基于數據流的風力發電變流系統控制軟件設計

劉 旭，張竹嫻

(1.湖南勞動人事職業學院，湖南 長沙 410000；2.長沙學院，湖南 長沙 410022)

基于數據流的風力發電變流系統控制軟件設計

劉 旭1，張竹嫻2

(1.湖南勞動人事職業學院，湖南 長沙 410000；2.長沙學院，湖南 長沙 410022)

風能作為可再生能源的重要組成部分，近年來倍受關注.對于風力發電機組，并網變流系統是決定其輸出電能質量的關鍵環節.采用PEBB電力電子集成模塊化設計方法，設計了變流系統的硬件結構，然后應用數據流體系設計其控制軟件.通過搭建的直驅風力發電變流系統實驗平臺，觀察了有功調節、無功調節以及在外界擾動下系統的抗干擾性能實驗結果波形.實驗結果表明設計的風力發電變流系統控制策略及軟件符合技術指標要求，提高了風電變流系統的工作效率及其經濟效益.

風力發電；變流系統；PEBB 控制軟件

風能具有不穩定、具有氣候性等特點，在風力發電系統并網運行過程中，其難點在于如何更好地獲取最大風能的同時保證電能質量.當前，風力發電機組的主流結構為變速恒頻風力發電機組，其中以直驅型永磁風力發電機組應用前景最好.它具有可靠性高、能量轉換效率高、容易實現低電壓穿越、維護成本低、并網功率控制靈活等諸多優點[1,2].

一般來說，為了捕獲最大風能，直驅型風力發電機組通常要跟隨風速的變化而變化，導致發電機輸出電壓經常會發生變化，十分不穩定.而電網電壓的頻率和幅值都是恒定的，直接將發電機輸出電壓并到電網上肯定是不行的，因此，這中間需要一個全功率變流器穩定發電機輸出電能的質量[3-5].同時，隨著人們用電水平的提高，風力機組的功率將來會越來越大，相應地全功率變流器的功率也將不斷提高，其結構將會更為復雜，并且體積也會隨之變大，這一系列的發展趨勢給風電機組的維護和設計帶來了巨大地挑戰.為了能夠在質量、可靠性和成本多方面對全功率變流器進行改進，必須要發展一種綜合技術來實現全功率變流器的模塊化和標準化設計.

本文采用美國海軍研究機構提出的PEBB電力電子集成模塊化設計方法，模塊化、標準化地設計變流系統的硬件結構，改進該電力電子系統的可靠性，降低系統的維護成本，然后應用數據流體系設計其控制軟件.

1 數據流軟件體系

將PEBB具體投入使用時，為了更好地拓寬電力電子系統的應用范圍，應該要選擇合適的控制軟件設計方法，以實現模塊功能的配置[6].傳統的電力電子控制軟件，主要采用前后臺系統(Foreground/Background System)或主程序—子程序的形式.這種軟件控制方法通過構造一個主程序實現循環結構，于循環中調用子程序實現各模塊功能.這種軟件結構易于理解，但是它與硬件的相關性過大，軟件的可重用性低，設計人員在具體設計時修改和升級會十分困難，不適用于大型的電力電子系統的軟件開發.而數據流軟件設計方法，以結點作為基本計算單元，箭頭表示數據的流向，以數據流圖為載體實現控制算法.它具有十分靈活的模塊化設計思路，并且每一個節點就是一個獨立的執行單元，不受具體應用環境的限制，具有高的獨立性和重用性，十分適用于基于PEBB的電力電子系統的控制軟件設計.

數據流軟件體系，是對過程控制中數據流的“自頂向下，逐步求精”的處理過程，只依賴于數據的來源，而不用關心數據到來的先后順序[5].數據流體系的典型結構可通過節點和箭頭進行表述，如圖1所示.

圖1 數據流軟件體系結構

圖中，一個節點代表的是一個計算單元(Unit) ，稱為基本控制對象ECO.箭頭則是一種具有緩沖功能的數據通道(Data Channel)，它表示數據流的流向只能是單向的，即只能從源節點將數據傳遞到目標節點.每個節點對應一個獨立的計算單元，節點的接口在功能確定的同時進行標準化，不同節點能夠同時執行.節點可有多個輸入數據來源，輸出數據也可有多個輸出去向.每一個節點只有當數據到達時才被激活，無數據時不工作[7].各個節點按照一定方式形成數據流圖，完成控制任務.

我們可以看到，數據流體系中，各節點之間只有數據交換，再無其他任何交互，使得該軟件體系具有高可重用性.而每一個節點單獨完成其任務，并且可并行執行保證了該軟件體系的實時性.同時，該軟件體系的數據流走向十分清晰明了，易于設計者理解及系統維護和改進[8].應用數據流體系設計控制軟件，就是將控制算法進行分解，按照一定的方式構成一個有機整體，實現控制任務.

2 基于數據流的風電變流系統控制軟件設計

2.1 直驅永磁風力發電變流系統控制結構

為了提高風力發電系統的整體性能，較好實現風力發電機組的變速恒頻運行，直驅永磁風力發電機組采用雙PWM全功率變流器.

圖2 直驅永磁風力發電機組變流器主拓撲電路

圖中，與低速永磁同步發電機相連接的是兩組橋式PWM變流器，與網側相連的是同樣結構的兩組橋式PWM變流器.變流器中所采用的電力電子器件均由可控IGBT組成，通過對電力電子器件通斷的控制，網側變流器起到整流器的作用，實現對風力發電機組輸出電壓的整流，機側變流器則起到逆變器的作用，穩定直流母線電壓值.

2.2 基于PEBB的變流系統硬件結構設計

為了模塊化設計變流系統的硬件結構，本文基于PEBB技術將直驅永磁風力發電系統進行了分層設計，其層次結構如圖3所示.

圖3 基于PEBB的直驅永磁風電力發電機組變流系統層次結構框圖

本文設計的基于PEBB的直驅永磁風力發電機組變流系統共分為4層，它們分別為應用控制層、變換器控制層、PEBB控制層以及PEBB層.其中，變流系統控制層整個變流系統的控制核心，主要任務是完成網側和機側變流器的控制，其具體設計框圖如圖4所示.

圖4 變流器控制層具體設計框圖

2.3 風力發電變流系統控制軟件具體設計

變流系統控制軟件的任務是完成網側和機側變流器的控制，需要與上層總控制軟件進行通信，并控制下層硬件結構完成控制任務.因此，本文將風電變流系統整體的控制分為上層總控制和下層總控制兩部分，每部分由眾多ECO模塊按照一定方式組合成數據流圖實現，上下層之間通過CAN總線進行通信

2.3.1 變流器控制層控制軟件設計

根據永磁直驅風電機組變流系統控制方案和基于PEBB變流系統硬件方案，變流器控制層需要完成機側變流器的轉速外環控制、網側變流器的直流電壓外環控制、跟機組主控制器的實時工業以太網通信和與PEBB控制層的CAN通信，控制軟件的主要文件包括常規任務程序文件和實時控制任務調度文件兩類文件組成(如圖5所示).

圖5 變流器控制層控制軟件組成

2.3.2 變流器控制層實時控制任務調度處理程序的數據流分析

(1)機側變流器轉速閉環調節程序

圖6 機側變流器轉速閉環調節程序數據流圖

(2)網側變流器直流電壓閉環調節程序

圖7 網側變流器直流電壓閉環調節程序數據流圖

(3)以太網通信程序

圖8 以太網通信發送端數據流圖

圖9 以太網通信接受端數據流圖

(4)CAN通信程序

圖10 變換器控制層CAN通信數據流圖

2.3.3 變流器控制層主要程序模塊設計與實現

例：PI控制算法模塊設計與實現如下

PI控制算法模塊(又叫PI調節器)主要功能是根據給定值與實際值的差值，調整控制量以使得實際系統能夠跟蹤給定.因此，對于一個PI modulator ECO，它的輸入數據主要實際系統的采樣值或者檢測值以及給定值.這些數據由數據通道提供，同時，該模塊還需要設定PI調節器的參數比例系數(KP)和積分系數(KI)以及dq軸的參考電流dd_ref、dq_ref，其模塊結構如下：

圖11 PI控制算法模塊結構圖

其中，dd、dq為PI調節模塊的輸入數據，通過內部的PI增量式控制算法，得到跟蹤給定d、q軸電流的輸出電壓信號.PI調節的具體實現算法流程圖如圖12所示.通過將從采樣模塊反饋得到的dd和dq值分別與給定值dd_ref、dq_ref進行比較得到偏差值Err_dd和Err_dq，然后進行PI增量式運算，得到電壓增量值，進行最后的控制量運算及限幅處理得到最終輸出.

其中，PI增量式運算算法如公式1所示：

(1)

圖12 PI調節算法流程示意圖

其中，Kp和KI是模塊預先設定的參數，可人為調整，dq軸的參考電流dd_ref、dq_ref由設計人員根據實際情況進行設定和調整.

(2)CAN通信模塊

CAN通 塊的設計主要包括三大部分：初始化控制器，數據息的發送與接收.設計時CAN控制器的發送和接收報文，都采用了擴展數據幀格式，發送和接收信息采用中斷方式.

2.4 PEBB控制層控制軟件設計

2.4.1 PEBB控制層控制程序文件組成

圖13 PEBB控制層控制軟件組成

PEBB控制層需要完成機側變流器的永磁電機磁場定向控制或網側變流器的電網電壓定向控制，為了實現上述兩個控制，PEBB控制層采集交流側電流，通過CAN通信接受來自變換器控制層的電流給定、永磁電機轉角和轉速、電網交流電壓及相角等信息，執行電流閉環計算、坐標轉換計算和空間矢量調制計算，通過數字信號處理器內部PWM發生器產生IGBT驅動信號，達到電能形式的變換、穩定地向電網輸送電能.PEBB控制層控制軟件的常規任務程序文件包括向量配置表、主程序和數據配置文件，實時控制任務調度文件包括電流閉環調節程序、與變換器控制層的CAN通信程序和變流器保護程序，程序組成如圖13所示.

2.4.2 PEBB控制層實時控制任務調度處理程序的數據流分析

(1)磁場定向控制或電網電壓定向控制程序數據流分析

圖14 PEBB控制層程序流程圖

(2)CAN通信程序數據流分析

圖15 PEBB控制層CAN通信數據流圖

2.4.3 變換器控制層主要程序模塊設計與實現

變換器控制層主要程序模塊中包含了輸入采樣與處理、坐標變換、PI調節器及空間矢量調節等多個ECO模塊.

例：輸入采樣處理ECO模塊ADC_A和ADC_B的實現如下

輸入采樣過程主要是對輸入數據進行濾波，減少由于采樣過程的噪聲或者其他干擾因素帶來的不利影響，其處理流程圖如圖16所示.

其中，數字濾波方法可采用簡單的限幅濾波法，即通過計算連續兩次采樣值的偏差與允許的最大偏差進行比較，來確定本次采樣值是否有效.超出最大偏差，放棄本次采樣值，用前一次采樣值代替本次采樣值.在允許偏差范圍內，則保留本次采樣值.其具體的C語言實現過程如下：

圖16 輸入采樣處理流程圖

/* A值可根據實際情況調整 value為有效值，new_value為當前采樣值濾波程序返回有效的實際值*/

#define A 10

char value;

char filter()

{

char new_value;

new_value = get_ad();

if ( ( new_value - value > A ) || ( value - new_value > A )

return value;

return new_value;

}

同時，控制量還需要進行規格化處理，是因為DCS系統中各個模塊之間輸入輸出的運算信號往往是規格化的，并且上、下位機通信時，規格化的數據能夠使得通信更為可靠.

3 實驗結果及分析

經過直驅風力發電變流系統實驗平臺模擬風力發電系統的運行情況，通過觀察有功調節、無功調節以及在外界擾動下系統的抗干擾性能實驗結果波形，充分驗證了控制軟件的控制效果.

3.1 有功調節實驗結果分析

有功調節過程表明，這種直驅風力發電變流控制系統電流調節速度快，且超調量小，控制穩定.

圖17 有功調節實驗波形圖

3.2 無功調節實驗結果分析

圖18 無功調節實驗波形圖

無功調節過程表明，這種直驅風力發電變流控制系統電流調節速度快，且超調量小，控制穩定.

3.3 風力發電變流系統抗干擾性能驗證

為了驗證系統能否在受到干擾的情況下仍然能夠穩定直流母線電壓在某一恒定值，通過在負載端突加負載，觀察其母線電壓波形，如圖19所示.

圖19 負載突變時的母線電壓波形

由圖可知，直流母線電壓會出現短暫的動態變化，超調量比較小，并且能夠很快保持在穩定值不變.可見，該風力發電變流系統調節性能十分優秀，此方案完全可以滿足系統的要求.

4 結論

本文基于PEBB模塊化設計平臺，設計了直驅型風力發電機組并網逆變器的分布式控制硬件結構.然后將并網變流器總體控制分成上層控制器和下層控制器兩層，基于數據流體系實現了控制軟件的設計.數據流系統通過將控制算法進行分解并以ECO模塊的形式實現，能夠使控制軟件的設計獨立于硬件結構，降低控制軟件設計的復雜程度.基于數據流體系設計變流系統對提高風電變流系統的工作效率及其經濟效益具有十分積極的意義.

[1] 鐘方國,趙鴻漢.風力發電發展現狀及復合材料在風力發電上的應用[J].纖維復合材料,2006,(3):48-54.

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[3] 王志業,張傳金. 直驅式風力發電系統并網變流器研究[J].電測與儀表,2011,(11):39-44.

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[6] 董新偉.電力電子系統集成中控制技術相關問題研究[D].杭州:浙江大學博士學位論文,2006.

[7] 楊世瀚,王灝. “管道-過濾器”軟件體系結構風格的形式化[J].小型微型計算機系統,2000,(21):1214-1216.

[8] 肖媛元. 基于數據流風格的ATM系統的軟件體系結構研究[J]. 科技信息,2010,(17):599.

(責任編校：晴川)

Design of Control Software for Wind Power Generation Converter System Based on Data Flow

LIU Xu, ZHANG Zhuxian

(1. Hunan Labor and Human Resources Vocational College, Changsha Hunan 410000, China; 2. Changsha University, Changsha Hunan 410022, China)

As an important part of renewable energy, wind energy has attracted more and more attention in recent years. The grid connected converter system is the key link for the output power quality of wind turbine. In this paper, the hardware structure of the converter system is designed based on the PEBB power electronics integrated modular design method, then the data flow system is used to design the control software. Through the experimental platform of direct wind power-drive converter system, the waveforms of the anti-jamming performance experiment were observed in cases of active power regulation, reactive power regulation and subjected to external disturbance. The experimental result shows that the design of wind power converter system control strategy and software accords with the technical requirements, and can improve the work efficiency and economic benefits of wind power converter system.

wind power generation; converter system; PEBB control software

2017-02-09

2016年湖南省教育廳科學研究項目(批準號：16C0714).

劉旭(1985— )，男，湖南祁東人，湖南勞動人事職業學院助理政工師，碩士.研究方向：軟件工程電氣信息.

TM315

A

1008-4681(2017)02-0045-06