具有通信功能的風力發電并網實驗平臺設計

丁衛忠,潘再平

(浙江大學電氣工程學院,浙江杭州 310027)

具有通信功能的風力發電并網實驗平臺設計

丁衛忠,潘再平

(浙江大學電氣工程學院,浙江杭州 310027)

基于微網的特點和智能電網對網絡通信技術的要求,在搭建風力發電并網實驗平臺的基礎上設計了基于CAN總線和Modbus協議的通信系統并應用于該實驗平臺。介紹了實驗平臺的硬件組成和軟件設計,詳細地闡述了該實驗平臺的結構和工作原理。為了測試實驗平臺的功能及可靠性,以三相并網逆變器預測直接功率控制實驗為例進行了驗證。驗證結果表明,以觸摸屏為上位機的該實驗平臺可靠性較高,擴展性較好,可方便地實現多種功能。

風力發電;微網;通信系統;CAN總線;Modbus協議

微網是一個由負載和分布式電源組成的獨立可控系統,對當地提供電能和熱能。微網內部的電源主要由電力電子器件負責能量的轉換,并提供必需的控制,相對于外部大電網變現為單一的受控單元[1-2]。當負載為電網時,即構成并網系統,可以滿足外部輸配電網絡的需求。

作為智能電網信息系統的重要技術支撐,網絡通信技術貫穿于輸電、變電、配電、調度等電網環節,不僅是智能電網數字化、信息化、自動化、互動化的基礎和關鍵,而且是實現智能電網電力流和信息流統一、融合的技術手段,為智能電網信息交換與互操作等提供了平臺支持[3-5]。

本文基于一臺三相60極永磁同步發電機,并以變頻器驅動原動機來模擬風力機,搭建了一套風力發電并網實驗平臺。同時以觸摸屏為上位機,設計了一套基于CAN總線和Modbus協議的通信系統,并應用于該實驗平臺,能夠測試不同控制算法的可行性,并簡單直觀地發送控制指令和實時顯示系統數據和狀態,為永磁同步電機的實驗教學和相關研究提供了硬件平臺,具有很好的實踐意義。

1 實驗平臺總體結構

實驗平臺總體結構見圖1,硬件部分主要有變頻器、原動機、永磁同步發電機PMSG、背靠背雙PWM變流器、機側變流器控制板、網側變流器控制板、通信板、觸摸屏以及電壓電流傳感器、轉速編碼盤等。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 實驗平臺總體結構

該實驗平臺以觸摸屏作為上位機,發出系統的控制指令,并顯示系統的實時數據和狀態;通信板作為通信系統的中樞,向雙PWM變流器控制板發送基于CAN總線的控制信號[6-8],并返回相應的應答信號,同時與觸摸屏之間通過RS485接口電路進行串行通信,從觸摸屏接收基于Modbus協議的控制信號,并實時地返回系統的數據和狀態[9];雙PWM變流器控制板之間也可以進行CAN信號的相互傳輸。最后,所有的控制指令將到達雙PWM變流器的控制板參與控制算法的執行,直接影響實驗的最終結果。不同的控制算法可以設計不同的控制指令以及需要顯示的不同數據和狀態。

2 實驗平臺主要硬件

實驗平臺的主要控制器為TI公司的TMS320F28335 DSP芯片。該DSP芯片包含6個ePWM模塊,每個ePWM模塊可以輸出兩路PWM信號,且每個ePWM模塊都能產生對應的中斷,這對控制算法的執行提供了極大的方便。該DSP芯片還具有2個增強型控制器局域網(eCAN)模塊,分別為eCAN-A和eCAN-B模塊,支持CAN2.0B協議,每個eCAN模塊有32個郵箱,可根據需要配置成發送郵箱或者接收郵箱。該DSP芯片包括3個串行通信接口(SCI)模塊,分別為SCI-A、SCI-B、SCI-C模塊。為了保證數據的完整性,SCI在中斷檢測、奇偶校驗、超載和組幀錯誤方面對接收到的數據進行檢查。

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器、電平轉換電路、采樣電路、信號調理電路、PWM驅動電路等。

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器、電平轉換電路、CAN通信電路、RS485串口通信電路等

CAN通信電路采用CTM1050T高速CAN隔離收發器作為核心,該芯片具有DC 2 500 V的隔離功能以及ESD保護作用,至少可連接110個節點,通信速率最高達1 Mbit/s,使得實時控制變得非常容易。同時,硬件的錯誤檢定特性也增強了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收發器,收發速度達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內存和512 KB RAM。

3 實驗平臺軟件設計

本實驗平臺的軟件設計包括雙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交互界面設計。DSP控制程序基于TI公司提供的編程工具Code Composer Studio(CCS)和C/ C＋＋語言,具有較好的可讀性和通用性,利于系統的改進維護。人機交互界面設計基于HITECH公司提供的模塊化設計軟件ADP,在電腦屏幕上能看到畫面設計的實際效果,非常直觀方便。系統的DSP控制程序結構見圖4。

圖4 系統的DSP控制程序結構

雙PWM變流器控制板的DSP控制程序主要包括初始化程序、主程序和一個中斷服務子程序。其中CAN通信程序置于主程序的for循環中,下層板的實時數據和狀態不斷地傳送到通信板中進行更新,同時通信板的控制指令不斷地傳輸到下層板,對系統進行實時控制。不同的控制算法在中斷程序中執行,可根據不同的需求設計出不同的控制算法,從而實現本實驗平臺功能的多樣化。

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協議的SCI發送程序置于主程序的for循環中,不斷地向觸摸屏發送實時的系統數據。中斷子程序包含定時器中斷、SCI接收中斷和eCAN中斷,分別定時地從下層板讀取系統的關鍵數據,從觸摸屏不斷地接收系統控制指令,不斷地更新來自下層板的系統數據,同時向下層板更新控制指令。

4 實驗平臺功能及測試

4.1 實驗平臺功能

根據上述系統設計方案,搭建了一套具有通信功能的風力發電并網實驗平臺。表1所示為主要的實驗設備參數。

表1 主要的實驗設備參數

該實驗平臺可以實現多種功能,如三相并網逆變器的直接功率控制實驗、矢量控制實驗、直接轉矩控制實驗等?？筛鶕煌男枨笤O計出不同的驅動控制程序、不同的通信控制程序以及人機交互界面,從而實現不同的功能。

三相并網逆變器的直接功率控制實驗包括傳統的查表直接功率控制和預測直接功率控制實驗,可實現對功率的解耦控制和快速調節[10-12]。通過對機側變流器的控制可產生恒定的直流母線電壓,在此基礎上對網側變流器進行直接功率控制即可實現對向電網傳輸電能多少的直接控制,同時可對比研究兩種控制算法的特點,加深對直接功率控制算法的認識。

三相并網逆變器的矢量控制實驗可實現逆變器的可靠并網及功率的調節。在恒定的直流母線電壓基礎上,對并網前的逆變器輸出電壓進行鎖相環控制,使之達到并網要求,同時對逆變器輸出交流電流進行坐標旋轉變換,將交流量轉換為直流量控制,通過控制對應電流即可達到控制對應功率的目的,理解和掌握并網技術和矢量控制技術。

4.2 實驗平臺測試

以三相并網逆變器的預測直接功率控制為例對實驗平臺進行測試。

為了實現單位功率因數的轉換,即只向電網輸入有功功率,本實驗有功功率給定值取為600 W,無功功率給定值取為0 var,同時濾波電感選為14 m H,采樣周期選為100μs。

觸摸屏的人機界面如圖5所示,既能在界面上輸入功率的給定值,又能顯示系統的實時運行參數和狀態。AB線電壓和B相電流如圖6所示,圖7所示為有功和無功功率的趨勢圖。結果表明,該通信系統能夠可靠地控制和顯示,同時系統能實現功率的解耦跟蹤控制,動靜態性能良好。

圖5 觸摸屏界面圖

圖6 AB線電壓和B相電流

圖7 有功功率和無功功率的趨勢圖

5 結束語

本文在搭建了一套風力發電并網實驗平臺的基礎上,設計了一套基于CAN總線和Modbus協議的通信系統,并把它應用到該實驗平臺中。通過設計不同的控制算法、通信控制程序以及人機交互界面,可實現不同的功能。最后以并網逆變器的預測直接功率控制為例,驗證了平臺功能的可靠性,為擴展實驗平臺的功能打下了堅實的基礎。實驗表明,加入該通信系統后的實驗平臺相比傳統的實驗平臺,更加直觀明了,操作更加簡單方便,更加容易集成為成套裝置以應用于工業控制。此外,還可在現有實驗平臺的基礎上,加入儲能環節,構成為本地負載供電的微網,為離網運行的相關研究做好準備。

References)

[1]Lasseter R,Abbas A,Mamay C,et al.Integration of distributed energy resources:The CERTS MicroGrid Concept[R].California: Energy Commission,2003.

[2]張淳,潘再平.含逆變型分布式電源的微網控制策略研究[D].杭州:浙江大學,2013.

[3]王智東,陳俊威.適用于電力通信接入網的實驗裝置[J].實驗室研究與探索,2014,33(3):66-71.

[4]馬韜韜,李珂,朱少華,等.智能電網信息和通信技術關鍵問題探討[J].電力自動化設備,2010(5):87-91.

[5]苗新,張愷,田世明,等.支撐智能電網的信息通信體系[J].電網技術,2009(17):8-13.

[6]毛敏.CAN總線通訊在電梯控制系統中的應用[J].中國科技信息, 2007(6):101-102.

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[8]佟為明,林景波,金顯吉.CAN總線實驗系統在教學實踐中的應用[J].實驗技術與管理,2010,27(7):96-98.

[9]凌啟鑫.Modbus通信在PLC與觸摸屏系統中的應用[J].黑龍江科技信息,2013(23):161-162.

[10]王久和,李華德,王立明.電壓型PWM整流器直接功率控制系統[J].中國電機工程學報,2006,26(18):54-60.

[11]趙方平,楊勇,阮毅,等.三相并網逆變器直接功率控制和直接功率預測控制的對比[J].電工技術學報,2012,27(7):212-220.

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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

國家863計劃項目(2011AA050204)

丁衛忠(1989—),男,浙江寧波,碩士,研究方向為分布式發電及其控制技術

E-mail:weizhong.ding＠163.com

潘再平(1957—),男,浙江臺州,教授,研究方向為電機系統及其控制、電力電子技術應用和新能源發電技術.

E-mail:panzaiping＠zju.edu.cn