PROFIBUS總線橋在風力發電中的應用

引言
中國的風能資源十分豐富，目前已經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。根據統計，截至到2006年底，中國大陸地區已建成并網型風電場91座，累計運行風力發電機組3311臺，總容量達259.9萬kW（以完成整機吊裝作為統計依據）。已經建成并網發電的風場主要分布在新疆、內蒙、廣東、浙江、遼寧等16個省區。根據電監會公布的數據，截至2006年底,中國發電裝機容量達到62200萬kW，風力發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，風力發電將成為我國最具大規模開發前景的新能源之一。

風力發電系統主要有恒速恒頻風力發電機系統和變速恒頻風力發電機系統兩大類。恒速恒頻風力發電系統一般使用同步電機或者鼠籠式異步電機作為發電機，通過定槳距失速控制的風輪機使發電機的轉速保持在恒定的數值繼而保證發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，發電效率較低。變速恒頻風力發電系統一般采用永磁同步電機或者雙饋電機作為發電機，通過變槳距控制風輪使整個系統在很大的速度范圍內按照最佳的效率運行，是目前風力發電技術的發展方向。對于風機來說，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的發電機容量相當，這是非常不經濟的。雙饋異步風力發電系統定子和電網直接相連接，轉子和功率變換器相連接，通過變換器的功率僅僅是轉差功率，這是各種傳動系統中效率比較高的，該結構適合于調速范圍不寬的風力發電系統，尤其是大、中容量的風力發電系統。

西安某風電變頻裝置運用于1.5MW變速恒頻雙饋風力發電機組，通過調節雙饋發電機勵磁電流，使得發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，額定風速以下，調節發電機反力矩使轉速跟隨風速變化，以便按最佳葉尖速比輸出功率；高于額定風速時，配合變槳矩系統改變槳葉節距限制機組獲取的能量，使風電機組保持在額定功率點發電。

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

▲軟并網技術：調節發電機輸出電壓的頻率、幅值、相位，使其與電網嚴格同步，實現變速恒頻無沖擊電流并網；

▲有功與無功的解耦控制：通過調節勵磁電流的有功與無功分量，分別調節發電機的有功功率和無功功率。在可以調節電網的功率因數，補償電網的無功需求的同時，提高電力系統的靜態和動態性能；

▲定子磁鏈定向矢量控制技術：通過調節發電機勵磁電流實現在不同的轉速下的恒頻發電，滿足用電負載和電網的要求，同時按最佳葉尖速比實時調節發電機輸出功率，提高了機組的經濟效益。

圖1 帶有PROFIBUS接口的風電變頻器

▲ 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風沙多、溫差變化大和振動大等特殊的工作環境；

▲ 通過PROFIBUS現場總線接口，實時與上位機進行數據處理；

▲ 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，為變頻器的可靠運行提供了有效保障。

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的基礎上開發而成。鼎實科技的PB-OEM1-DPRAM專為自主開發具有PROFIBUS-DP通信功能的產品，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輸入數據存入OEM1對應的存儲區中，同時從OEM1的對應區域中讀取PROFIBUS輸入數據，OEM1自動完成所有PROFIBUS的數據交換，用戶不需要關心PROFIBUS的通訊細節。

▲ PROFIBUS-DP協議，符合EN57170 V2和IEC61158；

▲ 標準PROFIBUS-DP驅動接口，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；

▲ 可實現PROFIBUS用戶參數化功能：用戶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一次將這些用戶參數傳送到從站，用戶模板可使用這些參數實現參數化。用戶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進行數據交換，保證了數據交換的實時性和完整性（一致性）；

▲ 接口板與用戶模板的數據交換有字校驗和，保證了數據的安全性：

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

▲ 工作環境溫度：0～ 50℃；

▲ 工作相對濕度：5～95% ；

▲ 外形尺寸（mm）：50×70。

▲ 開發周期短：用戶不需要了解PROFIBUS開發技術，不需要購買PROFIBUS開發系統；不需要自己編寫GSD文件，可在短時間內完成開發具有自主知識產權的PROFIBUS產品；

▲ 應用簡單：用戶產品的CPU通過雙口RAM向接口板讀/寫輸入/輸出數據，接口板自動轉換成PROFIBUS-DP協議與PROFIBUS主站通信。

▲ 完整的技術資料：《PB-OEM1-DPRAM產品手冊》包括：開發實驗板PB-OEM1- DPRAM Evaluation Board原理圖、雙口RAM通訊協議、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，全部資料可從網上下載。

▲ 高速：PB-OEM1-DPRAM型產品支持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，因此用戶對產品有自主知識產權、品牌、商標注冊權。

▲ 最大PROFIBUS-I/O：112字節輸入+112字節輸出。

▲ 可實現PROFIBUS用戶參數化功能：用戶模板可將一次性設置的參數通過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傳送到從站，用戶模板可使用這些參數實現參數化。用戶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間和空間資源。

該公司采用鼎實公司的PB-OEM1-DPAM嵌入式接口所開發的風電變頻器，在內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的正常運行。“十五”期間，中國的并網風電得到迅速發展。成為繼歐洲、美國和印度之后發展風力發電的主要市場之一。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PROFIBUS從站產品具有開發周期短，性能穩定，方便易用等優點，在風電產品的開發領域值得推廣。

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