一种现场总线型风力发电机组主控系统设计

滕 云

（湖南机电职业技术学院 电气工程学院,湖南 长沙 410151）

在当前并网风力发电技术方面，风力机组单机容量的扩大化和系统的直驱化是风力发电系统发展的两大趋势，而采用变桨距控制方式的变速恒频(VSCF)风力发电技术得到广泛应用。机组主控制系统是整个风力发电机组控制的核心，是机组安全可靠运行以及实现最佳运行的保证。当前兆瓦级风电机组控制系统为基于数字信号处理器DSP或可编程控制器PLC的微机控制，机组运行的可靠性及自动化程度越来越高。这样一来，整个风机控制系统的体积就越来越小，控制性能越来越完善，智能化程度越来越高，运行更加可靠，维修和操作则更简便易行，从而真正有效地实现了风电场的无人监控及无人值守运行。而随着风电机组的容量扩大，控制策略的改进，控制系统的复杂性的增加，传统的中央式控制体系正面临挑战，在工业控制系统中广泛应用的以太网控制技术也逐渐在风力发电机组控制系统中得到应用，如基于PAC（Programmable Automation Controller） 的 网 络 控 制 ，PROFIBUS-DP现场总线控制系统等，利用工业现场网络的分布式控制技术来完成，可以通过网络把控制器和分散的驱动装置连接起来。这样做可以极大地简化控制设备，减少系统控制的复杂性，降低成本，并且提高了系统的安全性。

EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology)是由德国倍福BECKHOFF自动控制公司开发的一种实时工业以太网技术，它基于标准的以太网技术，具备灵活的网络拓扑结构。系统具有配置简单，有效数据率高，全双工，易于实现等特性获得越来越多的产品研发人员的关注。文章介绍了EtherCAT技术的原理和系统结构，并将其应用于变速恒频风力发电机组主控制系统中，给出了主从站设计方案和基于ET1100的从站控制器与DSP控制器的接口设计。

1 基于EtherCAT技术的风电机组主控系统

（1）系统概述。风力发电机组主控系统要实时采集当前的机组参数，根据最佳风能捕获算法，适时的对各控制单元给出合理的操作指令。同时，控制系统要建立良好的人机交互界面，能在控制面板上显示和查询风力发电机组的运行状态和参数、显示故障状态、查询故障地点、设置运行参数等。除此之外，风力发电机组控制系统需具有与中央控制室上位计算机的远程通讯功能，以便中央控制室适时监测风力发电机组的运行状态、运行数据和故障情况等，其主要功能如图1所示。

由下图1可以看出，变速恒频风力发电机组控制系统主要是由变流器控制单元、变桨距机构、偏航机构、机组主控制器等构成的集散控制系统变流器控制单元用来对整流器和逆变器进行控制，在机组启动时实现软并网，在正常工作过程中接受主控制器的命令实现输出功率的控制，从而使机组工作在最佳风能捕获状态下；当风速过高，超过系统的额定功率时，变桨距系统调节桨叶节距角，使风力机的转速下降，将功率控制在额定功率以下；当风向变化时，偏航系统可以跟踪风向，使机组始终迎风工作，并且当系统因为多次对风而导致电缆缠绕时进行解绕操作；而机组主控制器用于协调这些部件的工作，同时采集当前的外部参数（风速、转速、电网电压等），根据最佳风能捕获算法，适时的对各控制单元给出合理的操作指令。

图1 变速恒频风力发电机组主控系统

（2）基于EtherCAT技术的风电机组主控系统。由前面的分析可以知道，基于EtherCAT的变速恒频风力发电机组控制系统包括变流器控制单元、变桨距控制系统、偏航控制系统，监测系统等子控制系统，这些子系统是风力机组控制系统的基本构成单元，它们是整个机组网络控制系统中的从站控制设备，而带有MAC的PC机作为机组主控制器对整个系统进行监控，为主站设备，管理整个机组控制系统，并将现场采集的参数传送给整个风电场的监控室，进行统一管理，如图2所示，为基于EtherCAT技术的风力发电机组系统的结构图。

图2 基于EtherCAT的风电机组主控系统

带有MAC接口的PC机作为机组主控制系统的主站，通过编程对从站及其运行方式进行配置，运行风电机组监控软件，并周期性地通过以太网络发送带有从站控制器命令的数据帧，实现对变流器、桨距和偏航等系统的控制，从而实现风电机组的启停、变流、并网、数据采集和变桨距等控制要求，同时各从站控制器在控制周期能通过插入相应报文反馈到主站的PC机。由于EtherCAT技术良好的网络性能和数据传输能力，使得系统能够有效地对机组状况进行实时监控，并能对风力突变情况下的机组桨距，变流装置及时进行控制，跟踪最大风能，提高系统的效率。

2 基于EtherCAT的系统实现

2.1 硬件设计

（1）主站设计。EtherCAT技术的实现包括主站实现和从站实现。EtherCAT主站不需要专用的通讯处理器，只需使用无源的NIC卡或主板集成的以太网MAC设备即可，完全采用软件方式在主机中实现协议的识别和封装。本文采用带有以太网接口的普通工控PC机即可。PC机除了带有与EtherCAT从站进行主从控制的以太网卡外，还应当具有与风力发电场中央监控系统通信的接口。

（2）基于ET1100的从站控制器设计。在文章的风力发电机组控制系统中，从站的设计包括变流器系统、变桨距系统、偏航系统的控制器及与这些控制设备进行以太网连接的EtherCAT从站协议控制器的设计，用来实现主站和从站之间的通讯及控制功能。下面以变流系统控制器TMS320F2812与从站控制器1的接口实现为例，说明EtherCAT从站控制器的设计。

EtherCAT从站控制器ESC（EtherCAT Slave Controller）是通过专用硬件实现的，它实现EtherCAT的物理层与数据链路层的协议。现在市场上有多种EtherCAT协议控制器可供使用，如ASIC芯片，也可以一次性购买获取授权的二进制代码，通过价格低廉的FPGA实现从站控制器的功能。从站控制器ESC与从站主机设备之间的接口方式根据过程数据接口PDI（Process Data Interface）的形式来确定。

在本系统中，从站控制器ESC采用倍福BECKHOFF公司的ET1100，由于变流器控制系统采用TI公司的TMS320F2812控制，其接口规范可以选择为微处理器方式，通过对ET1100自带的EEPROM进行编程后选择配置。TMS320F2812与ET1100的接口硬件实现如图3所示。

其中变流系统控制器F2812实现EtherCAT对变流器的具体控制和数据反馈，通过PDI接口与ET1100连接，读取和写入ET1100缓冲区的数据；ET1100带有两个MII接口，它们在硬件上实现了EtherCAT协议的数据链路层，外扩的两个物理层芯片实现了工业以太网的的物理层。网络接口由PHY和网络变压器组成，其中网络变压器的作用是实现隔离和阻抗匹配。EEPROM通过I2C接口编程，用于保存从站配置数据和从站描述数据。

2.2 软件设计

图3 基于ET1100的EtherCAT从站结构图

（1）主站软件设计。EtherCAT主站软件用以实现机组主控制系统应用程序，主站和从站配置和对各从站的控制。为了方便主站软件的开发，EtherCAT技术组织现在提供主站样本代码，可以方便的把该代码嵌入到主站的工控PC机操作系统中，加快项目开发进程。同时，倍福等公司通过提供EtherCAT组态软件来实现主站控制程序的编写，TwinCAT System Manager即为倍福公司TwinCAT系统的配置工具，可以实现解析XML配置文件，通过在线编程对ET1100的EEPROM进行编程设置，管理从站状态发送非周期和周期性数据帧，实现主从站之间数据的传输。同时可以编写应用程序实现应用层各个程序的输入输出数据和网络输入输出数据的连接。

图4 程序中断流程图

（2）从站控制软件设计。在从站，主要对DSP进行从站应用层程序的设计，主要分为EtherCAT网络接口程序和变流器控制程序，变流器控制程序主要是周期性的数据反馈和非周期性的变流器中电力电子器件开关量控制数据，本例中可以采用中断方式进行，程序流程如图4所示，当F2812控制器完成初始化之后，系统进入周期性运行状态，等待EtherCAT帧的到来。当数据帧到达ETl100从站控制器之后，向F2812发出中断，DSP响应中断读取从站控制器中的指令数据，并且把反馈状态数据写入到从站控制器中，完成一次数据的交互。DSP得到来自ET1100的指令数据之后，进行解码，并把解码得到控制数据送到变流器的控制程序中去，变流器控制程序根据控制要求完成控制策略，并输出电力电子器件开关的驱动信号，完成变流过程。

3 结语

机组主控制系统在并网变速恒频风力发电系统中发挥重要作用，它具有协调机组变流，桨距偏航系统，制动系统等各部分之间的通讯和对机组状态的监控功能，基于工业以太网的风电机组主控系统以高度的实时性和良好的数据处理能力得到越来越多的应用，文章引入EtherCAT以太网控制技术，设计了基于EtherCAT技术的风电机组主控系统，并以主控制器和变流器控制为例，EtherCAT系统进行了硬件和软件的设计，为EtherCAT技术在风力发电系统中的应用提供参考。

[1]叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M].北京:机械工业出版社，2002.

[2]王小川.PAC一一先进的可编程自动化控制器[J].PLC&FA，200l，(4):41-44.

[3]宋文娟.基于PAC的风力发电机组控制系统的研究与开发[D].长沙:湖南大学,2008.

[4]谢香林.Ether CAT网络及其伺服运动控制系统研究[D].大连:大连理工大学,2008.

[5]单春荣,刘艳强,郇极.工业以太网现场总线Ether CAT及驱动程序设计[J].制造业自动化，2007，(11):79-82.