PROFIBUS總線橋在風力發(fā)電中的應(yīng)用———PROFIBUS總線橋在風力發(fā)電中的應(yīng)用

［摘要］：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(chǔ)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(yīng)時間有較高要求的用戶，以O(shè)EM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(yīng)的存儲區(qū)中，同時從OEM1的對應(yīng)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)。［關(guān)鍵詞］：風電變頻器 PROFIBUS 總線橋

引言
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。

圖1 帶有PROFIBUS接口的風電變頻器
1.2 設(shè)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(yīng)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(shè)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(shè)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(chǔ)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(yīng)時間有較高要求的用戶，以O(shè)EM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(yīng)的存儲區(qū)中，同時從OEM1的對應(yīng)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(yīng)，最大波特率12M；
▲ PROFIBUS 輸入/輸出數(shù)量可自由設(shè)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(shè)置的參數(shù)在主站配置中設(shè)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(shè)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：0～ 50℃；
▲ 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
地 址內(nèi) 容注 釋地 址內(nèi) 容注 釋
0000版本代碼（保留）0100版本月份（保留）
0001版本年份（保留）0101版本日期（保留）
0002空閑0102空閑
0003‥‥0103‥‥
0004用戶模板狀態(tài)字節(jié)10104接口板狀態(tài)字
0005用戶模板狀態(tài)字節(jié)2‥‥0105接口板狀態(tài)字‥‥
0006命令字節(jié)1來自用戶模板0106備用
0007命令字節(jié)2‥‥‥‥‥‥
‥‥備用‥‥‥‥
000F‥‥010F‥‥

0010初始化數(shù)據(jù)0（站號）0110用戶參數(shù)數(shù)據(jù)1來自Profibus主站
0011初始化數(shù)據(jù)1（ID號H）0111參數(shù)數(shù)據(jù)2 ‥‥
0012初始化數(shù)據(jù)2（ID號L）0112參數(shù)數(shù)據(jù)3 ‥‥
0013初始化數(shù)據(jù)3（CFG長度≤8）0113參數(shù)數(shù)據(jù)4 ‥‥
0014初始化數(shù)據(jù)4（CFG數(shù)據(jù)1）0114參數(shù)數(shù)據(jù)5 ‥‥
‥‥‥‥（CFG數(shù)據(jù)n）0115參數(shù)數(shù)據(jù)6 ‥‥
001D初始化數(shù)據(jù)13備用0116參數(shù)數(shù)據(jù)7 ‥‥
001E初始化數(shù)據(jù)14PB輸入長度‥‥‥‥‥‥
001F初始化數(shù)據(jù)15PB輸出長度‥‥‥‥‥‥
0020初始化數(shù)據(jù)16用戶參數(shù)長度0110+L-1 參數(shù)數(shù)據(jù)L L = （L_ini[16]）
0021初始化校驗和字H17∑0010-00200110+L用戶參數(shù)校驗和字H∑0110-（0110 + L-1）
0022初始化校驗和字L18‥‥0110+L+1用戶參數(shù)校驗和字L‥‥
‥‥備用‥‥備用
002F‥‥014F‥‥

0050Profibus輸入字節(jié)長度mm <= 1120150Profibus輸出字節(jié)長度n<= 112
0051Profibus輸入字節(jié)1來自用戶模板0151Profibus輸出字節(jié)1來自Profibus主站
0052Profibus輸入字節(jié)2‥‥0152Profibus輸出字節(jié)2‥‥
‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥
0051+mProfibus輸入字節(jié)m‥‥0150+nProfibus輸出字節(jié)n‥‥
‥‥Profibus輸入校驗和字H∑0050-0050+m‥‥Profibus輸出校驗和字H∑0150-0150+n
‥‥Profibus輸入校驗和字L‥‥‥‥Profibus輸出校驗和字L‥‥
00C4備用01C4備用

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(yīng)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(yīng)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(shè)備及儀表等等。
▲ 提供方式：以O(shè)EM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(shè)置的參數(shù)通過GSD文件在主站配置中設(shè)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(shè)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(yīng)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。

備注：采用鼎實公司嵌入式板卡PB-OEM2-SE、PB-OEM3-IO和PB-OEM4-PCI同樣可以開發(fā)其他類型的PROFIBUS從站。