面向工程需求的风力发电实践教学平台的开发

张 强， 张敬南

(哈尔滨工程大学 自动化学院，哈尔滨 150001)

0 引 言

伴随着风力发电技术的推广和应用，与其相关的生产、制造等产业也获得了迅猛发展，并成为当前大学生就业的热门。在风力发电技术领域，企业急需工程知识基础扎实且具备一定创新意识和能力的专业人才。因此需要高校的相关专业在风力发电技术方面，加强对在校学生的培养与锻炼，使之毕业后能够具备相关的工程实践和创新能力。由于现有的各种风力发电装置不仅造价昂贵，而且不具备为学生开设实验的功能，因此一些高校开始自主研制相关的实验装置以满足实际需求[1-15]。但是受到硬件和软件结构复杂等因素的制约，这些实验装置的可操作性和功能拓展性受到了限制，往往只能进行规定内容实验或演示性操作。为了能够面向风力发电的实际工程需求，增强学生对相关工程技术的分析、设计、解决、创新能力，本文以原有的科研成果——低频逆变器和直流可调电压源为基础，通过对硬件电路和软件程序采用模块化改造和开放式设计等措施，开发出了能够为大学生相应工程能力锻炼提供有效支撑的实践教学平台。

1 总体方案设计

为了确保实践教学平台具有良好的可操作性和功能拓展能力，在平台的总体设计上采用了模块化、开放式的设计方法。

模块化是指在硬件电路和软件程序的设计中，以功能为依据来划分成为多个不同的电路模块和程序模块：电路模块之间具有明确的硬件接口定义，例如I/O通道数及其电平幅值、A/D通道数及其电压变化范围等；而程序模块之间依靠全局变量实现横、纵联系，构成完整的程序框架。无论是电路模块还是程序模块，只要能实现指定的功能，满足接口需求，其内部的具体设计和实现方式可灵活选择或自主设计。

开放式是指在硬件电路和软件程序的设计中，每一个模块所涉及的电路参数或程序代码都是对外公开的，参与的学生可以根据需要对其进行修改和调试，并且也可以在原有的总体结构中加入新的功能模块，以提升平台的总体性能。

基于以上设计思想，所开发的双馈风力发电实践教学平台主要由风力机模拟系统、双馈风力发电机系统和上位机等3个主要部分组成，其总体结构框图如图1所示。风力机模拟系统主要是用来替代实际的风力机和变速箱，实现对风速变化的有效模拟，具体包括调速电机和调速控制装置；双馈风力发电机系统由双馈发电机和发电控制装置构成，当风速(即发电机的转子转速)变化时，通过对励磁电流的控制实现变速恒频发电运行；上位机主要是实现人机对话功能，实验人员可通过上位机对风力机模拟系统和双馈风力发电机系统的运行状态予以调节、控制，并获得运行的相关数据。

图1 总体结构框图

在原始设计方案(即平台所提供的，能够实现基本功能的设计方案)中，调速电动机选用的是额定功率为2.8 kW、额定电压220 V、额定转速1 500 r/min的他励直流电动机；双馈发电机利用三相绕线式异步电动机替代，其功率等级和转速与调速电机相匹配；上位机选用台式计算机，利用串行总线实现数据通信。

2 调速控制装置设计

(1)调速主电路设计。调速主电路以原有的直流可调电压源为核心，采用单相全桥整流接滤波电容得到300 V左右直流电压，再经过BUCK式DC-DC变换电路得到0～280 V输出连续可调直流电压。BUCK电路中的电力电子器件为IGBT(原始设计中具体型号为BSM100GB120DN2)，滤波电感值选为5 mH，滤波电容值为470 μF。

(2)调速控制电路设计。调速控制电路主要由处理器电路模块、驱动电路模块、信号检测电路模块等构成：①处理器电路模块通过对调速电机运行状态的检测，利用具体的控制算法生成BUCK电路中IGBT的驱动信号，同时完成与上位机的数据通信。因此要求处理器电路必须具备多路高精度A/D和I/O接口，拥有快速的数据处理能力，同时具有一种或几种数据总线，在原始设计中选用了美国德州仪器公司生产的32位浮点DSP芯片TMS320F28335作为中央处理器，此外ARM模块或高性能的单片机系统都可以作为备选方案；②驱动电路模块用于对处理器电路模块输出的驱动信号进行电气隔离和功率放大，该电路模块需对外提供至少1路数字信号输入通道和1路功率信号输出通道。驱动电路可以利用光耦和分立器件搭建，进而锻炼学生的电路设计和调试能力，也可以为了提高运行安全和可靠性而直接选用现有的集成电路。原始设计选用了集成驱动电路M57962L辅以相应的外围电路的方案；③信号检测电路模块中首先包含有调速电动机转速检测电路，用以将调速电动机的转速信号反馈给处理器，原始设计中采用光电码盘(MK8030G-1024BM-T5)作为速度传感器，光电码盘输出的脉冲信号经过电平转换处理后，送至处理器的高速I/O口，此外测速电动机、霍尔式位置传感器也可以用于电动机的转速测量；其次考虑到电动机转速控制策略的需求，信号检测电路模块中还应包含有电流检测电路，进而对电动机的电枢电流进行检测形成电流闭环控制，原始设计中采用霍尔式电流传感器实现对电流的高精度采集。该电路模块与处理器电路模块之间至少需要1路高速I/O通道和1路A/D通道。

3 发电控制装置设计

发电控制装置主要由发电机励磁主电路和发电机控制电路构成。

(1)发电机励磁主电路设计。双馈风力发电机的转子侧励磁主电路以原有的低频逆变器为核心，具体为背靠背式AC-DC-AC电力变换电路，其中的网侧变换器和转子侧变换器的结构完全相同，均为三相三桥臂拓扑结构，原始设计中电力电子器件选用的是三菱公司的IPM智能功率模块(型号为PM100CSA060)，与其他功率开关器件相比，IPM具有开关速度快、开关功耗低、抗干扰能力强和硬件电路设计简单等优点，可有效地提高主电路的运行可靠性。

(2)发电机控制电路设计。与调速控制电路相似，发电机控制电路也主要由处理器电路模块、驱动电路模块、信号检测电路模块等构成：①由于发电控制需要采集的运行数据和生成的PWM信号数量较多，因此对处理器电路模块的硬件资源数量和性能也提出了更高的要求，原始设计中考虑到与调速控制电路的通用性，故仍选用了DSP芯片TMS320F28335作为中央处理器；②驱动电路模块，无论是网侧变换器还是转子侧变换器都需要对外提供6路数字信号输入通道和6路功率信号输出通道，在电路模块内部除了要实现电气隔离和功率放大功能外，最重要的是要避免桥臂的上下直通故障，因此需要具备直通故障保护电路。在原始设计中，采取了如图2所示的互锁保护电路，同一桥臂的上桥臂导通信号EPWM1A和下桥臂通信号EPWM1B经过电气隔离和逻辑互锁处理后，生成对应的PWM1A和PWM1B信号，才最终送至IPM模块的对应驱动输入引脚。当EPWM1A和EPWM1B信号同时为“1”时，对应的PWM1A和PWM1B信号会同时为“0”，因此可以有效防止桥臂上下直通故障的发生；③检测电路模块，主要由电压和电流检测电路构成，用以分别实现对交流电压、电流信号的实时采样。由于传感器模块输出的是双极性模拟信号，而DSP的AD转换单元只能处理0～3 V单极性的电压信号，所以需要利用现有的各种运算放大电路对传感器输出信号进行比例调整、电压提升(即加法电路)、电压限幅等操作。原始设计中传感器采用了莱姆公司的电压霍尔传感器(LV25-P)和电流霍尔传感器(LA55-P)。

图2 IGBT驱动脉冲互锁电路

4 控制软件设计

调速控制装置和发电控制装置的控制程序都是由主程序和中断子程序构成，为了便于实验人员的操作和开发，两者的主程序和中断子程序的流程图基本一致，如图3所示。

(a)主程序流程图(b)中断子程序流程图

主程序由初始化程序模块、通信程序模块等构成。其中初始化程序模块主要完成系统时钟、中断寄存器等基本设置，以及I/O、A/D等硬件资源的配置。通信程序模块用于实现处理器与上位机之间的数据交换，处理器从上位机获得指令，进而调节运行状态，同时将采集到的运行数据传递给上位机。

中断子程序由A/D采集程序模块、数据滤波程序模块、软件保护程序模块、控制算法程序模块等构成。A/D采集程序模块用于对主电路的运行状态数据进行采集，对于调速控制装置，这些数据包括调速电动机的电枢电流、转速等信息；对于发电控制装置，这些数据包括转子侧的励磁电流、直流母线电压和定子侧输出电压等信息。数据滤波程序模块是对采集到的各种数据进行滤波，以消除高次谐波和干扰信号。软件保护程序模块通过对采集到的运行数据进行分析，判断是否有过压、过流等状态的发生，如果会危及到安全运行，则立即封锁PWM信号并退出中断，否则正常执行后续程序。控制算法程序模块根据采集到的运行数据，利用具体的算法实现闭环控制：调速控制装置的控制目标是电动机的转速，一般多采用转速、电流双闭环控制；发电控制装置的控制目标是变速恒频发电运行，因此可利用输出电压、励磁电流等信息构成闭环控制。

5 实验验证

根据上述设计方案，经过对原有低频逆变器和直流可调电压源的硬件和软件进行改造和重新编程，开发出的双馈风力发电实践教学平台各组成部分的实物照片如图4所示。

在实验过程中，参与实验的学生创新团队编写了以PI控制器为核心的转速、电流双闭环调速控制策略，和以PR控制器为核心辅以SVPWM调制技术的发电控制策略，通过上位机向调速控制装置发出调速指令改变电动机的转速，发电控制装置根据发电机输出电压参数的变化，自动调节双馈发电机的励磁电流，进而实现变速恒频发电运行。图5为模拟原动机转速为1 425 r/min时，利用示波器观察到的双馈发电机转子侧励磁电流波形(电流传感器输出波形)和定子侧输出电压波形(利用两个5 kΩ的电阻分压检测)。从波形中可以看出，此时转子侧励磁电流的频率为2.5 Hz，刚好为转差频率，进而确保了定子侧输出电压频率恒定在50 Hz，定子侧输出电压有效值始终稳定在220 V左右。

(c)调速电动机和双馈发电机

(a)励磁电流波形

(b)发电机输出电压波形

由于所开发的平台是利用三相绕线式异步电动机来替代实际的双馈发电机，致使转子侧的谐波磁场对定子侧输出影响较大，在定子输出电压中形成高次谐波。这些谐波分量的存在，不利于实际分析和控制，因此学生创新团队针对采集到的输出电压数据编写了低通滤波程序模块，并且将滤波前后的数据利用通信总线上传至上位机，在上位机上观察到的滤波前后输出电压波形如图6所示。通过比较可以看出，在保证基波电压不失真的前提下，高次电压谐波得到了有效的滤除。

(a)滤波前输出电压波形

(b)滤波后输出电压波形

实验结果表明，开发出的实践教学平台已经具备了对双馈风力发电所涉及到的多项技术进行验证，并验证了模块化、开放式设计的可行性和有效性。

6 结 语

开发出的双馈风力发电实践教学平台，以原始设计方案所提供的软、硬件为基础，侧重于对学生的工程能力、创新性思维和意识的锻炼，即需要学生根据实际工程技术的具体需求，提出切实可行的设计方案，通过自己动手设计硬件、编写程序、联合调试，最终实现对相关技术的验证、改进、开发乃至创新。同时依据该实践教学平台，学生在对技术可行性进行验证的同时，还可以综合考虑经济性、可靠性等诸多因素，实现对解决复杂工程问题能力的培养和锻炼。