面向工程需求的風力發電實踐教學平臺的開發

張 強， 張敬南

(哈爾濱工程大學 自動化學院，哈爾濱 150001)

0 引 言

伴隨著風力發電技術的推廣和應用，與其相關的生產、制造等產業也獲得了迅猛發展，并成為當前大學生就業的熱門。在風力發電技術領域，企業急需工程知識基礎扎實且具備一定創新意識和能力的專業人才。因此需要高校的相關專業在風力發電技術方面，加強對在校學生的培養與鍛煉，使之畢業后能夠具備相關的工程實踐和創新能力。由于現有的各種風力發電裝置不僅造價昂貴，而且不具備為學生開設實驗的功能，因此一些高校開始自主研制相關的實驗裝置以滿足實際需求[1-15]。但是受到硬件和軟件結構復雜等因素的制約，這些實驗裝置的可操作性和功能拓展性受到了限制，往往只能進行規定內容實驗或演示性操作。為了能夠面向風力發電的實際工程需求，增強學生對相關工程技術的分析、設計、解決、創新能力，本文以原有的科研成果——低頻逆變器和直流可調電壓源為基礎，通過對硬件電路和軟件程序采用模塊化改造和開放式設計等措施，開發出了能夠為大學生相應工程能力鍛煉提供有效支撐的實踐教學平臺。

1 總體方案設計

為了確保實踐教學平臺具有良好的可操作性和功能拓展能力，在平臺的總體設計上采用了模塊化、開放式的設計方法。

模塊化是指在硬件電路和軟件程序的設計中，以功能為依據來劃分成為多個不同的電路模塊和程序模塊：電路模塊之間具有明確的硬件接口定義，例如I/O通道數及其電平幅值、A/D通道數及其電壓變化范圍等；而程序模塊之間依靠全局變量實現橫、縱聯系，構成完整的程序框架。無論是電路模塊還是程序模塊，只要能實現指定的功能，滿足接口需求，其內部的具體設計和實現方式可靈活選擇或自主設計。

開放式是指在硬件電路和軟件程序的設計中，每一個模塊所涉及的電路參數或程序代碼都是對外公開的，參與的學生可以根據需要對其進行修改和調試，并且也可以在原有的總體結構中加入新的功能模塊，以提升平臺的總體性能。

基于以上設計思想，所開發的雙饋風力發電實踐教學平臺主要由風力機模擬系統、雙饋風力發電機系統和上位機等3個主要部分組成，其總體結構框圖如圖1所示。風力機模擬系統主要是用來替代實際的風力機和變速箱，實現對風速變化的有效模擬，具體包括調速電機和調速控制裝置；雙饋風力發電機系統由雙饋發電機和發電控制裝置構成，當風速(即發電機的轉子轉速)變化時，通過對勵磁電流的控制實現變速恒頻發電運行；上位機主要是實現人機對話功能，實驗人員可通過上位機對風力機模擬系統和雙饋風力發電機系統的運行狀態予以調節、控制，并獲得運行的相關數據。

圖1 總體結構框圖

在原始設計方案(即平臺所提供的，能夠實現基本功能的設計方案)中，調速電動機選用的是額定功率為2.8 kW、額定電壓220 V、額定轉速1 500 r/min的他勵直流電動機；雙饋發電機利用三相繞線式異步電動機替代，其功率等級和轉速與調速電機相匹配；上位機選用臺式計算機，利用串行總線實現數據通信。

2 調速控制裝置設計

(1)調速主電路設計。調速主電路以原有的直流可調電壓源為核心，采用單相全橋整流接濾波電容得到300 V左右直流電壓，再經過BUCK式DC-DC變換電路得到0～280 V輸出連續可調直流電壓。BUCK電路中的電力電子器件為IGBT(原始設計中具體型號為BSM100GB120DN2)，濾波電感值選為5 mH，濾波電容值為470 μF。

(2)調速控制電路設計。調速控制電路主要由處理器電路模塊、驅動電路模塊、信號檢測電路模塊等構成：①處理器電路模塊通過對調速電機運行狀態的檢測，利用具體的控制算法生成BUCK電路中IGBT的驅動信號，同時完成與上位機的數據通信。因此要求處理器電路必須具備多路高精度A/D和I/O接口，擁有快速的數據處理能力，同時具有一種或幾種數據總線，在原始設計中選用了美國德州儀器公司生產的32位浮點DSP芯片TMS320F28335作為中央處理器，此外ARM模塊或高性能的單片機系統都可以作為備選方案；②驅動電路模塊用于對處理器電路模塊輸出的驅動信號進行電氣隔離和功率放大，該電路模塊需對外提供至少1路數字信號輸入通道和1路功率信號輸出通道。驅動電路可以利用光耦和分立器件搭建，進而鍛煉學生的電路設計和調試能力，也可以為了提高運行安全和可靠性而直接選用現有的集成電路。原始設計選用了集成驅動電路M57962L輔以相應的外圍電路的方案；③信號檢測電路模塊中首先包含有調速電動機轉速檢測電路，用以將調速電動機的轉速信號反饋給處理器，原始設計中采用光電碼盤(MK8030G-1024BM-T5)作為速度傳感器，光電碼盤輸出的脈沖信號經過電平轉換處理后，送至處理器的高速I/O口，此外測速電動機、霍爾式位置傳感器也可以用于電動機的轉速測量；其次考慮到電動機轉速控制策略的需求，信號檢測電路模塊中還應包含有電流檢測電路，進而對電動機的電樞電流進行檢測形成電流閉環控制，原始設計中采用霍爾式電流傳感器實現對電流的高精度采集。該電路模塊與處理器電路模塊之間至少需要1路高速I/O通道和1路A/D通道。

3 發電控制裝置設計

發電控制裝置主要由發電機勵磁主電路和發電機控制電路構成。

(1)發電機勵磁主電路設計。雙饋風力發電機的轉子側勵磁主電路以原有的低頻逆變器為核心，具體為背靠背式AC-DC-AC電力變換電路，其中的網側變換器和轉子側變換器的結構完全相同，均為三相三橋臂拓撲結構，原始設計中電力電子器件選用的是三菱公司的IPM智能功率模塊(型號為PM100CSA060)，與其他功率開關器件相比，IPM具有開關速度快、開關功耗低、抗干擾能力強和硬件電路設計簡單等優點，可有效地提高主電路的運行可靠性。

(2)發電機控制電路設計。與調速控制電路相似，發電機控制電路也主要由處理器電路模塊、驅動電路模塊、信號檢測電路模塊等構成：①由于發電控制需要采集的運行數據和生成的PWM信號數量較多，因此對處理器電路模塊的硬件資源數量和性能也提出了更高的要求，原始設計中考慮到與調速控制電路的通用性，故仍選用了DSP芯片TMS320F28335作為中央處理器；②驅動電路模塊，無論是網側變換器還是轉子側變換器都需要對外提供6路數字信號輸入通道和6路功率信號輸出通道，在電路模塊內部除了要實現電氣隔離和功率放大功能外，最重要的是要避免橋臂的上下直通故障，因此需要具備直通故障保護電路。在原始設計中，采取了如圖2所示的互鎖保護電路，同一橋臂的上橋臂導通信號EPWM1A和下橋臂通信號EPWM1B經過電氣隔離和邏輯互鎖處理后，生成對應的PWM1A和PWM1B信號，才最終送至IPM模塊的對應驅動輸入引腳。當EPWM1A和EPWM1B信號同時為“1”時，對應的PWM1A和PWM1B信號會同時為“0”，因此可以有效防止橋臂上下直通故障的發生；③檢測電路模塊，主要由電壓和電流檢測電路構成，用以分別實現對交流電壓、電流信號的實時采樣。由于傳感器模塊輸出的是雙極性模擬信號，而DSP的AD轉換單元只能處理0～3 V單極性的電壓信號，所以需要利用現有的各種運算放大電路對傳感器輸出信號進行比例調整、電壓提升(即加法電路)、電壓限幅等操作。原始設計中傳感器采用了萊姆公司的電壓霍爾傳感器(LV25-P)和電流霍爾傳感器(LA55-P)。

圖2 IGBT驅動脈沖互鎖電路

4 控制軟件設計

調速控制裝置和發電控制裝置的控制程序都是由主程序和中斷子程序構成，為了便于實驗人員的操作和開發，兩者的主程序和中斷子程序的流程圖基本一致，如圖3所示。

(a)主程序流程圖(b)中斷子程序流程圖

主程序由初始化程序模塊、通信程序模塊等構成。其中初始化程序模塊主要完成系統時鐘、中斷寄存器等基本設置，以及I/O、A/D等硬件資源的配置。通信程序模塊用于實現處理器與上位機之間的數據交換，處理器從上位機獲得指令，進而調節運行狀態，同時將采集到的運行數據傳遞給上位機。

中斷子程序由A/D采集程序模塊、數據濾波程序模塊、軟件保護程序模塊、控制算法程序模塊等構成。A/D采集程序模塊用于對主電路的運行狀態數據進行采集，對于調速控制裝置，這些數據包括調速電動機的電樞電流、轉速等信息；對于發電控制裝置，這些數據包括轉子側的勵磁電流、直流母線電壓和定子側輸出電壓等信息。數據濾波程序模塊是對采集到的各種數據進行濾波，以消除高次諧波和干擾信號。軟件保護程序模塊通過對采集到的運行數據進行分析，判斷是否有過壓、過流等狀態的發生，如果會危及到安全運行，則立即封鎖PWM信號并退出中斷，否則正常執行后續程序。控制算法程序模塊根據采集到的運行數據，利用具體的算法實現閉環控制：調速控制裝置的控制目標是電動機的轉速，一般多采用轉速、電流雙閉環控制；發電控制裝置的控制目標是變速恒頻發電運行，因此可利用輸出電壓、勵磁電流等信息構成閉環控制。

5 實驗驗證

根據上述設計方案，經過對原有低頻逆變器和直流可調電壓源的硬件和軟件進行改造和重新編程，開發出的雙饋風力發電實踐教學平臺各組成部分的實物照片如圖4所示。

在實驗過程中，參與實驗的學生創新團隊編寫了以PI控制器為核心的轉速、電流雙閉環調速控制策略，和以PR控制器為核心輔以SVPWM調制技術的發電控制策略，通過上位機向調速控制裝置發出調速指令改變電動機的轉速，發電控制裝置根據發電機輸出電壓參數的變化，自動調節雙饋發電機的勵磁電流，進而實現變速恒頻發電運行。圖5為模擬原動機轉速為1 425 r/min時，利用示波器觀察到的雙饋發電機轉子側勵磁電流波形(電流傳感器輸出波形)和定子側輸出電壓波形(利用兩個5 kΩ的電阻分壓檢測)。從波形中可以看出，此時轉子側勵磁電流的頻率為2.5 Hz，剛好為轉差頻率，進而確保了定子側輸出電壓頻率恒定在50 Hz，定子側輸出電壓有效值始終穩定在220 V左右。

(c)調速電動機和雙饋發電機

(a)勵磁電流波形

(b)發電機輸出電壓波形

由于所開發的平臺是利用三相繞線式異步電動機來替代實際的雙饋發電機，致使轉子側的諧波磁場對定子側輸出影響較大，在定子輸出電壓中形成高次諧波。這些諧波分量的存在，不利于實際分析和控制，因此學生創新團隊針對采集到的輸出電壓數據編寫了低通濾波程序模塊，并且將濾波前后的數據利用通信總線上傳至上位機，在上位機上觀察到的濾波前后輸出電壓波形如圖6所示。通過比較可以看出，在保證基波電壓不失真的前提下，高次電壓諧波得到了有效的濾除。

(a)濾波前輸出電壓波形

(b)濾波后輸出電壓波形

實驗結果表明，開發出的實踐教學平臺已經具備了對雙饋風力發電所涉及到的多項技術進行驗證，并驗證了模塊化、開放式設計的可行性和有效性。

6 結 語

開發出的雙饋風力發電實踐教學平臺，以原始設計方案所提供的軟、硬件為基礎，側重于對學生的工程能力、創新性思維和意識的鍛煉，即需要學生根據實際工程技術的具體需求，提出切實可行的設計方案，通過自己動手設計硬件、編寫程序、聯合調試，最終實現對相關技術的驗證、改進、開發乃至創新。同時依據該實踐教學平臺，學生在對技術可行性進行驗證的同時，還可以綜合考慮經濟性、可靠性等諸多因素，實現對解決復雜工程問題能力的培養和鍛煉。