PROFIBUS总线桥在风力发电中的应用———PROFIBUS总线桥在风力发电中的应用

［摘要］：该风电变频器的PROFIBUS接口是在鼎实科技的嵌入式PROFIBUS接口卡PB-OEM1-DPRAM的基础上开发而成。鼎实科技的PB-OEM1-DPRAM专为自主开发具有PROFIBUS-DP通信功能的产品，且对实时响应时间有较高要求的用户，以OEM方式提供PROFIBUS-DP从站通信接口。风电变频器的CPU将PB-OEM1-DPRAM作为一个外存储器，将PROFIBUS输入数据存入OEM1对应的存储区中，同时从OEM1的对应区域中读取PROFIBUS输入数据，OEM1自动完成所有PROFIBUS的数据交换，用户不需要关心PROFIBUS的通讯细节。［关键词］：风电变频器 PROFIBUS 总线桥

引言
中国的风能资源十分丰富，目前已经探明的风能储量约为3226GW，其中可利用风能约为253GW，主要分布在西北、华北和东北的草原和戈壁以及东部和东南沿海及岛屿上。根据统计，截至到2006年底，中国大陆地区已建成并网型风电场91座，累计运行风力发电机组3311台，总容量达259.9万kW（以完成整机吊装作为统计依据）。已经建成并网发电的风场主要分布在新疆、内蒙、广东、浙江、辽宁等16个省区。根据电监会公布的数据，截至2006年底,中国发电装机容量达到62200万kW，风力发电占全国总装机容量的0.42%。截至到2006年底，全世界总风电装机容量已经达到7390.4万kW，其中德国总装机容量2062.2万kW，位居世界第一，中国2006年风电新增装机容量仅次于美国、德国、印度和西班牙，列第五位；总装机容量列世界第六位。因此，风力发电将成为我国最具大规模开发前景的新能源之一。
风力发电系统主要有恒速恒频风力发电机系统和变速恒频风力发电机系统两大类。恒速恒频风力发电系统一般使用同步电机或者鼠笼式异步电机作为发电机，通过定桨距失速控制的风轮机使发电机的转速保持在恒定的数值继而保证发电机端输出电压的频率和幅值的恒定，其运行范围比较窄，只能在一定风速下捕获风能，发电效率较低。变速恒频风力发电系统一般采用永磁同步电机或者双馈电机作为发电机，通过变桨距控制风轮使整个系统在很大的速度范围内按照最佳的效率运行，是目前风力发电技术的发展方向。对于风机来说，其调速范围一般在同步速的50%～150％之间，如果采用普通鼠笼异步电机系统或者永磁同步电机系统，变频器的容量要求与所拖动的发电机容量相当，这是非常不经济的。双馈异步风力发电系统定子和电网直接相连接，转子和功率变换器相连接，通过变换器的功率仅仅是转差功率，这是各种传动系统中效率比较高的，该结构适合于调速范围不宽的风力发电系统，尤其是大、中容量的风力发电系统。

1、带有PROFIBUS通讯接口的变频器简介
西安某风电变频装置运用于1.5MW变速恒频双馈风力发电机组，通过调节双馈发电机励磁电流，使得发电机按最佳功率输出690V、50Hz的恒定电压。整个控制过程通过两个阶段实现，额定风速以下，调节发电机反力矩使转速跟随风速变化，以便按最佳叶尖速比输出功率；高于额定风速时，配合变桨矩系统改变桨叶节距限制机组获取的能量，使风电机组保持在额定功率点发电。
1．1 功能简介
▲ 最佳叶尖速比控制：根据风速变化对发电机转速进行实时调节，使得风机在额定功率以下能运行在最大功率捕获点，优化了风机功率输出性能，提高了整机风能利用率；
▲软并网技术：调节发电机输出电压的频率、幅值、相位，使其与电网严格同步，实现变速恒频无冲击电流并网；
▲有功与无功的解耦控制：通过调节励磁电流的有功与无功分量，分别调节发电机的有功功率和无功功率。在可以调节电网的功率因数，补偿电网的无功需求的同时，提高电力系统的静态和动态性能；
▲定子磁链定向矢量控制技术：通过调节发电机励磁电流实现在不同的转速下的恒频发电，满足用电负载和电网的要求，同时按最佳叶尖速比实时调节发电机输出功率，提高了机组的经济效益。

图1 带有PROFIBUS接口的风电变频器
1.2 设计特点
▲ 高效的防护措施和成熟可靠的器件选型，使得变频器适应风电行业风沙多、温差变化大和振动大等特殊的工作环境；
▲ 通过PROFIBUS现场总线接口，实时与上位机进行数据处理；
▲ 模块化的设计理念，使得变频器结构紧凑、易于维护；
▲ 完善的故障保护和信息显示，在有效保护风电机组的同时，提供可视化的用户界面；
▲ 高性能的矢量控制和PWM脉冲整流技术，为变频器的可靠运行提供了有效保障 。
2、基于PB-OEM1-DPRAM嵌入式模块的PROFIBUS接口的设计
该风电变频器的PROFIBUS接口是在鼎实科技的嵌入式PROFIBUS接口卡PB-OEM1-DPRAM的基础上开发而成。鼎实科技的PB-OEM1-DPRAM专为自主开发具有PROFIBUS-DP通信功能的产品，且对实时响应时间有较高要求的用户，以OEM方式提供PROFIBUS-DP从站通信接口。风电变频器的CPU将PB-OEM1-DPRAM作为一个外存储器，将PROFIBUS输入数据存入OEM1对应的存储区中，同时从OEM1的对应区域中读取PROFIBUS输入数据，OEM1自动完成所有PROFIBUS的数据交换，用户不需要关心PROFIBUS的通讯细节。
2.1 PB-OEM1-DPRAM技术指标
▲ PROFIBUS-DP协议，符合EN57170 V2和IEC61158；
▲ 标准PROFIBUS-DP驱动接口，波特率自适应，最大波特率12M；
▲ PROFIBUS 输入/输出数量可自由设定，最大112字节输入+112字节输出；
▲ 可实现PROFIBUS用户参数化功能：用户模板可将一次性设置的参数在主站配置中设定，如温度上限报警值等；主站在与从站连接时一次将这些用户参数传送到从站，用户模板可使用这些参数实现参数化。用户参数化功能的好处是：避免将一次性设置的参数作为PROFIBUS-I/O，占用周期性数据通信时间和空间资源；
▲ 接口板与用户板接口为双口RAM（25ns读/写周期），用户板按普通RAM的读写时序即可对接口板进行操作；
▲ 接口板与用户板之间以互相中断和硬件握手方式对双口RAM进行数据交换，保证了数据交换的实时性和完整性（一致性）；
▲ 接口板与用户模板的数据交换有字校验和，保证了数据的安全性：
▲ 需用户板供电2组5VDC：VCC/GND-150mA和5V/0V-100mA；
▲ 工作环境温度：0～ 50℃；
▲ 工作相对湿度：5～95% ；
▲外形尺寸（mm）：50×70。
2.2 双口RAM（1K）单元地址分区表
地 址内 容注 释地 址内 容注 释
0000版本代码（保留）0100版本月份（保留）
0001版本年份（保留）0101版本日期（保留）
0002空闲0102空闲
0003‥‥0103‥‥
0004用户模板状态字节10104接口板状态字
0005用户模板状态字节2‥‥0105接口板状态字‥‥
0006命令字节1来自用户模板0106备用
0007命令字节2‥‥‥‥‥‥
‥‥备用‥‥‥‥
000F‥‥010F‥‥

0010初始化数据0（站号）0110用户参数数据1来自Profibus主站
0011初始化数据1（ID号H）0111参数数据2 ‥‥
0012初始化数据2（ID号L）0112参数数据3 ‥‥
0013初始化数据3（CFG长度≤8）0113参数数据4 ‥‥
0014初始化数据4（CFG数据1）0114参数数据5 ‥‥
‥‥‥‥（CFG数据n）0115参数数据6 ‥‥
001D初始化数据13备用0116参数数据7 ‥‥
001E初始化数据14PB输入长度‥‥‥‥‥‥
001F初始化数据15PB输出长度‥‥‥‥‥‥
0020初始化数据16用户参数长度0110+L-1 参数数据L L = （L_ini[16]）
0021初始化校验和字H17∑0010-00200110+L用户参数校验和字H∑0110-（0110 + L-1）
0022初始化校验和字L18‥‥0110+L+1用户参数校验和字L‥‥
‥‥备用‥‥备用
002F‥‥014F‥‥

0050Profibus输入字节长度mm <= 1120150Profibus输出字节长度n<= 112
0051Profibus输入字节1来自用户模板0151Profibus输出字节1来自Profibus主站
0052Profibus输入字节2‥‥0152Profibus输出字节2‥‥
‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥
0051+mProfibus输入字节m‥‥0150+nProfibus输出字节n‥‥
‥‥Profibus输入校验和字H∑0050-0050+m‥‥Profibus输出校验和字H∑0150-0150+n
‥‥Profibus输入校验和字L‥‥‥‥Profibus输出校验和字L‥‥
00C4备用01C4备用

3、PB-OEM1-DPRAM产品特点
▲ 开发周期短：用户不需要了解PROFIBUS开发技术，不需要购买PROFIBUS开发系统；不需要自己编写GSD文件，可在短时间内完成开发具有自主知识产权的PROFIBUS产品；
▲ 应用简单：用户产品的CPU通过双口RAM向接口板读/写输入/输出数据，接口板自动转换成PROFIBUS-DP协议与PROFIBUS主站通信。
▲ 完整的技术资料：《PB-OEM1-DPRAM产品手册》包括：开发实验板PB-OEM1- DPRAM Evaluation Board原理图、双口RAM通讯协议、通讯程序C源码、外形尺寸及接插件尺寸图、40针接插件管脚定义及说明等，全部资料可从网上下载。
▲ 高速：PB-OEM1-DPRAM型产品支持12M波特率，最快数据更新周期小于1ms 。
▲ 应用广泛：可广泛用于各种产品，如变频器、电机启动保护装置、智能高低压电器、电量测量装置、各种变送器、智能现场测量设备及仪表等等。
▲ 提供方式：以OEM方式提供，因此用户对产品有自主知识产权、品牌、商标注册权。
▲ 最大PROFIBUS-I/O：112字节输入+112字节输出。
▲ 可实现PROFIBUS用户参数化功能：用户模板可将一次性设置的参数通过GSD文件在主站配置中设定，如温度上限报警值等；主站在与从站连接时一次将这些用户参数传送到从站，用户模板可使用这些参数实现参数化。用户参数化功能的好处是：避免将一次性设置参数作为PROFIBUS-I/O，占用周期性数据通信时间和空间资源。

4、结束语
该公司采用鼎实公司的PB-OEM1-DPAM嵌入式接口所开发的风电变频器，在内蒙古某风电厂投运以来，通讯一直正常，有效地保证了自动控制系统的正常运行。“十五”期间，中国的并网风电得到迅速发展。成为继欧洲、美国和印度之后发展风力发电的主要市场之一。具有PROFIBUS通讯接口的风电变频器具有广泛的应用前景。采用PB-OEM1-DPRAM开发PROFIBUS从站产品具有开发周期短，性能稳定，方便易用等优点，在风电产品的开发领域值得推广。

备注：采用鼎实公司嵌入式板卡PB-OEM2-SE、PB-OEM3-IO和PB-OEM4-PCI同样可以开发其他类型的PROFIBUS从站。