dòng)原動(dòng)機(jī)來(lái)模擬風(fēng)力機(jī),搭建了一套風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。同時(shí)以觸摸屏為上位機(jī),設(shè)計(jì)了一套基于CAN總線和Modbus協(xié)議的通信系統(tǒng),并應(yīng)用于該實(shí)驗(yàn)平臺(tái),能夠測(cè)試不同控制算法的可行性,并簡(jiǎn)單直觀地發(fā)送控制指令和實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)數(shù)據(jù)和狀態(tài),為永磁同步電機(jī)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和相關(guān)研究提供了硬件平臺(tái),具有很好的實(shí)踐意義。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)見圖1,硬件部分主要有變頻器、原動(dòng)機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)PMSG、背靠背雙PWM變流器、機(jī)側(cè)變流器控制板、網(wǎng)側(cè)變流器控制板、通信板、觸摸屏以及電壓電流傳感器、轉(zhuǎn)速編碼盤等。軟件部分主要包括雙PWM變流器的控制算法,通信板與變流器控制板之間的通信,觸摸屏與通信板之間的通信。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以觸摸屏作為上位機(jī),發(fā)出系統(tǒng)的控制指令,并顯示系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和狀態(tài);通信板作為通信系統(tǒng)的中樞,向雙PWM變流器控制板發(fā)送基于CAN總線的控制信號(hào)[6-8],并返回相應(yīng)的應(yīng)答信號(hào),同時(shí)與觸摸屏之間通過(guò)RS485接口電路進(jìn)行串行通信,從觸摸屏接收基于Modbus協(xié)議的控制信號(hào),并實(shí)時(shí)地返回系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)[9];雙PWM變流器控制板之間也可以進(jìn)行CAN信號(hào)的相互傳輸。最后,所有的控制指令將到達(dá)雙PWM變流器的控制板參與控制算法的執(zhí)行,直接影響實(shí)驗(yàn)的最終結(jié)果。不同的控制算法可以設(shè)計(jì)不同的控制指令以及需要顯示的不同數(shù)據(jù)和狀態(tài)。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要硬件

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主要控制器為TI公司的TMS320F28335 DSP芯片。該DSP芯片包含6個(gè)ePWM模塊,每個(gè)ePWM模塊可以輸出兩路PWM信號(hào),且每個(gè)ePWM模塊都能產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的中斷,這對(duì)控制算法的執(zhí)行提供了極大的方便。該DSP芯片還具有2個(gè)增強(qiáng)型控制器局域網(wǎng)(eCAN)模塊,分別為eCAN-A和eCAN-B模塊,支持CAN2.0B協(xié)議,每個(gè)eCAN模塊有32個(gè)郵箱,可根據(jù)需要配置成發(fā)送郵箱或者接收郵箱。該DSP芯片包括3個(gè)串行通信接口(SCI)模塊,分別為SCI-A、SCI-B、SCI-C模塊。為了保證數(shù)據(jù)的完整性,SCI在中斷檢測(cè)、奇偶校驗(yàn)、超載和組幀錯(cuò)誤方面對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查。

變流器控制板如圖2所示,主要包括DSP引腳配置電路以及隔離收發(fā)器、電平轉(zhuǎn)換電路、采樣電路、信號(hào)調(diào)理電路、PWM驅(qū)動(dòng)電路等。

圖2 變流器控制板

通信板如圖3所示,主要包括DSP引腳配置電路以及隔離收發(fā)器、電平轉(zhuǎn)換電路、CAN通信電路、RS485串口通信電路等

CAN通信電路采用CTM1050T高速CAN隔離收發(fā)器作為核心,該芯片具有DC 2 500 V的隔離功能以及ESD保護(hù)作用,至少可連接110個(gè)節(jié)點(diǎn),通信速率最高達(dá)1 Mbit/s,使得實(shí)時(shí)控制變得非常容易。同時(shí),硬件的錯(cuò)誤檢定特性也增強(qiáng)了CAN的抗電磁干擾能力。

圖3 通信板

RS485串口通信電路其核心芯片為ADM2483BRTW,該芯片為半雙工隔離的RS485收發(fā)器,收發(fā)速度達(dá)500 kbit/s。

觸摸屏采用HITECH公司的PWS6800C-P,采用24 V直流電壓供電,擁有4 MB內(nèi)存和512 KB RAM。

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)包括雙PWM變流器控制板的DSP控制程序、通信板的DSP控制程序和觸摸屏的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)。DSP控制程序基于TI公司提供的編程工具Code Composer Studio(CCS)和C/ C＋＋語(yǔ)言,具有較好的可讀性和通用性,利于系統(tǒng)的改進(jìn)維護(hù)。人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)基于HITECH公司提供的模塊化設(shè)計(jì)軟件ADP,在電腦屏幕上能看到畫面設(shè)計(jì)的實(shí)際效果,非常直觀方便。系統(tǒng)的DSP控制程序結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 系統(tǒng)的DSP控制程序結(jié)構(gòu)

雙PWM變流器控制板的DSP控制程序主要包括初始化程序、主程序和一個(gè)中斷服務(wù)子程序。其中CAN通信程序置于主程序的for循環(huán)中,下層板的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和狀態(tài)不斷地傳送到通信板中進(jìn)行更新,同時(shí)通信板的控制指令不斷地傳輸?shù)较聦影?對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。不同的控制算法在中斷程序中執(zhí)行,可根據(jù)不同的需求設(shè)計(jì)出不同的控制算法,從而實(shí)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能的多樣化。

通信板的DSP控制程序主要包括初始化程序、主程序和若干中斷子程序。其中基于Modbus協(xié)議的SCI發(fā)送程序置于主程序的for循環(huán)中,不斷地向觸摸屏發(fā)送實(shí)時(shí)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)。中斷子程序包含定時(shí)器中斷、SCI接收中斷和eCAN中斷,分別定時(shí)地從下層板讀取系統(tǒng)的關(guān)鍵數(shù)據(jù),從觸摸屏不斷地接收系統(tǒng)控制指令,不斷地更新來(lái)自下層板的系統(tǒng)數(shù)據(jù),同時(shí)向下層板更新控制指令。

4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能及測(cè)試

4.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能

根據(jù)上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,搭建了一套具有通信功能的風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。表1所示為主要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備參數(shù)。

表1 主要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備參數(shù)

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)多種功能,如三相并網(wǎng)逆變器的直接功率控制實(shí)驗(yàn)、矢量控制實(shí)驗(yàn)、直接轉(zhuǎn)矩控制實(shí)驗(yàn)等。可根據(jù)不同的需求設(shè)計(jì)出不同的驅(qū)動(dòng)控制程序、不同的通信控制程序以及人機(jī)交互界面,從而實(shí)現(xiàn)不同的功能。

三相并網(wǎng)逆變器的直接功率控制實(shí)驗(yàn)包括傳統(tǒng)的查表直接功率控制和預(yù)測(cè)直接功率控制實(shí)驗(yàn),可實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的解耦控制和快速調(diào)節(jié)[10-12]。通過(guò)對(duì)機(jī)側(cè)變流器的控制可產(chǎn)生恒定的直流母線電壓,在此基礎(chǔ)上對(duì)網(wǎng)側(cè)變流器進(jìn)行直接功率控制即可實(shí)現(xiàn)對(duì)向電網(wǎng)傳輸電能多少的直接控制,同時(shí)可對(duì)比研究?jī)煞N控制算法的特點(diǎn),加深對(duì)直接功率控制算法的認(rèn)識(shí)。

三相并網(wǎng)逆變器的矢量控制實(shí)驗(yàn)可實(shí)現(xiàn)逆變器的可靠并網(wǎng)及功率的調(diào)節(jié)。在恒定的直流母線電壓基礎(chǔ)上,對(duì)并網(wǎng)前的逆變器輸出電壓進(jìn)行鎖相環(huán)控制,使之達(dá)到并網(wǎng)要求,同時(shí)對(duì)逆變器輸出交流電流進(jìn)行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換,將交流量轉(zhuǎn)換為直流量控制,通過(guò)控制對(duì)應(yīng)電流即可達(dá)到控制對(duì)應(yīng)功率的目的,理解和掌握并網(wǎng)技術(shù)和矢量控制技術(shù)。

4.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試

以三相并網(wǎng)逆變器的預(yù)測(cè)直接功率控制為例對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試。

為了實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)的轉(zhuǎn)換,即只向電網(wǎng)輸入有功功率,本實(shí)驗(yàn)有功功率給定值取為600 W,無(wú)功功率給定值取為0 var,同時(shí)濾波電感選為14 m H,采樣周期選為100μs。

觸摸屏的人機(jī)界面如圖5所示,既能在界面上輸入功率的給定值,又能顯示系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)。AB線電壓和B相電流如圖6所示,圖7所示為有功和無(wú)功功率的趨勢(shì)圖。結(jié)果表明,該通信系統(tǒng)能夠可靠地控制和顯示,同時(shí)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)功率的解耦跟蹤控制,動(dòng)靜態(tài)性能良好。

圖5 觸摸屏界面圖

圖6 AB線電壓和B相電流

圖7 有功功率和無(wú)功功率的趨勢(shì)圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在搭建了一套風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一套基于CAN總線和Modbus協(xié)議的通信系統(tǒng),并把它應(yīng)用到該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中。通過(guò)設(shè)計(jì)不同的控制算法、通信控制程序以及人機(jī)交互界面,可實(shí)現(xiàn)不同的功能。最后以并網(wǎng)逆變器的預(yù)測(cè)直接功率控制為例,驗(yàn)證了平臺(tái)功能的可靠性,為擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)表明,加入該通信系統(tǒng)后的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),更加直觀明了,操作更加簡(jiǎn)單方便,更加容易集成為成套裝置以應(yīng)用于工業(yè)控制。此外,還可在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上,加入儲(chǔ)能環(huán)節(jié),構(gòu)成為本地負(fù)載供電的微網(wǎng),為離網(wǎng)運(yùn)行的相關(guān)研究做好準(zhǔn)備。

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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

國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目(2011AA050204)

丁衛(wèi)忠(1989—),男,浙江寧波,碩士,研究方向?yàn)榉植际桨l(fā)電及其控制技術(shù)

E-mail:weizhong.ding＠163.com

潘再平(1957—),男,浙江臺(tái)州,教授,研究方向?yàn)殡姍C(jī)系統(tǒng)及其控制、電力電子技術(shù)應(yīng)用和新能源發(fā)電技術(shù).

E-mail:panzaiping＠zju.edu.cn