PROFIBUS總線(xiàn)橋在風(fēng)力發(fā)電中的應用

中國的風(fēng)能資源十分豐富，目前已經(jīng)探明的風(fēng)能儲量約為3226GW，其中可利用風(fēng)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。根據統計，截至到2006年底，中國大陸地區已建成并網(wǎng)型風(fēng)電場(chǎng)91座，累計運行風(fēng)力發(fā)電機組3311臺，總容量達259.9萬(wàn)kW（以完成整機吊裝作為統計依據）。已經(jīng)建成并網(wǎng)發(fā)電的風(fēng)場(chǎng)主要分布在新疆、內蒙、廣東、浙江、遼寧等16個(gè)省區。根據電監會(huì )公布的數據，截至2006年底,中國發(fā)電裝機容量達到62200萬(wàn)kW，風(fēng)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(fēng)電裝機容量已經(jīng)達到7390.4萬(wàn)kW，其中德國總裝機容量2062.2萬(wàn)kW，位居世界第一，中國2006年風(fēng)電新增裝機容量?jì)H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(fēng)力發(fā)電將成為我國最具大規模開(kāi)發(fā)前景的新能源之一。

風(fēng)力發(fā)電系統主要有恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機系統和變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機系統兩大類(lèi)。恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統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(guò)定槳距失速控制的風(fēng)輪機使發(fā)電機的轉速保持在恒定的數值繼而保證發(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(fēng)速下捕獲風(fēng)能，發(fā)電效率較低。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統一般采用永磁同步電機或者雙饋電機作為發(fā)電機，通過(guò)變槳距控制風(fēng)輪使整個(gè)系統在很大的速度范圍內按照最佳的效率運行，是目前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展方向。對于風(fēng)機來(lái)說(shuō)，其調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或者永磁同步電機系統，變頻器的容量要求與所拖動(dòng)的發(fā)電機容量相當，這是非常不經(jīng)濟的。雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統定子和電網(wǎng)直接相連接，轉子和功率變換器相連接，通過(guò)變換器的功率僅僅是轉差功率，這是各種傳動(dòng)系統中效率比較高的，該結構適合于調速范圍不寬的風(fēng)力發(fā)電系統，尤其是大、中容量的風(fēng)力發(fā)電系統。

1、帶有PROFIBUS通訊接口的變頻器簡(jiǎn)介

西安某風(fēng)電變頻裝置運用于1.5MW變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機組，通過(guò)調節雙饋發(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(gè)控制過(guò)程通過(guò)兩個(gè)階段實(shí)現，額定風(fēng)速以下，調節發(fā)電機反力矩使轉速跟隨風(fēng)速變化，以便按最佳葉尖速比輸出功率；高于額定風(fēng)速時(shí)，配合變槳矩系統改變槳葉節距限制機組獲取的能量，使風(fēng)電機組保持在額定功率點(diǎn)發(fā)電。

1．1 功能簡(jiǎn)介

　　▲ 最佳葉尖速比控制：根據風(fēng)速變化對發(fā)電機轉速進(jìn)行實(shí)時(shí)調節，使得風(fēng)機在額定功率以下能運行在最大功率捕獲點(diǎn)，優(yōu)化了風(fēng)機功率輸出性能，提高了整機風(fēng)能利用率；

　　▲軟并網(wǎng)技術(shù)：調節發(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(shí)現變速恒頻無(wú)沖擊電流并網(wǎng)；

　　▲有功與無(wú)功的解耦控制：通過(guò)調節勵磁電流的有功與無(wú)功分量，分別調節發(fā)電機的有功功率和無(wú)功功率。在可以調節電網(wǎng)的功率因數，補償電網(wǎng)的無(wú)功需求的同時(shí)，提高電力系統的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能；

　　▲定子磁鏈定向矢量控制技術(shù)：通過(guò)調節發(fā)電機勵磁電流實(shí)現在不同的轉速下的恒頻發(fā)電，滿(mǎn)足用電負載和電網(wǎng)的要求，同時(shí)按最佳葉尖速比實(shí)時(shí)調節發(fā)電機輸出功率，提高了機組的經(jīng)濟效益。

1.2 設計特點(diǎn)

　　▲ 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(fēng)電行業(yè)風(fēng)沙多、溫差變化大和振動(dòng)大等特殊的工作環(huán)境；

　　▲ 通過(guò)PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)接口，實(shí)時(shí)與上位機進(jìn)行數據處理；

　　▲ 模塊化的設計理念，使得變頻器結構緊湊、易于維護；

　　▲ 完善的故障保護和信息顯示，在有效保護風(fēng)電機組的同時(shí)，提供可視化的用戶(hù)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(fēng)電變頻器的PROFIBUS接口是在鼎實(shí)科技的嵌入式PROFIBUS接口卡PB-OEM1-DPRAM的基礎上開(kāi)發(fā)而成。鼎實(shí)科技的PB-OEM1-DPRAM專(zhuān)為自主開(kāi)發(fā)具有PROFIBUS-DP通信功能的產(chǎn)品，且對實(shí)時(shí)響應時(shí)間有較高要求的用戶(hù)，以OEM方式提供PROFIBUS-DP從站通信接口。風(fēng)電變頻器的CPU將PB-OEM1-DPRAM作為一個(gè)外存儲器，將PROFIBUS輸入數據存入OEM1對應的存儲區中，同時(shí)從OEM1的對應區域中讀取PROFIBUS輸入數據，OEM1自動(dòng)完成所有PROFIBUS的數據交換，用戶(hù)不需要關(guān)心PROFIBUS的通訊細節。

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驅動(dòng)接口，波特率自適應，最大波特率12M；

　　▲ PROFIBUS 輸入/輸出數量可自由設定，最大112字節輸入+112字節輸出；

　　▲ 可實(shí)現PROFIBUS用戶(hù)參數化功能：用戶(hù)模板可將一次性設置的參數在主站配置中設定，如溫度上限報警值等；主站在與從站連接時(shí)一次將這些用戶(hù)參數傳送到從站，用戶(hù)模板可使用這些參數實(shí)現參數化。用戶(hù)參數化功能的好處是：避免將一次性設置的參數作為PROFIBUS-I/O，占用周期性數據通信時(shí)間和空間資源；

　　▲ 接口板與用戶(hù)板接口為雙口RAM（25ns讀/寫(xiě)周期），用戶(hù)板按普通RAM的讀寫(xiě)時(shí)序即可對接口板進(jìn)行操作；

　　▲ 接口板與用戶(hù)板之間以互相中斷和硬件握手方式對雙口RAM進(jìn)行數據交換，保證了數據交換的實(shí)時(shí)性和完整性（一致性）；

　　▲ 接口板與用戶(hù)模板的數據交換有字校驗和，保證了數據的安全性：

　　▲ 需用戶(hù)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）單元地址分區表。

3、PB-OEM1-DPRAM產(chǎn)品特點(diǎn)

　　▲ 開(kāi)發(fā)周期短：用戶(hù)不需要了解PROFIBUS開(kāi)發(fā)技術(shù)，不需要購買(mǎi)PROFIBUS開(kāi)發(fā)系統；不需要自己編寫(xiě)GSD文件，可在短時(shí)間內完成開(kāi)發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的PROFIBUS產(chǎn)品；

　　▲ 應用簡(jiǎn)單：用戶(hù)產(chǎn)品的CPU通過(guò)雙口RAM向接口板讀/寫(xiě)輸入/輸出數據，接口板自動(dòng)轉換成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(kāi)發(fā)實(shí)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(shuō)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，最快數據更新周期小于1ms 。

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

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

　　▲ 最大PROFIBUS-I/O：112字節輸入+112字節輸出。

　　▲ 可實(shí)現PROFIBUS用戶(hù)參數化功能：用戶(hù)模板可將一次性設置的參數通過(guò)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(shí)一次將這些用戶(hù)參數傳送到從站，用戶(hù)模板可使用這些參數實(shí)現參數化。用戶(hù)參數化功能的好處是：避免將一次性設置參數作為PROFIBUS-I/O，占用周期性數據通信時(shí)間和空間資源。

4、結束語(yǔ)

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