基于FPGA的風電機組輸入輸出控制器

內蒙古大學鄂爾多斯學院電子信息工程系 ■ 王 鑫 王俊林

一 引言

眾所周知，以煤、石油、天然氣為主的常規能源，不僅資源有限，而且會造成嚴重的環境污染。因此，在能源消耗日益增長、環境污染日漸嚴重的今天，風能作為一種無污染的可再生能源而倍受關注，風力發電技術成為各國學者競相研究的熱點，風力發電的控制技術也獲得了長足的發展[1,2]。

控制技術是風力發電的關鍵技術之一，控制器是風電機組運行的“大腦”，是使整個機組實現正常安全運行的可靠保證。目前，單片機和可編程控制器在大中型風電機組的控制系統中已得到廣泛的應用。整個風電機組控制系統的體積越來越小，控制性能越來越完善，智能化程度越來越高，運行更加可靠，維修和操作則更簡便易行，從而真正實現了風電場的自動監控及無人值守運行[3]。

現場可編程門陣列FPGA (Field Programmable Gate Array)是一種可編程邏輯器件，具有工作效率高、運行速度快、編程簡單、易實現大規模系統、可方便進行二次開發等優點，因此，選擇將FPGA應用于風電機組輸入輸出控制器中可大大優化系統性能。

二 風電機組的控制原理

1 風電機組的結構

風電機組通常由葉輪、傳動系統、發電機、偏航系統、風速及風向傳感器、控制系統等部分組成，如圖1所示。將氣動性能優異的葉片安裝在輪轂上組成葉輪，葉輪的作用是將風能轉換為機械能。通常，葉輪轉速較低，以保證葉片前端的線速度在葉片材料允許的范圍內，通過傳動系統由齒輪箱增速，可將葉輪30r/min左右的轉速提高到800～1500r/min，將機械能傳遞給發電機。以上部分都安裝在機艙內部，整個機艙由塔架支撐，機艙與塔架之間安裝有偏航系統，它根據風向傳感器檢測到的風向信號，通過控制器控制調節電機的起停，驅動與偏航大齒輪嚙合的小齒輪轉動，使機艙對準來風方向?？刂葡到y位于塔架底部的控制柜中，通過電纜與機艙中的電器相連接，用來完成發電機組的所有工作過程控制，并提供人機接口和遠程監控接口[4,5]。

2 風電機組的控制系統

風電機組需要長期在高溫、高寒、高濕、鹽霧、風沙等惡劣環境下自動運行，這就對其電控系統的可靠性和安全性提出了較高的要求。風力發電控制系統主要用于實現風電機組的正常運行控制、運行狀態監測和監控以及安全保護三大方面的功能，是整個風力發電系統的“大腦”，直接影響整個系統的穩定性、可靠性以及測量的精確性，因此，根據系統的具體工況與測控要求對風力發電控制系統進行設計至關重要[5]。

風電機組控制系統的結構如圖2所示。

風力發電控制系統的工作過程為：首先中心控制器通過前向通道采集數據，然后按照控制規律根據各方面的情況做出綜合分析，得到當前狀態下系統合理的運行狀態，最后，通過驅動電路驅動執行機構，實現系統啟動/停機、功能模塊啟動/停止、運行數據統計和隨時修改控制參數等控制功能，同時通過用戶界面顯示系統的運行狀態和變更系統參數。

三 風電機組的輸入輸出控制器

1 FPGA芯片概述

現場可編程門陣列FPGA是可編程專用集成電路(ASIC)的一種。它是美國Xilinx公司于1984年首先開發的一種通用型用戶可編程器件。FPGA由可編程邏輯單元門陣列、布線資源和可編程的I/O單元陣列構成，一個FPGA包含豐富的邏輯門和寄存I/O資源。通常，單片FPGA中的等效邏輯門有幾千甚至上萬個，I/O引腳多達400個以上，因此，一片FPGA芯片就可實現數百甚至更多標準數字集成電路所能實現的系統功能[6,7]。

此外，FPGA的結構靈活，其邏輯單元、可編程內部連線和I/O單元都可以由用戶編程，可實現任何邏輯功能，滿足各種設計需求。其速度快、功耗低、通用性強，特別適用于復雜系統的設計。使用FPGA還可實現動態配置、在線系統重構(可在系統運行的不同時刻，按需要改變電路的功能，使系統具備多種空間相關或時間相關的任務)及硬件軟化、軟件硬化等功能[8,9]。

本文選擇了一款性價比較高、市場應用較普遍的FPGA芯片，即Altera公司Cyclone系列的EP1C6Q240C8作為主芯片。其具有5980個邏輯單元，20個內部RAM模塊，最大可用I/O端口185個。FPGA配置芯片采用EPCS1，單片容量1Mbits，可掉電保護數據。下載采用JTAG和AS兩種下載模式，以實現在線調試及下載。開發軟件平臺采用Altera公司的QuartusⅡ6.0開發環境。

2 基于FPGA的風電機組輸入輸出控制器硬件設計

以FPGA—EP1C6Q240C8為核心的控制器的作用是采集風電機組的運行參數上傳給主控制器，主控制器經過綜合分析后得到當前狀態下系統合理的運行參數，并反饋給該控制電路控制相應執行機構，運行相應的控制策略[10,11]。整個控制電路原理框圖如圖3所示。

如圖4所示，整個風電機組的輸入輸出控制器由以下部分組成：以FPGA為核心的控制電路、4個計數器、1個外擴以太網接口、2個CAN總線接口、1個RS485/232串口、16路輸入接口、12路輸出接口、4路模擬輸入接口，每個接口都采用相應隔離措施。例如，以太網接口采用變壓器隔離，串口輸入口采用光耦隔離，輸出口采用繼電器隔離等。

以太網接口和CAN總線接口都是為了方便數據傳輸而設的。

16路輸入接口分別用于接收外部信號，例如，振動開關信號(當振動強烈的時候整個風力發電系統就停止工作)，安全鏈、二級安全鏈反饋信號(安全鏈屬于一個硬件電路，即只有整個風力發電控制系統中各個控制的硬件都閉合時整個控制系統才能正常工作)，還有控制柜機急停信號、變矩旁路熱繼電器信號、變矩變頻器輸出信號和變矩UPS供電信號等。

12路輸出接口分別用于控制電機通風、控制柜通風、變矩旁路斷開等，有的接口作為備用。

4個計數器分別用來測量風速、偏航編碼器(用于檢測是否達到限度，若達到限度就開始解纜)和風輪轉速等。其中一個計數器作為備用。

4個模擬輸入分別通過溫度傳感器來測量機艙溫度、控制柜溫度、電機溫度和齒輪箱溫度。

3 基于FPGA的風電機組輸入輸出控制器軟件設計

隨著大規模專用集成電路(ASIC)的開發和研制，為了提高開發效率，增加己有開發成果的繼承性以及縮短開發時間，各ASIC的研制和生產廠家相繼開發了用于各自目的的硬件描述語言(HDL)——可描述硬件電路的功能、信號連接關系及定時關系的語言，它能比原理圖更有效地表示硬件電路的特性。其中最具代表性的是美國國防部開發的VHDL語言(VHSIC Hardware Description Language 超高速集成電路硬件描述語言)。VHDL語言支持自上至下的設計方法，就是從系統總體要求出發，自上至下地逐步將設計內容細化，最后完成系統硬件的整體設計[11,12]。

在利用VHDL語言的硬件設計方法中，需要自上至下分為三個層次對系統硬件進行設計[12]：

第一層次是行為描述，即對整個系統數學模型進行描述。

第二層次是RTL方式描述，也稱為寄存器傳輸描述(又稱數據流描述)。得到硬件的具體實現，必須將行為描述的VHDL語言程序改寫為RTL方式，即采用RTL方式，導出系統的邏輯表達式，進行邏輯綜合。在RTL方式中，要使用到大量的觸發器、門電路等基本的數字元件，這些均可在元器件庫中直接調用。

第三層次是邏輯綜合，這一階段利用邏輯綜合工具，將RTL方式描述的程序轉換成用基本邏輯單元表示的文件(門級網絡表)。

在使用VHDL語言完成硬件描述后，還需運用C/C++語言編寫以太網口程序、串口程序和計數器程序等。

四 結語

本文在研究了風電機組的構造、控制技術及現在比較流行的FPGA芯片優越性的基礎上，提出了基于FPGA的風電機組輸入輸出控制器的設計方案，與傳統的主要應用單片機實現風電機組輸入輸出控制相比，在風電機組輸入輸出控制器中應用FPGA—EP1C6Q240C8，可實現數據的快速高效的傳輸與接收，從而使整個控制系統的性能得到優化。我們在實際應用中把該模塊命名為WE-100，該控制器在出口印度尼西亞的兩期100kW風電機組中的應用，證明其具有很好的電磁兼容性、抗干擾性、抗鹽霧性，能夠適應潮濕、高溫等惡劣環境，確保機組的安全運行，得到用戶的一致好評。

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