談基于DSP的風力發電機主控制器系統設計

祁巖

摘 要：本文基于風力發電機控制系統的發展現狀，探討基于DSP的風力發電機主控器系統的設計情況，提出設計方案，并對軟硬件設計進行具體論述，以保證通信方案的可行性，促進遠程控制的順利實現，確保基于DSP的風力發電機主控制器系統具有良好的穩定性，最大程度上滿足風力發電機運行的綜合需求。

關鍵詞：DSP；風力發電機；主控器系統；通信方案

現代社會經濟發展形勢下，城市現代化建設進程不斷加快，對能源的需求力度也明顯加大。以煤、石油、天燃氣為主的常規能源數量有限，并且對環境污染比較嚴重，無法滿足社會可持續發展理念的多元需求。而風能資源作為一種新型無污染、可再生能源，逐漸受到社會的高度重視。但就風能資源的實際應用情況來看，其風速與風向的穩定性不足，長期保持無人值守的運行狀態，對風力發電機組的適應性提出了嚴格的要求。此種情況下，加大力度探討基于DSP的風力發電機主控制器系統設計相關問題，對于風力發電機組控制技術的科學化應用具有重要意義。

1 風力發電機組控制技術

風力發電機組控制技術是風電機組運行中的關鍵技術，主要包含中心控制技術、偏航控制技術、并網技術以及變槳距控制技術等。風力發電機組控制技術的合理應用，能夠為風力發電機組的安全可靠運行提供可靠保證，從而推進風力發電機產業的健康持續發展。就分紅利發電機組的運行情況來看，控制器是保證整個機組運行的重要條件，控制技術作為機組運行中的重要技術，在保證大型風力發電機組自主開發能力的提升以及降低機組成本上發揮著獨特作用，進一步提高風力發電機組的國產化率，為風能資源的優化利用打下良好的基礎。

2 風力發電控制系統的發展現狀

現代風力發電崛起于20世紀八九十年代，已取得了飛速的進展。從控制系統的實現來說，由19世紀末第一臺現代風力發電機組在丹麥誕生，到20世紀80年代初，風力發電機組控制系統得以實現。到了20世紀80年代中后期，隨著計算機技術的發展及其在控制領域的應用，出現了基于微處理器的風力發電機組控制系統。步入20世紀90年代，風力發電機組的控制系統往往采用基于單片機或可編程控制器的微機控制。

3 風力發電機控制系統設計

風力發電機控制系統與大部分測控系統相類似，主要是通過測量裝置獲取輸入參數，在執行控制算法的基礎上，做出控制決策，并依照控制決策啟動設備，以保證系統控制的規范有序開展。在風力發電機控制系統中，主控系統將單個分散測量和控制設備變為網絡節點后，將基本控制、參數修改以及監控等功能分散至節點中，以光纖對信號進行穩定傳輸，以促進信號干擾問題的妥善解決。風力發電機控制系統的整體硬件結構如圖1所示。

通過對圖1進行觀察和分析可知，塔底主控制器是系統的核心環節，基于光纖實現實時通信，為遠程監控機提供通信接口，以保證風力發電機狀態監控等操作的順利實現。機艙從控制器的主要功能是采集溫度、風速和風向等信號，對風機葉片進行合理控制，確保風力發電機的偏航等功能的順利實現。光纖模塊作為主控制器與從控制器之間傳輸的重要平臺，保證數據參數的穩定精準傳輸。

3.1 主控制器系統的硬件設計

3.1.1 設計原則。由于風力發電機對數據的采樣要求極高，要求每20ms對風速、溫度等參數進行一次采樣，這就要求在硬件設計時，必須使CPU的處理速度能滿足這個要求。各個控制器節點的數據量大、交互復雜，要求數據間的通信要實時、準確。由于整個主控制器系統模塊多、功能復雜，所以在硬件設計時要著重避免模塊間及模塊內部各種信號的衰減和干擾。由于主控系統硬件設計較復雜，為了保證后期更好地調試、維護，因此在設計硬件電路時要充分考慮各個顯示、調試等功能。

3.1.2 主控系統硬件設計。本研究采用以TI公司的TMS320C6713芯片為核心CPU進行擴展搭建主控制器系統的硬件平臺，硬件結構如圖2所示。根據需求，外圍需擴展的功能模塊主要由TCP/IP通訊節點模塊、CAN轉光纖模塊、文件管理模塊、調試模塊、顯示模塊、電源模塊組成。

3.2 主控制器系統的軟件設計

3.2.1 主控制器系統軟件平臺。主控制器系統的軟件設計主要包括對DSP主控芯片內部應用程序的編寫和主控制器驅動程序的編寫。在主控制器的軟件設計中，選擇TI公司自主開發的CCS5.3為軟件開發平臺，它具有嵌入式系統的任務調度與管理功能，能使整個系統穩定可靠地運行，而且支持C、C++編程，提供了經過匯編手工優化的數字信號處理庫。

3.2.2 主控制器系統。PC端應用程序設計PC端應用程序主要實現3個功能：程序功能界面、與主控制器系統通信、處理相關信息。

應用程序界面設計包括登錄界面和功能界面。功能界面包括主頁、設備控制、顯示設置、報警設置、系統設置、數據存儲及報表生成、數據庫設置。（1）主頁主要顯示當前風力發電機的狀態及運行的曲線圖；（2）設備控制主要根據系統通信協議，對控制器下發工藝參數進行控制；（3）顯示設置主要是對當前測試數據的曲線的設置，包括曲線顏色設置、測量范圍的設置、是否隱藏曲線的設置；（4）報警設置主要設置報警上限或下限值；（5）系統設置主要包括設置一些用戶權限；（6）數據存儲及報表生成設置主要對采集數據的路徑、名稱及報表格式進行設置；（7）數據庫設置主要設置數據的查詢。

4 實驗結果

在PC端安裝軟件并搭建主控制器平臺后，PC端能夠將控制風力發電機工藝參數進行準確下發，并對顯示運行的電流、電壓、轉速、輸入功率以及效率等相關數據指標進行準確接收，實際應用穩定性強。該系統能夠將所測試的實驗數據描繪為功能曲線并進行妥善保存，為客戶分析風機運行情況提供可靠的數據支持。實驗結果表明，該系統測試合格，運行穩定性極佳。

5 結論

通過以上研究可知，基于DSP的風力發電機主控制器系統具有良好的應用價值，將其應用于1.5MW級風力發電機組上，最大程度上滿足了風力發電機組運行的多項功能指標，機組運行穩定性強，具備實時監控風力發電機運行的功能和信息數據處理功能。基于DSP的風力發電機主控制器系統在操作過程中的便捷程度較高，一定程度上增強了系統兼容性，運行效果優良，但在功能上仍具備一定改進空間。

參考文獻

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