PROFIBUS總線橋在風力發(fā)電中的應用

中國的風能資源十分豐富，目前已經(jīng)探明的風能儲量約為3226GW，其中可利用風能約為253GW，主要分布在西北、華北和東北的草原和戈壁以及東部和東南沿海及島嶼上。根據(jù)統(tǒng)計，截至到2006年底，中國大陸地區(qū)已建成并網(wǎng)型風電場91座，累計運行風力發(fā)電機組3311臺，總?cè)萘窟_259.9萬kW（以完成整機吊裝作為統(tǒng)計依據(jù)）。已經(jīng)建成并網(wǎng)發(fā)電的風場主要分布在新疆、內(nèi)蒙、廣東、浙江、遼寧等16個省區(qū)。根據(jù)電監(jiān)會公布的數(shù)據(jù)，截至2006年底,中國發(fā)電裝機容量達到62200萬kW，風力發(fā)電占全國總裝機容量的0.42%。截至到2006年底，全世界總風電裝機容量已經(jīng)達到7390.4萬kW，其中德國總裝機容量2062.2萬kW，位居世界第一，中國2006年風電新增裝機容量僅次于美國、德國、印度和西班牙，列第五位；總裝機容量列世界第六位。因此，風力發(fā)電將成為我國最具大規(guī)模開發(fā)前景的新能源之一。

風力發(fā)電系統(tǒng)主要有恒速恒頻風力發(fā)電機系統(tǒng)和變速恒頻風力發(fā)電機系統(tǒng)兩大類。恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)一般使用同步電機或者鼠籠式異步電機作為發(fā)電機，通過定槳距失速控制的風輪機使發(fā)電機的轉(zhuǎn)速保持在恒定的數(shù)值繼而保證發(fā)電機端輸出電壓的頻率和幅值的恒定，其運行范圍比較窄，只能在一定風速下捕獲風能，發(fā)電效率較低。變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)一般采用永磁同步電機或者雙饋電機作為發(fā)電機，通過變槳距控制風輪使整個系統(tǒng)在很大的速度范圍內(nèi)按照最佳的效率運行，是目前風力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展方向。對于風機來說，其調(diào)速范圍一般在同步速的50%～150％之間，如果采用普通鼠籠異步電機系統(tǒng)或者永磁同步電機系統(tǒng)，變頻器的容量要求與所拖動的發(fā)電機容量相當，這是非常不經(jīng)濟的。雙饋異步風力發(fā)電系統(tǒng)定子和電網(wǎng)直接相連接，轉(zhuǎn)子和功率變換器相連接，通過變換器的功率僅僅是轉(zhuǎn)差功率，這是各種傳動系統(tǒng)中效率比較高的，該結(jié)構(gòu)適合于調(diào)速范圍不寬的風力發(fā)電系統(tǒng)，尤其是大、中容量的風力發(fā)電系統(tǒng)。

1、帶有PROFIBUS通訊接口的變頻器簡介

西安某風電變頻裝置運用于1.5MW變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組，通過調(diào)節(jié)雙饋發(fā)電機勵磁電流，使得發(fā)電機按最佳功率輸出690V、50Hz的恒定電壓。整個控制過程通過兩個階段實現(xiàn)，額定風速以下，調(diào)節(jié)發(fā)電機反力矩使轉(zhuǎn)速跟隨風速變化，以便按最佳葉尖速比輸出功率；高于額定風速時，配合變槳矩系統(tǒng)改變槳葉節(jié)距限制機組獲取的能量，使風電機組保持在額定功率點發(fā)電。

1．1 功能簡介

　　▲ 最佳葉尖速比控制：根據(jù)風速變化對發(fā)電機轉(zhuǎn)速進行實時調(diào)節(jié)，使得風機在額定功率以下能運行在最大功率捕獲點，優(yōu)化了風機功率輸出性能，提高了整機風能利用率；

　　▲軟并網(wǎng)技術(shù)：調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出電壓的頻率、幅值、相位，使其與電網(wǎng)嚴格同步，實現(xiàn)變速恒頻無沖擊電流并網(wǎng)；

　　▲有功與無功的解耦控制：通過調(diào)節(jié)勵磁電流的有功與無功分量，分別調(diào)節(jié)發(fā)電機的有功功率和無功功率。在可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率因數(shù)，補償電網(wǎng)的無功需求的同時，提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能；

　　▲定子磁鏈定向矢量控制技術(shù)：通過調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁電流實現(xiàn)在不同的轉(zhuǎn)速下的恒頻發(fā)電，滿足用電負載和電網(wǎng)的要求，同時按最佳葉尖速比實時調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出功率，提高了機組的經(jīng)濟效益。

1.2 設計特點

　　▲ 高效的防護措施和成熟可靠的器件選型，使得變頻器適應風電行業(yè)風沙多、溫差變化大和振動大等特殊的工作環(huán)境；

　　▲ 通過PROFIBUS現(xiàn)場總線接口，實時與上位機進行數(shù)據(jù)處理；

　　▲ 模塊化的設計理念，使得變頻器結(jié)構(gòu)緊湊、易于維護；

　　▲ 完善的故障保護和信息顯示，在有效保護風電機組的同時，提供可視化的用戶界面；

　　▲ 高性能的矢量控制和PWM脈沖整流技術(shù)，為變頻器的可靠運行提供了有效保障。

2、基于PB-OEM1-DPRAM嵌入式模塊的PROFIBUS接口的設計

該風電變頻器的PROFIBUS接口是在鼎實科技的嵌入式PROFIBUS接口卡PB-OEM1-DPRAM的基礎上開發(fā)而成。鼎實科技的PB-OEM1-DPRAM專為自主開發(fā)具有PROFIBUS-DP通信功能的產(chǎn)品，且對實時響應時間有較高要求的用戶，以OEM方式提供PROFIBUS-DP從站通信接口。風電變頻器的CPU將PB-OEM1-DPRAM作為一個外存儲器，將PROFIBUS輸入數(shù)據(jù)存入OEM1對應的存儲區(qū)中，同時從OEM1的對應區(qū)域中讀取PROFIBUS輸入數(shù)據(jù)，OEM1自動完成所有PROFIBUS的數(shù)據(jù)交換，用戶不需要關(guān)心PROFIBUS的通訊細節(jié)。

2.1 PB-OEM1-DPRAM技術(shù)指標

　　▲ PROFIBUS-DP協(xié)議，符合EN57170 V2和IEC61158；

　　▲ 標準PROFIBUS-DP驅(qū)動接口，波特率自適應，最大波特率12M；

　　▲ PROFIBUS 輸入/輸出數(shù)量可自由設定，最大112字節(jié)輸入+112字節(jié)輸出；

　　▲ 可實現(xiàn)PROFIBUS用戶參數(shù)化功能：用戶模板可將一次性設置的參數(shù)在主站配置中設定，如溫度上限報警值等；主站在與從站連接時一次將這些用戶參數(shù)傳送到從站，用戶模板可使用這些參數(shù)實現(xiàn)參數(shù)化。用戶參數(shù)化功能的好處是：避免將一次性設置的參數(shù)作為PROFIBUS-I/O，占用周期性數(shù)據(jù)通信時間和空間資源；

　　▲ 接口板與用戶板接口為雙口RAM（25ns讀/寫周期），用戶板按普通RAM的讀寫時序即可對接口板進行操作；

　　▲ 接口板與用戶板之間以互相中斷和硬件握手方式對雙口RAM進行數(shù)據(jù)交換，保證了數(shù)據(jù)交換的實時性和完整性（一致性）；

　　▲ 接口板與用戶模板的數(shù)據(jù)交換有字校驗和，保證了數(shù)據(jù)的安全性：

　　▲ 需用戶板供電2組5VDC：VCC/GND-150mA和5V/0V-100mA；

　　▲ 工作環(huán)境溫度：-25～ 55℃；

　　▲ 工作相對濕度：5～95% ；

　　▲ 外形尺寸（mm）：50×70。

2.2 雙口RAM（1K）單元地址分區(qū)表。

3、PB-OEM1-DPRAM產(chǎn)品特點

　　▲ 開發(fā)周期短：用戶不需要了解PROFIBUS開發(fā)技術(shù)，不需要購買PROFIBUS開發(fā)系統(tǒng)；不需要自己編寫GSD文件，可在短時間內(nèi)完成開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的PROFIBUS產(chǎn)品；

　　▲ 應用簡單：用戶產(chǎn)品的CPU通過雙口RAM向接口板讀/寫輸入/輸出數(shù)據(jù)，接口板自動轉(zhuǎn)換成PROFIBUS-DP協(xié)議與PROFIBUS主站通信。

　　▲ 完整的技術(shù)資料：《PB-OEM1-DPRAM產(chǎn)品手冊》包括：開發(fā)實驗板PB-OEM1- DPRAM Evaluation Board原理圖、雙口RAM通訊協(xié)議、通訊程序C源碼、外形尺寸及接插件尺寸圖、40針接插件管腳定義及說明等，全部資料可從網(wǎng)上下載。

　　▲ 高速：PB-OEM1-DPRAM型產(chǎn)品支持12M波特率，最快數(shù)據(jù)更新周期小于1ms 。

　　▲ 應用廣泛：可廣泛用于各種產(chǎn)品，如變頻器、電機啟動保護裝置、智能高低壓電器、電量測量裝置、各種變送器、智能現(xiàn)場測量設備及儀表等等。

　　▲ 提供方式：以OEM方式提供，因此用戶對產(chǎn)品有自主知識產(chǎn)權(quán)、品牌、商標注冊權(quán)。

　　▲ 最大PROFIBUS-I/O：112字節(jié)輸入+112字節(jié)輸出。

　　▲ 可實現(xiàn)PROFIBUS用戶參數(shù)化功能：用戶模板可將一次性設置的參數(shù)通過GSD文件在主站配置中設定，如溫度上限報警值等；主站在與從站連接時一次將這些用戶參數(shù)傳送到從站，用戶模板可使用這些參數(shù)實現(xiàn)參數(shù)化。用戶參數(shù)化功能的好處是：避免將一次性設置參數(shù)作為PROFIBUS-I/O，占用周期性數(shù)據(jù)通信時間和空間資源。

4、結(jié)束語

該公司采用鼎實公司的PB-OEM1-DPAM嵌入式接口所開發(fā)的風電變頻器，在內(nèi)蒙古某風電廠投運以來，通訊一直正常，有效地保證了自動控制系統(tǒng)的正常運行。“十五”期間，中國的并網(wǎng)風電得到迅速發(fā)展。成為繼歐洲、美國和印度之后發(fā)展風力發(fā)電的主要市場之一。具有PROFIBUS通訊接口的風電變頻器具有廣泛的應用前景。采用PB-OEM1-DPRAM開發(fā)PROFIBUS從站產(chǎn)品具有開發(fā)周期短，性能穩(wěn)定，方便易用等優(yōu)點，在風電產(chǎn)品的開發(fā)領(lǐng)域值得推廣。