基于觀測器模型的海上風電機群干擾抑制系統設計

徐孝峰，劉勁堯，林圣輝，夏曙光

（1.華電（福建）風電有限公司，福建 福州 350000；2.中國華電集團有限公司福建分公司，福建 福州 350000）

海上風電機群在海上正常運行時，會受到海上 風力、壓力等較多外界因素的影響，并且海上風電機群需要直接驅動負載，在驅動負載以及受到較多外界因素影響時，各種干擾也會作用于海上風電機群，所以海上風電機群干擾抑制系統需要較好的抗干擾性能，海上風電機群的抗干擾性能會直接影響海上風電機群的帶負載能力、旋轉的精度以及風電機群的運行速度[1-2]。

為了提高海上風電機群的抗干擾能力，國內的許多專家、學者作過很多細致的研究，認為采用干擾觀測器模型可以有效消除海上風電機群受到的電磁設備等干擾，但除了電磁設備干擾之外，海上風電機群還會受到海風風力、壓力、船上電子設備的無線電干擾等。海上風電機群在受到不確定干擾時，干擾觀測器消除海上風電機群受到的干擾時不能達到對各種干擾的完全補償，并且海上風電機群干擾的程度較高，在調試、控制過程中存在一定的難度[3-5]?；谝陨铣霈F的問題，文中設計了基于觀測器模型的海上風電機群干擾抑制系統，構建海上風電機群干擾模型，該模型能夠有效消除海上風力、壓力、無線電設備等的干擾，從而可以實現對海上風電機群具體位置的準確跟蹤、控制。

1 基于觀測器模型的海上風電機群干擾抑制系統硬件設計

基于觀測器模型的海上風電機群干擾抑制系統硬件結構如圖1 所示。

圖1 海上風電機群干擾抑制系統硬件結構

1.1 單片機設計

基于觀測器模型的海上風電機群干擾抑制系統的單片機選用三星公司生產的最新SD64A21，該單片機內部設有8 kB 的高速轉換存儲器，該存儲器能夠簡單、快速存儲由采集器采集的信號數據，并且在編寫程序時使用方便，對高速轉換存儲器不需要進行外部編程，簡化了硬件系統的結構，并且該單片機功耗較低，具有6 通道10 位A/D 轉換器[6-8]。

單片機的外圍電路需要與內部設置的光電耦合器相連，外圍電路選用SIMENS 公司最新推出的SM4143 型驅動芯片，該款芯片可以有效驅動光電耦合器，外圍電路的供電電壓控制在8～12 V，電阻的最大值為6 Ω，外圍電路的工作電流控制在4～6 A，外圍電路的驅動芯片可為光電耦合器提供工作電流，耐壓最大值為30 V。外圍電路的驅動芯片內部設有一個集電極和一個二極管，所以在單片機內部設置光電耦合器時不需要在光電耦合器線圈上串聯集電極與二極管[9-10]。

1.2 電源電路設計

基于觀測器模型的海上風電機群干擾抑制系統硬件中的電源電路供電電壓為12 V，電源電壓具有范圍寬、穩定性好、準確度高等優點，電源電路的輸入電壓為3.3 V，電壓經過硬件系統芯片時可調節單片機的內部穩壓管，通過內部穩壓管的電壓為1.8 V，電流為1.2 A，電源電路通過電阻分壓可以產生2 V、3 V、4 V、5 V 共4 路信號，方便A/D 轉換器進行采樣。硬件中的單片機需要6 V供電，在電源電路中可添加濾波電容，這樣可有效減小電流[11-12]。電源電路如圖2所示。

圖2 電源電路

電源電路的集成芯片動態范圍較大，最高能夠達到50 dB，最大的線性失真在0.1%左右。為了使集成電路芯片具有較好的線性失真，可將電源的工作頻率調整到0.1，這時的電源轉換精度較高，內部的穩壓管數字分辨率最高達10 位，電源電路不需要再外接電路，必要時接入較少的器件就可以正常工作[13-14]。

1.3 采集器設計

海上風電機群干擾抑制系統硬件設備中的采集器芯片選用ST 公司最新推出的ST6396 采集芯片，該款采集芯片為10 位高速芯片，具有低功耗、準確度高的特點。數字分辨采用逼近式頻率調節器，供電電壓為1.8～3.3 V，采樣頻率最高可達2.5 MSPS，能夠有效保障采集回速變信號以及緩變信號。采集器的輸入信號電壓控制在1～8 V，設計采集器時需要使用運算放大器將電路放大，輸入信號的電壓變成1.8 V，控制開關經過調整后，在采集器的穩壓管中輸入A/D 轉換器，2 路輸入信號使用一個3 V 的穩壓管，將轉換器中的低電平信號控制在4 V 以內，這樣可以提高采集器的調壓作用[15]。采集器結構如圖3 所示。

圖3 采集器結構

根據圖3 可知，海上風電機群干擾抑制系統需要采集器同時多通道采集數字信號，根據輸入信號穩定性高的特點，選用3 路模擬開關對采集器的多通道進行實時切換，3 路模擬開關的開關速度較快，可以實現采集器完成多通道不同路信號的采集測試。單路采樣信號的采樣頻率最低為20 kHz，這樣在每次采集完速變信號后，可以繼續采集緩變輸入信號，速變信號的采樣頻率大于50 kHz，緩變輸入信號的單路采樣頻率為25 kHz。

1.4 控制器設計

文中設計的控制器選用SD公司生產的SDM8201作為無線傳輸的核心，該款控制器單片為6 位且功耗較低，自身帶有16 片高速數字程序存儲器，控制器的時鐘頻率最高可達120 MHz，全動態的工作方式使控制器較容易完成串、并行的轉換?？刂破骶哂?個中斷優先級以及8個頻率中斷源、8位A/D 串行端口以及2個8位定時時鐘。定位時鐘如圖4所示。

圖4 定位時鐘

除此之外，在控制器的內部帶有單雙工降低型的端口，端口可進行信號數據的甄別檢測和自動識別定時器位置，控制器的外圍電路采用電源控制方式，對定時器的停止以及恢復可以較快地進行，同時具有時鐘空閑模式和定時器的掉電模式，控制器的外部控制設備設有外部中斷喚醒模式，該款控制器的以上設計可以實現海上風電機群干擾抑制系統對控制器的無線傳輸需求[16]。

2 基于觀測器模型的海上風電機群干擾抑制系統軟件設計

為了使海上風電機群能夠準確定位在某一位置，在某一時刻，速度和加速度需要保持一致，文中引入了觀測器模型，該觀測器模型可以將海上風電機群受到的干擾進行分類，對影響速度的干擾可通過加速度進行觀測，并且使干擾的受力保持平衡。觀測器模型中與加速度呈線性相關的主要是粘滯摩擦力，所以針對海上風電機群的干擾因素，設計了一種加速度模型對干擾因素進行補償觀測，該觀測器模型不涉及對干擾因素的方式控制，因此觀測器模型設置得較為簡單，比較容易實現，對海上風電機群的抗干擾可以達到較高的控制效果，對風電機群受到外界壓力影響的加速度可以很好地進行控制，對其可實現準確、精密的定位。

基于觀測器模型的海上風電機群干擾抑制系統軟件流程如圖5 所示。

圖5 海上風電機群干擾抑制系統軟件流程

首先，上電啟動，對系統進行初始化設置。系統軟件使用C 語言進行編寫、調試，上電啟動后，對傳感器參數進行配置，編輯濾波參數以監控顯示界面的實時狀態，通過連接數據對頻譜進行分析，對傳感器的采樣時間、采樣率以及標準數據參數進行初始化設置，實現干擾抑制系統的檢測、通信。

然后，命名海上風電機群的文件并保存，對傳輸信號數據進行濾波處理。系統編輯的文件通過C 語言程序進行命名，命名完成后將其保存在干擾抑制系統的內部存儲器中，配置海上風電機群的報警閾值，根據海上閾值的結果，判斷報警信息的分類屬性，報警結果確定后，由傳感器發出報警信息，對傳感器傳輸的數據進行濾波處理。

最后，對海上風電機群受到的干擾進行繪制并實時顯示出來，記錄導入干擾抑制系統的數據并進行頻譜分析，對軟件系統的報警設備進行振動檢測，并與報警設備中的檢測數據進行交互處理，處理完成后加載閾值數據，將數據寫入文件中并進行保存，完成與海上風電機群設備的通信。

3 實驗研究

文中設計了基于觀測器模型的海上風電機群干擾抑制系統，采用了觀測器模型，節約了系統程序的編寫時間，提高海上風電機群干擾抑制系統穩定性，即使受到海上風力、壓力等多種外界因素的干擾，系統的穩定性也沒有受到影響。為檢測文中設計系統的有效性，與傳統系統進行實驗對比，得到的干擾抑制效果如圖6 所示。

觀察圖6 可知，文中提出的系統抗干擾能力更強，該系統硬件方面設計了電源電路、單片機、采集器以及控制器，硬件器件的設計使海上風電機群干擾抑制系統能夠獲得較高的干擾抑制性能，傳統的干擾抑制系統存在較為明顯的超調，而文中設計的干擾抑制系統消除了外界較多種因素的干擾，使系統避免了積分環節，實現對海上風電機的準確定位與實時跟蹤。

采用設計的干擾抑制系統，在添加超額負載的情況下，海上風電機群的抗干擾性能沒有受到太大影響，提高了系統的可靠性及系統對各種干擾因素的抗干擾能力，對海上風電機群位置控制時無線電設備的干擾可以得到很好的抑制效果，進而提高了系統的穩定性和準確度，降低了維護海上風電機的成本，減少了信息在傳遞過程中產生的失真，使基于觀測器模型的海上風電機群干擾抑制系統更具有實用性，對海上風電機群受到的各種干擾具有較好的控制效果，有效抑制了海上風力、壓力以及其他外界因素對風電機群產生的干擾，極大地提高了海上風電機群干擾抑制系統的安全性、穩定性和可靠性，達到了較為明顯的控制效果。

4 結束語

針對海上風電機群受到較多干擾的問題，設計了基于觀測器模型的海上風電機群干擾抑制系統，采用了觀測器模型，對海上風電機群在海上正常運行過程中的電磁設備干擾進行了系統的建模，并以此對電磁設備以及無線電設備產生的干擾進行了有效的消除，達到了較好的抗干擾效果，既可以獲得較明顯的控制效果，又提高了基于觀測器模型的海上風電機群干擾抑制系統的穩定性和可靠性，使海上風電機群具有較高的準確度，提高了系統的安全性和靈活性，降低了系統運行的成本，使設計的基于觀測器模型的海上風電機群干擾抑制系統具有更高的應用價值。