基于sbRIO的直流發電機電性能參數檢測系統

改造者：權震華

基于sbRIO的直流發電機電性能參數檢測系統

改造者：權震華

本文根據國家標準和行業規范，結合項目要求，首先提出了對直流發電機的檢測項目和試驗方法，然后根據實驗項目條件，設計了以NI公司的sbRIO為核心控制處理器的直流發電機電性能參數檢測系統。系統硬件主要包括交流伺服電機和驅動器構成的動力模塊；以sbRIO為 核心控制與功率分析模塊；負載模塊以及以電壓、電流變送器的參數采集模塊。應用圖形化編程工具LabVIEW，開發了系統的控制、數據采集、分析和處理程序。該系統設計充分利用計算機技術、sbRIO硬件資源，以及圖形化編程工具LabVIEW，實現對直流發電參數實時檢測和判斷，具有控制精度高、實時檢測、檢測結果顯示直觀、易于操作等特點。最后應用設計的檢測系統，將模擬實際環境中的自然風，作為控制信號，模擬小型風力直流發電機在實際風場的運行，對小型直流發電機的電壓、電流、轉速、轉矩，以及輸入和輸出功率進行檢測，分析了它的輸出特性，檢測結果驗證了該系統達到了設計的要求，具有一定的實用價值。

隨著經濟的飛速發展，人類對能源的需求越來越大，而地球上傳統能源如石油、煤炭、天然氣等儲存量非常有限且不可再生。使用傳統能源時會產生大量有害物質以及粉塵，使得溫室效應，極寒、極熱等極端天氣不斷出現，特別是一些城市霧霾現象不斷出現，這些都嚴重危害到人們的生產和生活。風能作為一種可再生能源，不僅清潔無污染且我國風能儲量很大，實際可開發量達到2.5億kw，對風能的開發、利用，是緩解能源危機、治理環境污染的有效途徑。

風力發電機，是將自然界風能轉化為電能的有效工具，一些發達國家在風能發電機方面取得了很大突破。我國高度重視對風能的開發，計劃到2020年實現裝機容量3000到4000萬kw。目前我國風力發電機水平較低，其中一個重要原因是缺乏對生產的發電機進行測試的高性能綜合測試平臺，不能全面和準確對生產發電機性能進行檢測，尤其是對風力直流發電機的測試的綜合測試平臺。

小型直流風力發電系統，具有運行方式比較簡單，易于安裝，用于遠離電力網的邊遠地區，以及用戶分散、負荷輕的村落或交通不便的孤立海島。這些地方交通不便，如果出現故障維護相當麻煩，必須保證系統的可靠性，對小型直流發電機全面檢測，選擇性能穩定的直流發電，來提高小型風力發電系統穩定最重要的途徑。

本文設計一套專用于永磁風力直流發電機電性能參數檢測系統。由于風本身具有隨機性，不可能將廠家生產的所有的永磁風力直流發電放在實際風場中進行測試，設計一套能夠不依賴實際風場，隨時能夠在模擬實際風場下對永磁風力直流發電機進行準確測試系統。用于判斷永磁風力直流發電機性能好壞，對于提高風力發電系統的穩定性和可靠性至關重要，同時為研究風電并網技術提供參考數據。

檢測系統的硬件實現

檢測系統主要包括計算機、交流伺服電機、驅動器、變送器、負載、電源，以及同時承擔控制和數據采集任務的NI sbRIO控制采集卡。永磁風力直流發電機檢測系統硬件結構示意圖如圖1所示。

要實現對永磁風力直流發電機進行檢測，就必須根據需要檢測的參數，以及檢測這些參數需要做的試驗項目，按照國家標準的要求，確定檢測系統方案中各個部分的型號，各模塊之間的連接方式、通信方式，以及各個模塊正常工作需要提供的電源大小等等。

sbRIO的確定

根據永磁風力直流發電機檢測參數和需要以及國家標準GB/T10760.1-2003有關離網型風力發電機檢測儀器中對數據采集系統的規定：

通道數：3～16（根據所檢測參數而定）；

采樣時間：0.1s，0.5s，1s；

平均時間：5s，10s.360s，3600s；

儲存時間：全通道使用、最高分辨率情況下，不小于1500h。

確定NI公司的Single-Board RIO系列產品中的sbRIO-9623可重新配置的嵌入式控制和采集系統，負責交流伺服電機的控制，以及數據的采集和處理。

Single-Board RIO可重新配置的嵌入式控制和采集系統，在一塊板卡上集成了一個嵌入式實時處理器、一塊高性能FPGA芯片，以及板載模擬與數字I/O接口。sbRIO-9623它的系統結構如圖2所示。

sbRIO-9623的主要參數指標如表1所示。

表1　sbRIO-9623參數表

圖1　永磁風力直流發電機檢測系統硬件結構示意圖

其他模塊的確定

確定動力模塊的電動機為松下MHMD042G1V交流伺服電機；檢測系統電機選擇了松下MHMD042G1V交流伺服電機， 本文設計的檢測系統主要是對不同運行狀態下永磁風力直流發電機的轉速、轉矩、輸出電壓、電流進行檢測，其中轉速、轉矩可以通過sbRIO-9623與驅動器之間的通信進行采集，輸出電壓和電流，不一定是sbRIO-9623能夠接收的0～5V的模擬電壓信號，所以不能直接傳送給sbRIO-9623的模擬I/O口，中間必須經過變送器，將永磁風力直流發電機的輸出電壓、電流轉化為0～5V的電壓模擬信號。系統分別選用了一個電壓變送器和一個電流變送器，將永磁風力直流發電機輸出電壓、電流變送到sbRIO-9623能夠接收的范圍。

根據檢測系統動力裝置、驅動器、控制采集系統，變送器的確定，除了需要接入220V的交流電源外，還需要單獨的直流電源， 根據實驗要求和實驗室條件，確定了兩臺直流穩壓電源作為系統的電源，負載與動力裝置共同將待測永磁風力直流發電機，調節到各種檢測需要的運行狀態，最基本的要求就是負載的可調。

當需要對直流發電的外特性進行測試時，把滑動變阻器直接接到直流發電機的外電路，并改變接入電路阻值的大小。

圖2　sbRIO-9623系統結構圖

圖3　系統軟件的整體規劃示意圖

檢測系統軟件實現

軟件系統的設計應用LabVIEW軟件對 NI sbRIO-9623進行系統開發，通過RT模塊產生控制信號，控制交流伺服電機帶動發電機運行，為檢測準備條件；同時通過FPGA模塊對發電機電壓、電流和轉速等模擬信號實時采集，并將采集信號傳送給RT模塊進行分析計算，將RT模塊的處理結果，在計算機上實時顯示和記錄。

針對設計的參數檢測系統來說，系統軟件主要的任務包括以下功能。

（1）檢測系統的精確控制：通過軟件程序設計，精確控制系統硬件，使直流發電機運行在需要檢測狀態，并控制各個模塊之間的通信和數據傳輸。完成對直流發電機參數檢測和分析。

（2）數據的記錄與處理：主要對直流發電機的各檢測參數進行記錄，以便用戶按照自己的需求進行查詢和調用。

（3）提供良好的人機交互界面，簡單、操作方便的界面是軟件必不可少的。

首先將系統軟件劃分為各個功能模塊如：過程控制、數據采集、數據配置、數據分析、數據顯示等，再將這些模塊具體化為更小的模塊。這樣，不僅保證了設計程序結構清晰、便于維護，也有利于功能的全面化，防止運行出現混亂。系統軟件的整體規劃示意圖如圖3所。

整個軟件系統大體分為三層：上層是上位機顯示層；中層是RT實時控制層；下層是FPGA信號采集、輸出端口配置、以及控制信號輸出層。

上層是上位機顯示層，利用PC機為顯示平臺，通過以太網與sbRIO控制器通信，主要實現初始化參數的設定和發電機性能參數的實時顯示、存儲。

中層是RT實時控制層，接收來自上位機的初始化參數，并把控制參數傳遞給FPGA模塊，控制伺服電機帶動發電機運行；同時接收來自FPGA采集的發電機參數，通過分析、運算，將結果傳遞給上位機模塊。

下層是FPGA信號采集、輸出端口配置層、以及控制信號輸出層。依靠sbRIO的I/O口，實現控制信號輸出，根據外部設備的參數類型，配置采集參數類型，對發電機的參數采集，并傳給RT模塊。

噪聲的抑制

研究表明發電機檢測的噪聲主要是均勻白噪聲和高斯白噪聲，為了比較小波變換和小波包變換兩種噪聲抑制方法的效果，采用Matlab仿真正弦信號，并疊加高斯白噪聲，分別采用小波變換和小波包變換，進行噪聲抑制運行結果如圖4所示。

從上圖可以看出，在選用相同小波基函數和消噪層數的前提下，小波包變換消噪效果更好。所以采用小波包變化抑制噪聲。論文文應用LabVIEW編程語言對NI的sbRIO-9623進行程序設計，在編寫LabVIEW程序時可以嵌入其它程序，如C、C++、Matlab程序，為了操作者的方便快捷，本文選用LabVIEW+Matlab混合編程的方法實現與噪聲的抑制，這樣操作者就只需要在LabVIEW程序里，就完成了噪聲的消除

系統對永磁風力直流發電機的測試

應用本文設計的檢測系統對先o型風力直流發電機進行檢測：首先是把模擬實際風的仿真數據作為控制伺服電機的輸入信號，讓交流伺服電機帶動小型風力直流發電機模擬實際風場進行運行，然后檢測小型風力直流發電機的輸出電壓、電流、轉矩和轉速信號，計算它的輸入、輸出。并繪制電壓、電流、輸入功率，以及輸出功率曲線。

本文主要就如下兩種組合風作為控制信號進行了測試：一是應用對陣風與基本風的組合風仿真結果；二是應用陣風、基本風、漸變風和隨機風的組合風（即自然風）仿真結果。

首先，應用對陣風與基本風的組合風仿真結果，作為伺服電機的控制信號，控制伺服電機帶動小型直流風力發電機運行，檢測小型風力直流發電機的轉速、轉矩、電壓、電流，計算出輸入，輸出電壓，并以曲線的形式顯示在計算機上。首先在RT模塊仿真出陣風和基本分組合的波形，并以0～5V的模擬電壓信號形式傳送到FPGA模塊，通過FPGA模塊分配的I/O口，將控制信號傳送給伺服驅動器，控制伺服電機帶動直流發電機運行，同時將FPGA模塊通過端口采集的電壓、電流、轉速和轉矩信號傳送到RT模塊，由RT模塊處理，計算出直流發電機的輸入功率、輸出功率，并繪制出它們的曲線，將曲線在電腦上進行顯示。陣風和基本風組合發電機參數采集結果如圖5所示。

圖4　小波變換和小波包變換噪聲抑制運行結果

從上圖可以看出左上角的圖形顯示的是基本風、陣風以及有它們組合的合成風，從圖中可以看出當把基本風設為2.5m/s，陣風的最大值設為0.4m/s，而且是一個按照余弦規律變化的一個波形，它們合成風也是一個具有余弦規律變化的一個波形，將這個波形信號作為控制信號，驅動伺服電機帶動直流發電機。

檢測到反映直流發電機轉速的電壓以及實際轉速都與這個控制信號具有很高的相關性，變化趨勢幾乎一致。同時，采集到直流發電機產生的輸出電壓曲線與控制信號電壓曲線的變化趨勢幾乎一致，只是幅值上的區別，這說明直流發電機的輸出電壓與轉速變化一致。

但是直流發電機的電流和轉矩變化不是很明顯，且都比較小。還有直流發電機的輸入功率波動比較大，而輸出功率的波動相對較小，估計是由直流發電機的轉速和轉矩變化波動引起。

然后，應用陣風、基本風、漸變風和隨機風的組合風仿真結果，作為伺服電機的控制信號，控制伺服電機帶動小型風力直流發電機運行在該組合風下，并檢測直流發電機的轉速、轉矩、電壓、電流，計算出輸入，輸出電壓，并在電腦上進行顯示

程序的設計思想與應用基本風和陣風時一致。首先應用仿真結果控制伺服電機帶動直流發電機運行，同時采集的電壓、電流、轉速和轉矩，并計算出直流發電機的輸入功率、輸出功率，并繪制出曲線，將曲線在電腦上進行顯示。陣風和基本風組合發電機參數采集結果如圖6所示。

從圖6可以看出左上角圖形顯示的是基本風、陣風，漸變風和隨機風合成的自然風，其中左上角最上面的曲線就是合成的自然風，將這個波形信號作為控制信號，輸入到伺服電機的驅動器，驅動伺服電機帶動直流發電機模擬實際風場的運行狀態，對直流發電機進行檢測。檢測結果表明：

（1）檢測到反映直流發電機轉速的電壓，以及實際轉速電壓控制信號的相關性就沒有基本風與陣風合成風那么好，說明在實際風場中，直流發電機轉速變化波動確實很大。

圖5　陣風和基本風組合發電機參數采集

圖6　自然風合成與參數檢測結果

（2）檢測到直流發電機產生的輸出電壓曲線與控制信號電壓曲線的變化趨勢也不是很相關，但是與直流發電機的實際轉速曲線很相關，這就說明直流發電機的輸出電壓和它的轉速有密切的關系。

（3）檢測到直流發電機產生的輸入、輸出功率變化的波動性比較大，說明該直流發電機的輸入、輸出功率穩定性不好。

（4）電流和轉矩變化不是很明顯，且都比較小。

結語

本文設計的直流發電機電性能參數檢測系統，能夠對直流發電機的電性能參數進行檢測。應用該系統在模擬環境下對一個小型風力直流發電機的輸出特性進行了測試，測試時主要在模擬基本風和陣風的組合風，以及自然風兩種情況下進行，測試結果較好的反映了直流發電機的性能特點，驗證了該檢測系統具有一定的實用性和實用價值，能夠對直流發電機的電性能參數進行檢測，根據檢測的參數能夠對直流發電機的性能進行評估，達到了預期的設計目標。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.17.029