基于CAN總線通訊的變槳距風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)

1、基于can總線通訊的變槳距風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)曹冬宇 柴建云 李永東 伍小杰清華大學(xué)摘要:變槳距控制器用于實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)和槳角控制,介紹了液壓驅(qū)動(dòng)和電控驅(qū)動(dòng)兩種槳距控制系統(tǒng)的不同,然后討論了can總線在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組槳距控制中應(yīng)用的可行性。并介紹了一個(gè)基于can總線設(shè)計(jì)的液壓驅(qū)動(dòng)槳距控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、 軟件流程和功能實(shí)現(xiàn)。最后總結(jié)了can總線在該系統(tǒng)應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞:風(fēng)力發(fā)電機(jī)組can總線 變槳距控制器variable pitch controller for wind turbine based on can2buscao dongyu chai jianyun li yongdong wu x

2、iaojieabstract :variablepitchcontrolleris used to realize the powerregulationand pitchcontrolof wind tur2bines.the differencebetween two schemes of the pitch2controlledsystem ,hydrauliccontroland electro2motorcontrol, was described.subsequently, discussed the feasibilityof can2bus used in the pitchc

3、ontroller.as anexample , a design of pitchcontrollerbased on can2bus was also presented , withthe descriptionof itshard2ware design , softwareflowand implementationofcontrolf unctions.finally , the meritof can2bus in thissystem was summarized.keywords :windturbinecan2busvariable pitchcontroller1引言風(fēng)力

4、發(fā)電作為目前技術(shù)最成熟、 效率最高的可再生能源,受到世界各國(guó)的普遍重視。經(jīng)過多年的探索與努力,我國(guó)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)、變流器 、 系統(tǒng)控制等關(guān)鍵技術(shù)上相繼取得突破。本文主要討論了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中變槳距控制系統(tǒng)的研制與開發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù),闡述了變槳距控制器的功能結(jié)構(gòu)和軟硬件的實(shí)現(xiàn)過程,初步構(gòu)成了控制系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái),為我國(guó)大型變速變槳風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的獨(dú)立開發(fā)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。2功能與結(jié)構(gòu)并網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組一般由風(fēng)輪、 增速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、偏航機(jī) 構(gòu) 、 發(fā)電 機(jī) 、 塔 架 和 控 制 系 統(tǒng) 等 部 分 組成 1 ?？紤]風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)布置的特點(diǎn)及控制的要求 ,控制系統(tǒng)需設(shè)計(jì)為分布式多微機(jī)控制系統(tǒng)。以變速變槳

5、距風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)為例,風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的系統(tǒng)功能如圖1 所示 , 它是由主控制器 、 4 象限勵(lì)磁控制器、 變槳距控制器、 交互式人機(jī)顯示界面、 遠(yuǎn)程微機(jī)監(jiān)控界面等構(gòu)成。圖1風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)圖3變槳距控制系統(tǒng)變槳距控制系統(tǒng)(v pc) 對(duì)風(fēng)電機(jī)的槳距位置及功率輸出控制是實(shí)時(shí)、 分布 、 傳動(dòng)的系統(tǒng) 。該控7基于can總線通訊的變槳距風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng) 電氣傳動(dòng)2007年 第37卷 第7期? 1994-2007 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. http:/制系統(tǒng)位于機(jī)艙內(nèi),與地面控

6、制器中的主控制器(mmcu ) 通過 can 總線通訊連接。變槳距控制系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)槳距角及風(fēng)電機(jī)的功率輸出從而保證風(fēng)電機(jī)的正常運(yùn)行 2。變槳距控制系統(tǒng)的主要功能是通過調(diào)整槳葉節(jié)距 ,改變氣流對(duì)葉片的攻角,在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)過程提供啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩,在風(fēng)速過高的時(shí)候改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)獲得的空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)距,從而保持功率輸出恒定 3。變槳距控制技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了一段曲折的過程 。最初研制的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組都被設(shè)計(jì)成可以全槳葉變距的,但是由于設(shè)計(jì)人員對(duì)空氣動(dòng)力特性和運(yùn)行工況考慮不足,可靠性遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際要求 ,災(zāi)難性飛車事故不斷發(fā)生,變槳距控制技術(shù)一度被摒棄 。隨著長(zhǎng)期的實(shí)踐和技術(shù)發(fā)展,在現(xiàn)代大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)中,變槳

7、距控制技術(shù)重新獲得了重視和廣泛應(yīng)用。新型的變槳距控制系統(tǒng)可以使槳葉和整機(jī)的負(fù)載受力的狀況大為改善。同時(shí) ,變速恒頻技術(shù)與變槳距控制系統(tǒng)相配合,可以提高機(jī)組的發(fā)電效率和電能質(zhì)量 1 。目前商業(yè)市場(chǎng)上應(yīng)用的變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)有兩種 :電液伺服調(diào)槳機(jī)構(gòu)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)槳機(jī)構(gòu)。液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)以其響應(yīng)頻率快、轉(zhuǎn)矩大、便于集中布置和集成化等優(yōu)點(diǎn)在目前的變槳距機(jī)構(gòu)中占有主要地位 ;而電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能對(duì)槳葉單獨(dú)控制的特點(diǎn)也得到了一定范圍的應(yīng)用(如圖 24 所示) 。變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為能量調(diào)節(jié)的一個(gè)手段需要與系統(tǒng)控制器、 雙饋勵(lì)磁控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和配合 ,can 總線通訊作為一種真正的分布式多主仲裁方式運(yùn)行

8、的串行總線通訊方式,具有其他總線通訊方式無(wú)法比擬的靈活性和方便性。圖2電控調(diào)槳系統(tǒng)控制策略簡(jiǎn)圖液壓變槳距控制機(jī)構(gòu)屬于電液伺服系統(tǒng)。典型的變槳距液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)如美國(guó)zond 公司的z- 40型變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,其原理圖如圖3 所示。槳葉通過機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)與液壓缸相連接,節(jié)距角的變化同液壓缸位移基本成正比。當(dāng)液壓缸活塞桿朝左移動(dòng)到最大位置時(shí),節(jié)距角為 88 ,而活塞向右移動(dòng)到最大位置時(shí),節(jié)距角為- 5 。在系統(tǒng)正常工作時(shí) ,兩位三通電磁換向閥a ,b ,c 都通電 ,液控單向閥打開,液壓缸的位移由電液比例閥換向閥進(jìn)行精確控制。 在風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí),不論風(fēng)速如何變化 ,電液比例換向閥維持槳葉節(jié)距角為

9、3 ,考慮到油缸的泄漏,電液比例換向閥進(jìn)行微調(diào),保持節(jié)距角不變;當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí),根據(jù)輸出功率 ,利用電液比例換向閥精確改變輸出流量,從而控制槳葉的節(jié)距角,使輸出功率恒定。圖3液壓驅(qū)動(dòng)變槳距機(jī)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖4can總線簡(jiǎn)介can 總線是德國(guó)bosch 公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議,它是一種多總線,通信介質(zhì)可以是雙絞線、 同軸電纜或光纖,通信速率可達(dá) 1 mb/ s ,通信距離可達(dá)10 km 。can 協(xié)議的最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼,而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼,使網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)理論上不受限制 5 。作為一種串行通信總線,can (co

10、ntrollerar2ea network ) 即控制器局域網(wǎng)在國(guó)際上應(yīng)用很廣泛 。它最初被設(shè)計(jì)為汽車工業(yè)中的微控制器通信用 ,由于它具有高可靠性和獨(dú)特的設(shè)計(jì)、 在多主系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)及很高的實(shí)時(shí)性,現(xiàn)在can總線已經(jīng)在汽車工業(yè)、 航天工業(yè)等領(lǐng)域的控制系統(tǒng)中得到了很廣泛的應(yīng)用,并且是目前最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一 。以往的變槳定速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距控制器與主控制器之間大都采用串口以主從方式進(jìn)行通訊控制的 ,隨著現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要監(jiān)測(cè)與控制的節(jié)點(diǎn)增多,以現(xiàn)代電力電子技術(shù)為核心的4 象限8電氣傳動(dòng) 2007年 第37卷 第7期 基于can總線通訊的變槳距風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)? 1994-2007 china

11、 academic journal electronic publishing house. all rights reserved. http:/變流器和變槳距控制器相通訊配合,共同構(gòu)成大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率調(diào)節(jié)環(huán)節(jié),can 總線采用的以尋址方式、多主運(yùn)行的靈活性便凸現(xiàn)出來(lái)。5控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)tms320l f240 x dsp 是為了滿足控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的 6。通過把一個(gè)高性能的dsp 內(nèi)核和微處理器的片內(nèi)外設(shè)集成為一個(gè)芯片的方案,tms320l f240 x dsp 成為傳統(tǒng)的微處理控制單元 (mcu ) 和昂貴的多片設(shè)計(jì)的一種廉價(jià)替代產(chǎn)品 。30 m 條指令每s(30 m i/ s) 的

12、處理速度,使tms320l f240 x dsp 可以提供超過傳統(tǒng)的16 位微控制器和微處理器的性能。 tms320l f240 x芯片可以在低成本的條件下,實(shí)現(xiàn)高性能的電機(jī)控制 ,并通過can 通信 (或者串行通信) 與風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的其他功能部分協(xié)調(diào)一致工作,是風(fēng)力發(fā)電變槳距控制一個(gè)很好的解決方案。tms320l f2407 在擁有高性能的數(shù)字信號(hào)處理能力的同時(shí),內(nèi)部集成有兩個(gè)事件管理器(具有多路pwm 輸出 、 定時(shí)器 、 捕捉等功能) ,16 通道 a/ d 轉(zhuǎn)換器 ,can 通信控制器,看門狗等功能模塊 ,因此選用tms320l f2407 作為變槳距控制器的中央處理器芯片可以使整

13、個(gè)電路的成本降低 、 接口簡(jiǎn)單 、 系統(tǒng)集成度高。變槳距機(jī)構(gòu)及其控制器的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示 。通常的變槳距控制系統(tǒng)采用一個(gè)fet電子開關(guān)對(duì)功率給定和槳距角給定兩種運(yùn)行模式進(jìn)行硬件電路的切換。本文中設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)直接在軟件設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了功能切換,簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì) 。圖4變槳距控制系統(tǒng)框圖6控制系統(tǒng)軟件流程變槳距控制器(v pc) 與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的其它各功能部分的協(xié)調(diào)運(yùn)行,主要是通過can 總線與系統(tǒng)控制器(mmcu ) 進(jìn)行通信來(lái)實(shí)現(xiàn)的。變槳距控制器(v pc) 與系統(tǒng)控制器(mmcu ) 的信息交換主要包括兩部分(系統(tǒng)軟件流程如圖5 所示) :一部分是系統(tǒng)控制器( mmcu ) 根據(jù)風(fēng)

14、機(jī)運(yùn)行的需要隨時(shí)給變槳距控制器(vpc) 發(fā)送指令,主要包括停機(jī)、 待機(jī) 、 自動(dòng)運(yùn)行 、 維護(hù)等運(yùn)行方式,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)或是功率調(diào)節(jié);另一部分是系統(tǒng)控制器( mmcu ) 每 1 ms 向變槳距 (v pc) 發(fā)送一組風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù),包括輪轂轉(zhuǎn)速、 電機(jī)轉(zhuǎn)速 、 風(fēng)速大小等信息。對(duì)于系統(tǒng)控制器( mmcu ) 的命令,變槳距控制器(v pc) 采取郵箱接收中斷,在郵箱接收中斷服務(wù)程序中,讀取上位機(jī)的命令,并通知主程序應(yīng)答上位機(jī)的命令;對(duì)于電機(jī)控制器按周期發(fā)送給上位機(jī)的電機(jī)狀態(tài)信息, 用一個(gè)1 ms的定時(shí)器,當(dāng)定時(shí)時(shí)間到,再在主程序中執(zhí)行發(fā)送數(shù)據(jù)的程序。圖5 軟件流程圖7系統(tǒng)特點(diǎn)分析該控制系統(tǒng)已

15、成功應(yīng)用于內(nèi)蒙古某風(fēng)電場(chǎng),系統(tǒng)可靠性高,控制性能好。與傳統(tǒng)的采用串口以主從方式通訊構(gòu)成的風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)相比 ,本系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)。1) 在主從式結(jié)構(gòu)中,對(duì)主節(jié)點(diǎn)的可靠性要求高 。當(dāng)主節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí),控制系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài) 。基于 can 構(gòu)造的風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)具有冗余的多主站結(jié)構(gòu),是真正的分布式控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的控制作用分散到各個(gè)控制節(jié)點(diǎn),控制節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)其他部分出現(xiàn)故障的情況下均能正常工作 。系統(tǒng)配置靈活,易于擴(kuò)展,針對(duì)不同結(jié)構(gòu)的變槳距風(fēng)機(jī)可方便地構(gòu)造控制系統(tǒng)。2) can 總線控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性好。can 總線依據(jù)優(yōu)先權(quán)進(jìn)行總線訪問,使用無(wú)破壞性的基于優(yōu)先權(quán)的仲裁。 在保證數(shù)據(jù)一致性的條件下

16、, 數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)1 mb/ s。 can 網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息分成不同的等級(jí), 滿足不同的實(shí)時(shí)要求。(下轉(zhuǎn)第 41 頁(yè) )9基于can總線通訊的變槳距風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng) 電氣傳動(dòng)2007年 第37卷 第7期? 1994-2007 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. http:/4escobarg , leyva2ramos j , carrasco j m.modelingof a threelevelconverterused ina synchronousrectifierapp

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