风力发电机电控系统数据采集与检测设计

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 3.79MB 63 页 15积分

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .................................................................................................................1

§1.1 课题的研究背景及意义 .................................................................................1

§1.2 课题主要研究内容 ..........................................................................................2

第二章风力发电控制技术 .............................................................................................3

§2.1 风力发电机控制系统 ......................................................................................3

§2.2 风力发电中需采集数据分析 ..........................................................................4

§2.3 远距离遥控和风电场电力监控 ......................................................................7

§2.4 本章小结 .........................................................................................................7

第三章风力发电机数据采集系统设计 .........................................................................8

§3.1 系统结构 ..........................................................................................................8

§3.2 模拟量采集外围电路的设计 .........................................................................8

§3.3 数字量采集外围电路的设计 .......................................................................10

§3.4 DSP 电路的硬件设计 ................................................................................... 11

§3.4.1 TMS320F2812 内部硬件资源 ............................................................ 12

§3.4.2 DSP 电源设计 ..................................................................................... 13

§3.4.3 TMS320F2812 存储器接口 ................................................................ 14

§3.4.4 AD 转换单元 ....................................................................................... 14

§3.4.5 TMS320F2812 与FPGA 接口电路 ....................................................18

§3.5 本章小结 .......................................................................................................19

第四章 DSP 软件设计及 CPLD 控制电路 .................................................................. 20

§4.1 DSP 电路的软件设计 ................................................................................... 20

§4.1.1 数据采集模块软件设计 .....................................................................20

§4.1.2 AD 采集模块软件设计 .......................................................................21

§4.1.3 数据处理模块软件设计 .....................................................................24

§4.2 CPLD 控制模块的设计 ................................................................................ 24

§4.3 本章小结 ........................................................................................................26

第五章 FPGA 电路的设计 ........................................................................................... 27

§5.1 FPGA 的模块划分 ........................................................................................ 27

§5.2 时钟管理模块（PLL）................................................................................ 30

§5.3 数据缓冲模块（FIFO）.................................................................................33

§5.4 地址计数器模块 ............................................................................................34

§5.5 双端口 RAM 模块 ........................................................................................ 35

§5.6 DDR 控制器模块 .......................................................................................... 37

第六章实验结果及分析 ...............................................................................................44

§6.1 SignalTapII 逻辑分析仪 ...............................................................................44

§6.2 测试数据 ........................................................................................................45

§6.2.1 模拟信号数据采集 .............................................................................45

§6.2.2 数字信号数据采集 .............................................................................47

风力发电机电控系统数据采集与检测设计

§6.3 测试数据分析 ................................................................................................47

第七章结论 ...................................................................................................................49

参考文献 .........................................................................................................................50

附录一 DSP AD 转换程序 ...........................................................................................52

附录二 SDRAM 控制器 VHDL 程序 ......................................................................... 55

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................62

致谢 .................................................................................................................................63

第一章绪论

§1.1 课题的研究背景及意义

由于石油、煤炭等目前大量使用的传统能源日趋枯竭，同时新的能源生产供

应体系又未能建立，造成能源供求矛盾日益紧张。根据经济学家和科学家的估计，

到本世纪中叶，也即 2050 年左右，石油资源将会开采殆尽，如果新的能源体系尚

未建立，能源危机将席卷全球。

作为“蓝天白煤”的风能是取之不尽用之不竭的资源，它作为一种新的、可

再生清洁能源和替代能源受到了世界各国的广泛关注。计算机技术与先进控制技

术的应用，使风力发电机组的设计制造技术日趋完善，并迅速进入了商品化、产

业化阶段。在当今能源和环境问题日益受到关注的情况下，利用风能进行发电日

益受到人们的重视。随着科学技术的不断发展，风力发电技术尤其是风电控制技

术在世界范围内得到了飞快的发展，风力发电逐步走上了功率大、重量轻、造价

低、可靠性高的商业化发展道路。

应用先进技术开发研制的发电机组使风能利用效率不断提高，发电成本日益

下降。欧美许多国家的风电上网电价已具备与火电竞争的能力，世界风力发电总

功率累计已超过13GW，欧洲某些国家的风力发电量已占到全国总发电量的10%。

而在我国，虽然风能资源丰富，属风能大国，但与欧美先进国家相比差距非常大，

主要是风能利用效率低，发电成本较高，致使大量风能资源未能开发利用。经过

20世纪80~90年代的快速发展，风力发电技术已逐渐成熟，特别是在沿海岛屿、交

通不便的边远山区、地广人稀的草原牧场以及电网还难以达到的农村和边疆地区，

风力发电已成为解决当地群众的生产和生活所需的一种可靠能源。不仅如此，发

展风电还可以大大改善环保状况，随着气候变化及环境压力的增大，改变能源结

构、减少排放、保护环境已成为人们的共识。燃煤发电除排放大量的二氧化碳外，

还有二氧化硫和氮氧化物排放等问题；用石油、天然气发电也有温室效应。风电

的生产原料是风能，风能本身不包含任何污染物，是一种清洁原料，而且在风电

生产过程中也不产生任何污染物，据估计平均每装一台单机容量为1兆瓦的风能发

电机，每年可以减排2000吨二氧化碳（相当于种植1平方英里的树木）、10吨二氧

化硫、6吨二氧化氮。而且将风能转化为电能的开发利用比较简单，不需要建立庞

大的原料基地（如火电厂的煤场和水电厂的大坝、水库等巨型建筑），可节省大量

投资，既不需要采掘运输，也不需要复杂昂贵的转化装置[1-4]。

总之，在迫切需要解决“能源与环保”双重要求的当前形势下，风电事业蓬

勃发展，世界上许多国家都在大力研究开发风力发电，努力使这种可再生的、取

风力发电机电控系统数据采集与检测设计

之不尽的清洁新能源成为未来能源的一个重要组成部分。上海电气自动化设计研

究所在 2007 年开展了风力发电的开发研究，本课题所做的工作，正是该开发研究

的一部分。

§1.2 课题主要研究内容

本课题以风力发电系统为研究对象，主要任务是对风力发电机控制器中需要

实时监测的数据作采集和处理，所完成的主要工作如下：

1.广泛查阅国内外的相关文献资料，了解风力发电机组数据采集系统研究的发

展状况及最新技术成果。在此基础之上，总结出风力发电中实时性和准确性要求

都比较高的数据采集卡的设计方案。

2.对在风力发电中需要采集的各类模拟量、数字量及脉冲量进行分析，确定各

类信号的通道。

3.数据采集系统设计。包括模拟外围电路的设计；数字外围电路的设计；DSP

电路的设计；CPLD控制电路的设计以及FPGA电路的设计。

5.对系统进行调试、测试，获得实验结果并进行分析论证。

第二章风力发电控制技术

§2.1 风力发电机控制系统

风力发电控制技术包括了变桨距控制技术、双馈异步电机技术、软并网技术、

无功补偿技术、安全控制和信号检测技术以及远距离遥控和风电场电力监控技术。

这些技术都有这样一个特点，技术含量高，在其他领域相对是成熟技术，而结合

风电领域的工艺要求又是一个全新的研发过程。风电场电控系统示意图如图 2-1

所示：

图2-1 风力发电电控系统示意图

风力发电机的运行和监控主要是由塔顶控制器来实行的。以塔顶控制器为核

心的电控系统在风力发电机组的安全、可靠运行方面，发挥着十分重要的作用。

实现风力发电机组的正常运行控制、运行状态监测和监控以及安全保护三大方面

的功能。主要由控制模块、数据采集处理模块、人机交互与通信模块组成。

风力发电机控制器

控制模块

数据采集处理模块

人机交互与通信模块

图2-2 风力发电机控制器功能

1.控制模块主要负责完成对风机的变浆矩液压装置、偏航伺服电机装置、双馈

异步发电机装置、并网电控等装置的调节控制。

风力发电机电控系统数据采集与检测设计

2.数据采集处理模块负责完成风机的环境数据、运行数据、电网数据的采集、

记录、统计和处理，为系统的快速实时调节控制、运行保护、故障处理提供依据。

3.人机界面与通信模块负责完成风机的操作显示接口、操作控制命令的输入，

本地的上下两个操作控制接口的联系，与风机变频器、风电场中央室之间的通信

连接。

本课题主要完成的工作是数据采集处理模块，其中主要包括模拟量采集模块

和数字量采集模块。

在风力发电系统中需要实时采集的信号主要有：温度、电压、电流、频率、

风速、叶片转速、发电机转速、风向、齿轮油位、反馈信号等，以便了解发电机

实时的运转情况，来做相应的动作。传统设计方法是应用 MCU 或DSP 通过软件

控制数据采集的 A/D 转换，这样必将频繁中断系统的运行，从而减弱系统的数据

运算能力，数据采集的速度也受到限制。本课题采用 FPGA 为主控器件，将数据

采集以及 A/D 转换分担给 CPLD 和DSP 处理，大大提高了数据采集的速度和 A/D

转换的精度。

§2.2 风力发电中需采集数据分析

为了保证控制系统的正常工作和风力发电机组的安全运行，在风力发电机组

的控制系统上电复位或人工复位时，控制系统应该对系统本身和风力发电机组的

各个部分进行自动检测。所检测的信号包括：液压及偏航系统油位（刹车油位、

偏航油位）、油压（包括刹车油压、偏航油压、叶尖油压、滤油器油压、液压系统

油压）、油温；齿轮箱的油位、油温及其是否漏油；大小发电机轴承温度；主轴转

速；偏航系统是否扭缆、机械开关是否正常；刹车片磨损传感器信号是否正常；

机械振动开关是否正常；液压电机是否过热；环境温度以及是否有维修时的手动

停机信号等。

风力发电机组的启动首先检测风速：若在一段时间（2到3分钟）内，风速大

于启动风速 3

/m s

，且在 1分钟内小于 8

/m s

，则启动小电机；若 1分钟内大于

/m s

，则直接启动大电机。

在风力发电机组进行启动时，控制系统对风速的变化情况进行不间断检测，

并控制风力发电机组做好启动的准备：机械刹车松开，叶尖阻尼板收回，偏航使

叶轮处于迎风状态。验证启动条件：液压系统的压力是否保持在设定值上，风向

有无偏离，电网参数是否达到切入风速值。在启动过程中通过晶闸管限流软启动

装置对启动电流进行控制，使其不超过最大限定值。

风力发电机组进入发电状态后，中心控制器除继续检测风力发电机组启动时

的参数外，同时对机组内传感器状态、发电机功率因数，液压系统压力，发电机、

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目录中文摘要ABSTRACT第一章绪论.................................................................................................................1§1.1课题的研究背景及意义.................................................................................1§1.2课题主要研究内容..............................................................

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