嵌入式系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電機中的應(yīng)用

摘 要：能源問題是近年來各國發(fā)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(guī)資源有限，而且使用這些能源，對周邊環(huán)境的污染不小。所以說，當(dāng)今社會對于可再生能源的探究，特別是如何利用風(fēng)能資源的重視程度非常高。當(dāng)然，風(fēng)能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，在一定程度上也是由于現(xiàn)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(dān)憂。從環(huán)境方面來看，在追求低碳排放的今天，風(fēng)力發(fā)電所產(chǎn)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(guān)鍵詞：能源；環(huán)境；風(fēng)力發(fā)電；嵌入系統(tǒng)

1 風(fēng)力發(fā)電機組的介紹

1.1 風(fēng)力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)

風(fēng)輪是風(fēng)力發(fā)電機最重要的部件之一，它的作用是將風(fēng)能吸收后再轉(zhuǎn)換成機械能，風(fēng)輪槳葉受到大自然風(fēng)以一定的速度和攻角作用，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩轉(zhuǎn)動起來，風(fēng)能轉(zhuǎn)變成為了機械能，然后經(jīng)過齒輪箱驅(qū)動后部的發(fā)電機。

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

1.2 風(fēng)力發(fā)電機組的控制技術(shù)

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

考慮到風(fēng)力發(fā)電機組一般都建在風(fēng)力資源相對豐富的海岸、草原、沙漠以及海上，各臺風(fēng)力發(fā)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(jiān)控，那么這種情況下，風(fēng)機控制系統(tǒng)是否可靠，可靠性有多高，就變得非常重要。

風(fēng)機的控制系統(tǒng)是一套復(fù)雜的綜合系統(tǒng)，與常規(guī)的控制系統(tǒng)區(qū)別不小。風(fēng)力風(fēng)速時刻都在變化，電網(wǎng)的運行工況也在變化，這套系統(tǒng)不僅要對自身運行工況進行監(jiān)控，還要對外部各種工況加以監(jiān)視，以保證機組的安全穩(wěn)定運行。特別是要針對時刻變化著的風(fēng)速和風(fēng)向，改變機組的運行方式，提升風(fēng)機的運行效率與穩(wěn)定性。

定槳距風(fēng)力發(fā)電機組的功率輸出受到槳葉自身的特性所限制，同時，電網(wǎng)頻率也限制了發(fā)電機的轉(zhuǎn)速。所以，在規(guī)定的風(fēng)力情況下，風(fēng)力變化所導(dǎo)致的輸出功率變化對于定槳距風(fēng)機的控制系統(tǒng)在日常運行工況里是沒有影響的。

近年來，采用變槳距的風(fēng)力發(fā)電機逐漸進入市場，它在啟動過程中能夠控制轉(zhuǎn)速，并網(wǎng)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(fēng)力發(fā)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(fēng)速以下的運行效果還是不夠好。于是，人們又研發(fā)出了基于變槳距技術(shù)的變速風(fēng)力發(fā)電機組。變速風(fēng)力發(fā)電機組可以把風(fēng)力信號變?yōu)榭刂葡到y(tǒng)的輸入變量來控制風(fēng)機的轉(zhuǎn)速和功率。當(dāng)實際風(fēng)速低于額定風(fēng)速工況，可以按照最優(yōu)功率曲線，使風(fēng)機產(chǎn)生盡可能高的效率；當(dāng)實際風(fēng)速高于額定風(fēng)速工況，通過提高傳動柔性來優(yōu)化風(fēng)機運行的穩(wěn)定性，向電網(wǎng)輸送優(yōu)質(zhì)而又穩(wěn)定的電能。

2 嵌入式系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電機中的應(yīng)用

在眾多風(fēng)力發(fā)電機組的控制器中，現(xiàn)在普遍使用的是工業(yè)計算機。工業(yè)計算機的優(yōu)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(fā)費用也很高。如果使用微機與硬件PLC則很難應(yīng)對現(xiàn)今越來越復(fù)雜的算法，同時這個控制器的人機對話界面不是很好，聯(lián)網(wǎng)的步驟也很麻煩。于是，近年來，基于Linux 的嵌入式系統(tǒng)逐漸被使用到了風(fēng)力發(fā)電控制領(lǐng)域中。

2.1 嵌入式控制系統(tǒng)

嵌入式控制系統(tǒng)是一套能夠執(zhí)行獨立任務(wù)的計算機系統(tǒng)，包括嵌入式系統(tǒng)與承載操作系統(tǒng)。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(nèi)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(nèi)部功能單元很強大，可以最高運行到203 MHz。而Linux操作系統(tǒng)是一套基于POSIX和UNIX的多用戶多功能系統(tǒng)，其完全免費的特點意味著可以大大降低開發(fā)費用。同時它支持32位和64位硬件，是一套性能非常穩(wěn)定的多用戶網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。

2.2 嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺

嵌入式系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。嵌入式系統(tǒng)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(wǎng)口等設(shè)備。其中存儲器采用靜態(tài)易失型存儲器、動態(tài)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(wǎng)接口、音頻接口、鼠標(biāo)和鍵盤接口等。

2.3 嵌入式控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)指的是對于操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的開發(fā)。在進行開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的初步階段，目標(biāo)系統(tǒng)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(dǎo)程序的源代碼與操作系統(tǒng)內(nèi)核。

2.3.1 交叉編譯環(huán)境的建立

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

2.3.2 Linux內(nèi)核配置和編譯

在配置Linux內(nèi)核時要滿足內(nèi)核代碼少、占有內(nèi)存小等特點，從而達到最優(yōu)的內(nèi)核編譯配置。Linux內(nèi)核源代碼支持多種不同結(jié)構(gòu)的處理器以及各種驅(qū)動程序，包括make config、make menuconfig和make xconfig配置命令。下載好內(nèi)核源代碼，在Linux主機上開始交叉編譯，找到下載好的內(nèi)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(shè)置環(huán)境變量，配置內(nèi)核文件。輸入內(nèi)核配置命令make menuconfig，依照硬件平臺所包含的功能設(shè)備，對Linux的內(nèi)核進行配置。內(nèi)核配置成功后，執(zhí)行命令make zImage來生成內(nèi)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(tǒng)中的操作系統(tǒng)所占用的內(nèi)存是很巨大的，而這個Linux系統(tǒng)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(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)大家都喜歡使用Linux操作系統(tǒng)的原因。

3 結(jié)束語

在引入了嵌入式系統(tǒng)之后，風(fēng)力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)中的控制、通信、人機界面以及各種特殊應(yīng)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(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，降低了運營維護成本，而且還擁有非常好地實時控制性能。