垂直轴风力发电测控系统探讨

垂直轴风力发电测控系统探讨

爨伟平郑一飞

明阳智慧能源集团股份公司

摘要：为立式风力发电系统设计了多绕组变极发电机、新型集风立式风机、异步的数据采集系统发电机和风速控制系统。新型集风立式风机克服了传统三叶桨发电功率低、保护性差、风力利用率低、的特点。双口RAM为双DSP架构提供共享存储，增高了实时通信的吞吐率，同时将耗时和实时任务的显示等人机交互任务分割。一边将模糊规则表存储在PLC里，实现对集风板的模糊控制，进而调节风速；另一边通过多绕组变极发电机的励磁方式和绕组切换，来维持发电机输出电压频率、幅值和相位的稳定。攻克了风电并网的难题。

关键词：集风系统；风力发电；垂直轴

1.整体的系统设计

该系统的核心包括：多绕组异变极发电机、集风风机动力系统、励磁软并网控制系统、数据采集和PLC模糊控制。系统整体框图如图l所示。

系统中DSPl启动FPGA中的A/D采样控制器，然后启动AD7656进行采集样本，FPGA将样本数据存入到FPGA中的FIFO模块缓存，DSPl通过总线寻址读取FIFO模块中的数据，处理后控制多绕组异步变极发电机的软并网开关、定子绕组切换，通过负反馈调节使PLC按照模糊控制规则控制液压系统，进而控制集风板位置，使用双口RAM将这些数据发送给DSP2再传人上位机进行人机交互。

2.立式风机动力系统

此风机动力系统使用箱体结构，包括集风保护系统、驱动系统、立式风叶系统和风叶机轴。集风保护系统包括若干个集风板，通过调节集风器的角度控制进气量，然后调节发电机的转速。当风速过大时，我们可以通过收集风盘来保护发电系统。由PLC驱动的液压装置调节集电板的角度。它具有风能利用率高、重心低、平衡性好、体积小、运输装配方便等优点。适用于大功率发电系统。通过风收集系统的导风板，风力始终垂直于风叶面，风能利用率高达55%。PLC控制液压装置和位置传感器控制风机的位置，从而控制进气量。当风太大时，可以通过关闭集风板来保护风叶。同时，风扇仍有1/4个进气口，仍能使发电机正常运转。如图2所示

3.多绕组异步变极发电机

该系统采用多绕组组合变极控制方式，充分利用低风速区的工

特点，向高风速区分别切换到合适的工作区域。提高了风力发电的利用率、发电机的工作特性和发电机的效率。一种多绕组异步磁极可变发生器，包括转子、定子和冷却装置。转子产生的能量通过磁力传动传到定子。定子从定子转移到电压和电流到电网。省去了发电机转子电刷和滑环，省去了双馈发电机的转子逆变器，定子为多绕组变极定子结构，其连接方式为2组或多组异步变化。通过改变绕组线圈的接线方式，极模改变定子的对数对数。根据速度，用dsp计算定子对应磁极的对数，用极对数控制器切换极对数组合开关，将发电机极对数与发电机绕组线圈相结合。当处于高风速区时，开关为小极点对数，定子电流较大，但内部电阻减小，功率增大使电机输出额定电压，电流增大也增加电机制动转矩，避免发电机失速。当风速较低时，切换到大极点对数，定子电流小，内阻增大，功率降低，输出电压降低，电压输出保持稳定。状态，高，低绕组开关如图3所示。在切换高、低速绕组时，通过软件增加一定的延时，输出输出电压外接电阻和吸收吸收模块，解决了绕组切换带来的干扰影响。

4.数据采集系统

4.1电压和电流的测量

该系统需要采集三相发电机的电压、电流、电网电压和电流信号，因此需要同时采集12个通道。虽然TMS320F2812芯片有16通道和12位分辨率A/D转换器，但一方面，它的参考电压是由A/D构成的。范围窄（0～3V），输入模拟信号的范围在5到5之间。另一方面，为了保证数据采集和系统控制两部分的并行运行，系统由DSP触发器FPGA控制，控制12通道采样的两片A/D，同时也可调整到前端。电路简单，采样精度高，共模干扰抑制能力强，DSP和FPGA并行工作。

数据采集包括以下几个步骤：

DSP发送的门控信号序列，使A/DFPGA启动AD7656开始采样模块。A/D控制模块采用Mealy状态机实现A/D控制时序。当AD7656忙信号低，A/D控制器启动，输出的控制信号CS、RD、CONVST和锁，和每个通道的数据是在同一时间阅读。图4是A/D的Mealy状态机控制器。图5是时序仿真结果和状态状态之间的切换。

FPGA将把所有通道的数据存入到FPGA各频道FIFO模块。当FIFO中的数据达到一个预先设定的值，如半满的状态，系统将会把一个中断信号送至DSP，以便它可以读取数据的同时继续收集数据。

4.2转速测量

对电机的矢量控制中，转子的位置和转速对系统性能有重要的影响。该系统使用TMS320-F2812的通用定时器1设置中断定时时间，QEPl、QEP2解码后的信号clk用作通用定时器2的计数始终，dir作为定时器2的方向输入决定它递减或递增计数。

该系统采用RHl90N一6增量型编码器。编码器采用光电转换原理输出3对差分脉冲：A+、A-，B+、B-，z+、z-，。通过差分接收器芯片AM26LS32输出A、B、Z分别接收DSP的正交编码输入引脚，以及电机的转子轴转速的位置可以通过定时器2计数测定。a和b两组脉冲相位差90°，不仅可以用来判断速度的大小，还可以确定速度方向。Z作为初始相位判断信号，通过A和B的相位关系，码盘每周发送一个Z脉冲。当码盘安装在电机轴上时，同时Z码发出信号，相应的转子位置固定，可以用Z信号判断电机的旋转。转子实际上所在的位置。软件流程如图6所示。

4.3风速测量

风速计配有垂直风速表，六角数字风速计，通过RS485接口与DSP的SCI接口连接。风机起动转速为2米/秒，最大工作风速为36米/秒，风速超过36米/秒时，最大风速为42米/秒。当风速超过42米/秒时，集风板完全关闭，进风口为1/4，风机仍可正常工作。

5.双DSP控制系统

双DSP通信，小数据和低速度，可以使用内置的SPI、McBSP、SCI、eCAN和其他串行通信方法，界面简单，速度慢。串行通信不能满足大数据量和高实时性的要求。采用双DSP共享存储器，利用双dsp实现双DSP的共享存储器，解决了通信问题。双端口RAM型号为idt70v24，它提供了两种独立的地址线、数据线和控制线。它包括3种仲裁方式：终端、忙逻辑和标记。它允许从两个端口对数据进行读写操作。详情见于参考文献[2]。

6.控制算法

由于异步风力发电机组是一个多变量、强耦合、非线性时变被控对象，很难建立精确的数学模型。模糊控制的优点是根据累积的实际经验生成控制规则生成表，它决定了控制方式和控制大小，具有良好的鲁棒性和自适应性，不需要精确的数学模型。风速的控制是由PLC驱动的液压系统，使空气收集器在导轨的5个工作台上移动，然后调节进气口的大小，改变速度和电压。控制过程如图7所示。

PLC采用西门子S7-200系列存储在EPROM中PLC的模糊规则表，利用查表控制，和模糊规则表见表l。

模糊控制软件的流程图如图8所示，其设计步骤如下：

①根据当前风速确定风机初始位置。

②确定误差e、误差变化量△e、集风板位置的论

域为{NB，NS，O，PS，PB}；

③选择模糊控制表得到输出控制动作。

结束语

本文提出了一种新的垂直轴风力发电系统设计与控制方案。采用多绕组变极发电机保持不同风速和转速时输出电压的稳定性,新型垂直轴风力发电系统，通过PLC控制液压系统控制风盘位置，使风速稳定可控，风能利用率保持在55%以上。为了保证模糊切换控制算法的数据采集、实时数据处理、可靠性和收敛性的快速、高精度和完整性它充分利用了DSP，FPGA等系统的优势,数据采集、数据处理、人机交互、开关模糊控制等任务的分离运作。该系统不仅为垂直轴单机系统提供了良好的实现框架，而且为今后风电场的建立奠定了坚实的基础。

参考文献

[1]宋健，李树广.基于双DSP的数据采集控制系统的设计[J].测控技术.2010，29(3)：31—33.

[2]李树广,何志明.模糊自适应PID控制在立式风力发电系统中的应用[J].测控技术，2003。22(7)：24—26.

[3]TexasImtⅢments.TMS320F2812d谤talsignalprocessors[z].2006.李树广.集风立式发电系统:中国101943127A[P].20l4)1-12

[5]李树广.多绕组异步变极发电机：中国，101908807A[P].2010.12.8.