嵌入式系統在風力發電機中的應用

摘 要：能源問題是近年來各國發展所要面臨的諸多問題中比較棘手的。眾所周知，礦物燃料和石油、天然氣等為主的常規資源有限，而且使用這些能源，對周邊環境的污染不小。所以說，當今社會對于可再生能源的探究，特別是如何利用風能資源的重視程度非常高。當然，風能產業的快速發展，在一定程度上也是由于現今石油價格以及礦物燃料的不可再生性特點給大家造成的擔憂。從環境方面來看，在追求低碳排放的今天，風力發電所產生的二氧化碳排放量幾乎可以忽略，同時對氣候變化的影響也極低。

關鍵詞：能源；環境；風力發電；嵌入系統

1 風力發電機組的介紹

1.1 風力發電機組的結構

風輪是風力發電機最重要的部件之一，它的作用是將風能吸收后再轉換成機械能，風輪槳葉受到大自然風以一定的速度和攻角作用，產生旋轉力矩轉動起來，風能轉變成為了機械能，然后經過齒輪箱驅動后部的發電機。

異步發電機通常會被選作為風力發電機組中的發電機，由于風速不是恒定的，時時刻刻在變化，在低功率時發電機的效率很差，針對于這個特點，定槳距風力發電機組會選用單繞線組雙速異步發電機，這樣一來還改善了低風速時的葉尖速比，風能利用的系數也得到了加強，還能夠達到降低的噪音效果。

1.2 風力發電機組的控制技術

上文提到過，自然風不是恒定的，風速和方向時刻都在變化，風力發電機組要并入電網運行，那么風機的并網和解列、有功無功的限制、風輪槳葉對于風向風速的適應，還有在日常運行過程中各種故障的監視保護等等都需要自動控制。

考慮到風力發電機組一般都建在風力資源相對豐富的海岸、草原、沙漠以及海上，各臺風力發電機組之間的位置都很分散，距離很遠，這就需要無人值班運行與遠程監控，那么這種情況下，風機控制系統是否可靠，可靠性有多高，就變得非常重要。

風機的控制系統是一套復雜的綜合系統，與常規的控制系統區別不小。風力風速時刻都在變化，電網的運行工況也在變化，這套系統不僅要對自身運行工況進行監控，還要對外部各種工況加以監視，以保證機組的安全穩定運行。特別是要針對時刻變化著的風速和風向，改變機組的運行方式，提升風機的運行效率與穩定性。

定槳距風力發電機組的功率輸出受到槳葉自身的特性所限制，同時，電網頻率也限制了發電機的轉速。所以，在規定的風力情況下，風力變化所導致的輸出功率變化對于定槳距風機的控制系統在日常運行工況里是沒有影響的。

近年來，采用變槳距的風力發電機逐漸進入市場，它在啟動過程中能夠控制轉速，并網之后能夠控制功率，這個讓它的啟動特性以及功率輸出特性都得到了很大的改觀。

雖然變槳距風力發電機組相對于定槳距機組有了很大的進步，但是它在額定風速以下的運行效果還是不夠好。于是，人們又研發出了基于變槳距技術的變速風力發電機組。變速風力發電機組可以把風力信號變為控制系統的輸入變量來控制風機的轉速和功率。當實際風速低于額定風速工況，可以按照最優功率曲線，使風機產生盡可能高的效率；當實際風速高于額定風速工況，通過提高傳動柔性來優化風機運行的穩定性，向電網輸送優質而又穩定的電能。

2 嵌入式系統在風力發電機中的應用

在眾多風力發電機組的控制器中，現在普遍使用的是工業計算機。工業計算機的優點是其擁有非常豐富的資源，缺點也顯而易見，就是價格很貴，而且維護成本和開發費用也很高。如果使用微機與硬件PLC則很難應對現今越來越復雜的算法，同時這個控制器的人機對話界面不是很好，聯網的步驟也很麻煩。于是，近年來，基于Linux 的嵌入式系統逐漸被使用到了風力發電控制領域中。

2.1 嵌入式控制系統

嵌入式控制系統是一套能夠執行獨立任務的計算機系統，包括嵌入式系統與承載操作系統。選用S3C2410處理器作為硬件平臺，該處理器是三星公司基于ARM920T的內核，采用32位微控制器，其特點是性能非常高，同時能耗較小。該處理器體積很小，但是內部功能單元很強大，可以最高運行到203 MHz。而Linux操作系統是一套基于POSIX和UNIX的多用戶多功能系統，其完全免費的特點意味著可以大大降低開發費用。同時它支持32位和64位硬件，是一套性能非常穩定的多用戶網絡操作系統。

2.2 嵌入式系統的硬件平臺

嵌入式系統由硬件和軟件兩部分組成。嵌入式系統的硬件平臺由嵌入式控制器和圍繞控制器的各功能部件組成，包含有存儲器、串口、網口等設備。其中存儲器采用靜態易失型存儲器、動態存儲器和非易失型存儲器，這些原件都有串口、SD卡控制器、USB device以及USB Host控制器集成在上面，同時還有以太網接口、音頻接口、鼠標和鍵盤接口等。

2.3 嵌入式控制系統的軟件設計

嵌入式系統的軟件開發指的是對于操作系統和應用程序的開發。在進行開發嵌入式系統的初步階段，目標系統平臺未建立，那么這就要在主機上進行交叉編譯，從而得到啟動引導程序的源代碼與操作系統內核。

2.3.1 交叉編譯環境的建立

交叉編譯指在某一平臺上生成其他平臺的可執行代碼。即在宿主機的平臺上安裝對應的應用程序，用這個程序來編譯源代碼，生成在目標機上運行的代碼。以Linux主機操作系統，搭配ARM-Linux-GCC編譯器，是現今比較常用的一組嵌入式交叉編譯組合方式。

2.3.2 Linux內核配置和編譯

在配置Linux內核時要滿足內核代碼少、占有內存小等特點，從而達到最優的內核編譯配置。Linux內核源代碼支持多種不同結構的處理器以及各種驅動程序，包括make config、make menuconfig和make xconfig配置命令。下載好內核源代碼，在Linux主機上開始交叉編譯，找到下載好的內核源代碼目錄并進入，接著修改根目錄下的makefile，指明編譯器，然后需要設置環境變量，配置內核文件。輸入內核配置命令make menuconfig，依照硬件平臺所包含的功能設備，對Linux的內核進行配置。內核配置成功后，執行命令make zImage來生成內核影象文件，該文件通常有1.3MB左右大小。眾所周知，在微軟視窗系統中的操作系統所占用的內存是很巨大的，而這個Linux系統僅僅占用了1點多兆，這是很難以想象的。這也詮釋了為何在嵌入式系統領域內大家都喜歡使用Linux操作系統的原因。

3 結束語

在引入了嵌入式系統之后，風力發電機組的控制系統中的控制、通信、人機界面以及各種特殊應用全都被合成到了一起，在同一個硬件平臺上運行，這大大簡化了整個控制系統的體系結構，降低了運營維護成本，而且還擁有非常好地實時控制性能。