刘 旭，张竹娴

(1.湖南劳动人事职业学院，湖南 长沙 410000；2.长沙学院，湖南 长沙 410022)

基于数据流的风力发电变流系统控制软件设计

刘 旭1，张竹娴2

(1.湖南劳动人事职业学院，湖南 长沙 410000；2.长沙学院，湖南 长沙 410022)

风能作为可再生能源的重要组成部分，近年来倍受关注.对于风力发电机组，并网变流系统是决定其输出电能质量的关键环节.采用PEBB电力电子集成模块化设计方法，设计了变流系统的硬件结构，然后应用数据流体系设计其控制软件.通过搭建的直驱风力发电变流系统实验平台，观察了有功调节、无功调节以及在外界扰动下系统的抗干扰性能实验结果波形.实验结果表明设计的风力发电变流系统控制策略及软件符合技术指标要求，提高了风电变流系统的工作效率及其经济效益.

风力发电；变流系统；PEBB 控制软件

风能具有不稳定、具有气候性等特点，在风力发电系统并网运行过程中，其难点在于如何更好地获取最大风能的同时保证电能质量.当前，风力发电机组的主流结构为变速恒频风力发电机组，其中以直驱型永磁风力发电机组应用前景最好.它具有可靠性高、能量转换效率高、容易实现低电压穿越、维护成本低、并网功率控制灵活等诸多优点[1,2].

一般来说，为了捕获最大风能，直驱型风力发电机组通常要跟随风速的变化而变化，导致发电机输出电压经常会发生变化，十分不稳定.而电网电压的频率和幅值都是恒定的，直接将发电机输出电压并到电网上肯定是不行的，因此，这中间需要一个全功率变流器稳定发电机输出电能的质量[3-5].同时，随着人们用电水平的提高，风力机组的功率将来会越来越大，相应地全功率变流器的功率也将不断提高，其结构将会更为复杂，并且体积也会随之变大，这一系列的发展趋势给风电机组的维护和设计带来了巨大地挑战.为了能够在质量、可靠性和成本多方面对全功率变流器进行改进，必须要发展一种综合技术来实现全功率变流器的模块化和标准化设计.

本文采用美国海军研究机构提出的PEBB电力电子集成模块化设计方法，模块化、标准化地设计变流系统的硬件结构，改进该电力电子系统的可靠性，降低系统的维护成本，然后应用数据流体系设计其控制软件.

1 数据流软件体系

将PEBB具体投入使用时，为了更好地拓宽电力电子系统的应用范围，应该要选择合适的控制软件设计方法，以实现模块功能的配置[6].传统的电力电子控制软件，主要采用前后台系统(Foreground/Background System)或主程序—子程序的形式.这种软件控制方法通过构造一个主程序实现循环结构，于循环中调用子程序实现各模块功能.这种软件结构易于理解，但是它与硬件的相关性过大，软件的可重用性低，设计人员在具体设计时修改和升级会十分困难，不适用于大型的电力电子系统的软件开发.而数据流软件设计方法，以结点作为基本计算单元，箭头表示数据的流向，以数据流图为载体实现控制算法.它具有十分灵活的模块化设计思路，并且每一个节点就是一个独立的执行单元，不受具体应用环境的限制，具有高的独立性和重用性，十分适用于基于PEBB的电力电子系统的控制软件设计.

数据流软件体系，是对过程控制中数据流的“自顶向下，逐步求精”的处理过程，只依赖于数据的来源，而不用关心数据到来的先后顺序[5].数据流体系的典型结构可通过节点和箭头进行表述，如图1所示.

图1 数据流软件体系结构

图中，一个节点代表的是一个计算单元(Unit) ，称为基本控制对象ECO.箭头则是一种具有缓冲功能的数据通道(Data Channel)，它表示数据流的流向只能是单向的，即只能从源节点将数据传递到目标节点.每个节点对应一个独立的计算单元，节点的接口在功能确定的同时进行标准化，不同节点能够同时执行.节点可有多个输入数据来源，输出数据也可有多个输出去向.每一个节点只有当数据到达时才被激活，无数据时不工作[7].各个节点按照一定方式形成数据流图，完成控制任务.

我们可以看到，数据流体系中，各节点之间只有数据交换，再无其他任何交互，使得该软件体系具有高可重用性.而每一个节点单独完成其任务，并且可并行执行保证了该软件体系的实时性.同时，该软件体系的数据流走向十分清晰明了，易于设计者理解及系统维护和改进[8].应用数据流体系设计控制软件，就是将控制算法进行分解，按照一定的方式构成一个有机整体，实现控制任务.

2 基于数据流的风电变流系统控制软件设计

2.1 直驱永磁风力发电变流系统控制结构

为了提高风力发电系统的整体性能，较好实现风力发电机组的变速恒频运行，直驱永磁风力发电机组采用双PWM全功率变流器.

图2 直驱永磁风力发电机组变流器主拓扑电路

图中，与低速永磁同步发电机相连接的是两组桥式PWM变流器，与网侧相连的是同样结构的两组桥式PWM变流器.变流器中所采用的电力电子器件均由可控IGBT组成，通过对电力电子器件通断的控制，网侧变流器起到整流器的作用，实现对风力发电机组输出电压的整流，机侧变流器则起到逆变器的作用，稳定直流母线电压值.

2.2 基于PEBB的变流系统硬件结构设计

为了模块化设计变流系统的硬件结构，本文基于PEBB技术将直驱永磁风力发电系统进行了分层设计，其层次结构如图3所示.

图3 基于PEBB的直驱永磁风电力发电机组变流系统层次结构框图

本文设计的基于PEBB的直驱永磁风力发电机组变流系统共分为4层，它们分别为应用控制层、变换器控制层、PEBB控制层以及PEBB层.其中，变流系统控制层整个变流系统的控制核心，主要任务是完成网侧和机侧变流器的控制，其具体设计框图如图4所示.

图4 变流器控制层具体设计框图

2.3 风力发电变流系统控制软件具体设计

变流系统控制软件的任务是完成网侧和机侧变流器的控制，需要与上层总控制软件进行通信，并控制下层硬件结构完成控制任务.因此，本文将风电变流系统整体的控制分为上层总控制和下层总控制两部分，每部分由众多ECO模块按照一定方式组合成数据流图实现，上下层之间通过CAN总线进行通信

2.3.1 变流器控制层控制软件设计

根据永磁直驱风电机组变流系统控制方案和基于PEBB变流系统硬件方案，变流器控制层需要完成机侧变流器的转速外环控制、网侧变流器的直流电压外环控制、跟机组主控制器的实时工业以太网通信和与PEBB控制层的CAN通信，控制软件的主要文件包括常规任务程序文件和实时控制任务调度文件两类文件组成(如图5所示).

图5 变流器控制层控制软件组成

2.3.2 变流器控制层实时控制任务调度处理程序的数据流分析

(1)机侧变流器转速闭环调节程序

图6 机侧变流器转速闭环调节程序数据流图

(2)网侧变流器直流电压闭环调节程序

图7 网侧变流器直流电压闭环调节程序数据流图

(3)以太网通信程序

图8 以太网通信发送端数据流图

图9 以太网通信接受端数据流图

(4)CAN通信程序

图10 变换器控制层CAN通信数据流图

2.3.3 变流器控制层主要程序模块设计与实现

例：PI控制算法模块设计与实现如下

PI控制算法模块(又叫PI调节器)主要功能是根据给定值与实际值的差值，调整控制量以使得实际系统能够跟踪给定.因此，对于一个PI modulator ECO，它的输入数据主要实际系统的采样值或者检测值以及给定值.这些数据由数据通道提供，同时，该模块还需要设定PI调节器的参数比例系数(KP)和积分系数(KI)以及dq轴的参考电流dd_ref、dq_ref，其模块结构如下：

图11 PI控制算法模块结构图

其中，dd、dq为PI调节模块的输入数据，通过内部的PI增量式控制算法，得到跟踪给定d、q轴电流的输出电压信号.PI调节的具体实现算法流程图如图12所示.通过将从采样模块反馈得到的dd和dq值分别与给定值dd_ref、dq_ref进行比较得到偏差值Err_dd和Err_dq，然后进行PI增量式运算，得到电压增量值，进行最后的控制量运算及限幅处理得到最终输出.

其中，PI增量式运算算法如公式1所示：

(1)

图12 PI调节算法流程示意图

其中，Kp和KI是模块预先设定的参数，可人为调整，dq轴的参考电流dd_ref、dq_ref由设计人员根据实际情况进行设定和调整.

(2)CAN通信模块

CAN通 块的设计主要包括三大部分：初始化控制器，数据息的发送与接收.设计时CAN控制器的发送和接收报文，都采用了扩展数据帧格式，发送和接收信息采用中断方式.

2.4 PEBB控制层控制软件设计

2.4.1 PEBB控制层控制程序文件组成

图13 PEBB控制层控制软件组成

PEBB控制层需要完成机侧变流器的永磁电机磁场定向控制或网侧变流器的电网电压定向控制，为了实现上述两个控制，PEBB控制层采集交流侧电流，通过CAN通信接受来自变换器控制层的电流给定、永磁电机转角和转速、电网交流电压及相角等信息，执行电流闭环计算、坐标转换计算和空间矢量调制计算，通过数字信号处理器内部PWM发生器产生IGBT驱动信号，达到电能形式的变换、稳定地向电网输送电能.PEBB控制层控制软件的常规任务程序文件包括向量配置表、主程序和数据配置文件，实时控制任务调度文件包括电流闭环调节程序、与变换器控制层的CAN通信程序和变流器保护程序，程序组成如图13所示.

2.4.2 PEBB控制层实时控制任务调度处理程序的数据流分析

(1)磁场定向控制或电网电压定向控制程序数据流分析

图14 PEBB控制层程序流程图

(2)CAN通信程序数据流分析

图15 PEBB控制层CAN通信数据流图

2.4.3 变换器控制层主要程序模块设计与实现

变换器控制层主要程序模块中包含了输入采样与处理、坐标变换、PI调节器及空间矢量调节等多个ECO模块.

例：输入采样处理ECO模块ADC_A和ADC_B的实现如下

输入采样过程主要是对输入数据进行滤波，减少由于采样过程的噪声或者其他干扰因素带来的不利影响，其处理流程图如图16所示.

其中，数字滤波方法可采用简单的限幅滤波法，即通过计算连续两次采样值的偏差与允许的最大偏差进行比较，来确定本次采样值是否有效.超出最大偏差，放弃本次采样值，用前一次采样值代替本次采样值.在允许偏差范围内，则保留本次采样值.其具体的C语言实现过程如下：

图16 输入采样处理流程图

/* A值可根据实际情况调整 value为有效值，new_value为当前采样值滤波程序返回有效的实际值*/

#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;

}

同时，控制量还需要进行规格化处理，是因为DCS系统中各个模块之间输入输出的运算信号往往是规格化的，并且上、下位机通信时，规格化的数据能够使得通信更为可靠.

3 实验结果及分析

经过直驱风力发电变流系统实验平台模拟风力发电系统的运行情况，通过观察有功调节、无功调节以及在外界扰动下系统的抗干扰性能实验结果波形，充分验证了控制软件的控制效果.

3.1 有功调节实验结果分析

有功调节过程表明，这种直驱风力发电变流控制系统电流调节速度快，且超调量小，控制稳定.

图17 有功调节实验波形图

3.2 无功调节实验结果分析

图18 无功调节实验波形图

无功调节过程表明，这种直驱风力发电变流控制系统电流调节速度快，且超调量小，控制稳定.

3.3 风力发电变流系统抗干扰性能验证

为了验证系统能否在受到干扰的情况下仍然能够稳定直流母线电压在某一恒定值，通过在负载端突加负载，观察其母线电压波形，如图19所示.

图19 负载突变时的母线电压波形

由图可知，直流母线电压会出现短暂的动态变化，超调量比较小，并且能够很快保持在稳定值不变.可见，该风力发电变流系统调节性能十分优秀，此方案完全可以满足系统的要求.

4 结论

本文基于PEBB模块化设计平台，设计了直驱型风力发电机组并网逆变器的分布式控制硬件结构.然后将并网变流器总体控制分成上层控制器和下层控制器两层，基于数据流体系实现了控制软件的设计.数据流系统通过将控制算法进行分解并以ECO模块的形式实现，能够使控制软件的设计独立于硬件结构，降低控制软件设计的复杂程度.基于数据流体系设计变流系统对提高风电变流系统的工作效率及其经济效益具有十分积极的意义.

[1] 钟方国,赵鸿汉.风力发电发展现状及复合材料在风力发电上的应用[J].纤维复合材料,2006,(3):48-54.

[2]郭文勇,肖立业,戴少涛.集成SMES和CS-SGSC的双馈型风力发电系统[J].电力系统自动化,2012,(14):101-107.

[3] 王志业,张传金. 直驱式风力发电系统并网变流器研究[J].电测与仪表,2011,(11):39-44.

[4] 蔡逢煌,苏宁焕,陈道模.小型永磁直驱风力发电并网变流器的控制方法[J].电源学报,2011,(6):54-56.

[5] Camus J. Combining SDL with synchronous data flow modelling for distributed control systems[J]. Telelogic Technologies Toulouse, 2001, 2078:1-18

[6] 董新伟.电力电子系统集成中控制技术相关问题研究[D].杭州:浙江大学博士学位论文,2006.

[7] 杨世瀚,王灏. “管道-过滤器”软件体系结构风格的形式化[J].小型微型计算机系统,2000,(21):1214-1216.

[8] 肖媛元. 基于数据流风格的ATM系统的软件体系结构研究[J]. 科技信息,2010,(17):599.

(责任编校：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年湖南省教育厅科学研究项目(批准号：16C0714).

刘旭(1985— )，男，湖南祁东人，湖南劳动人事职业学院助理政工师，硕士.研究方向：软件工程电气信息.

TM315

A

1008-4681(2017)02-0045-06