PROFIBUS總線橋在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用———PROFIBUS總線橋在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用

［摘要］：該風(fēng)電變頻器的PROFIBUS接口是在鼎實(shí)科技的嵌入式PROFIBUS接口卡PB-OEM1-DPRAM的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)而成。鼎實(shí)科技的PB-OEM1-DPRAM專(zhuān)為自主開(kāi)發(fā)具有PROFIBUS-DP通信功能的產(chǎn)品，且對(duì)實(shí)時(shí)響應(yīng)時(shí)間有較高要求的用戶，以O(shè)EM方式提供PROFIBUS-DP從站通信接口。風(fēng)電變頻器的CPU將PB-OEM1-DPRAM作為一個(gè)外存儲(chǔ)器，將PROFIBUS輸入數(shù)據(jù)存入OEM1對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)區(qū)中，同時(shí)從OEM1的對(duì)應(yīng)區(qū)域中讀取PROFIBUS輸入數(shù)據(jù)，OEM1自動(dòng)完成所有PROFIBUS的數(shù)據(jù)交換，用戶不需要關(guān)心PROFIBUS的通訊細(xì)節(jié)。［關(guān)鍵詞］：風(fēng)電變頻器 PROFIBUS 總線橋

引言
中國(guó)的風(fēng)能資源十分豐富，目前已經(jīng)探明的風(fēng)能儲(chǔ)量約為3226GW，其中可利用風(fēng)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(jù)統(tǒng)計(jì)，截至到2006年底，中國(guó)大陸地區(qū)已建成并網(wǎng)型風(fēng)電場(chǎng)91座，累計(jì)運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組3311臺(tái)，總?cè)萘窟_(dá)259.9萬(wàn)kW（以完成整機(jī)吊裝作為統(tǒng)計(jì)依據(jù)）。已經(jīng)建成并網(wǎng)發(fā)電的風(fēng)場(chǎng)主要分布在新疆、內(nèi)蒙、廣東、浙江、遼寧等16個(gè)省區(qū)。根據(jù)電監(jiān)會(huì)公布的數(shù)據(jù)，截至2006年底,中國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到62200萬(wàn)kW，風(fēng)力發(fā)電占全國(guó)總裝機(jī)容量的0.42%。截至到2006年底，全世界總風(fēng)電裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到7390.4萬(wàn)kW，其中德國(guó)總裝機(jī)容量2062.2萬(wàn)kW，位居世界第一，中國(guó)2006年風(fēng)電新增裝機(jī)容量?jī)H次于美國(guó)、德國(guó)、印度和西班牙，列第五位；總裝機(jī)容量列世界第六位。因此，風(fēng)力發(fā)電將成為我國(guó)最具大規(guī)模開(kāi)發(fā)前景的新能源之一。
風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要有恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)兩大類(lèi)。恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般使用同步電機(jī)或者鼠籠式異步電機(jī)作為發(fā)電機(jī)，通過(guò)定槳距失速控制的風(fēng)輪機(jī)使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速保持在恒定的數(shù)值繼而保證發(fā)電機(jī)端輸出電壓的頻率和幅值的恒定，其運(yùn)行范圍比較窄，只能在一定風(fēng)速下捕獲風(fēng)能，發(fā)電效率較低。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般采用永磁同步電機(jī)或者雙饋電機(jī)作為發(fā)電機(jī)，通過(guò)變槳距控制風(fēng)輪使整個(gè)系統(tǒng)在很大的速度范圍內(nèi)按照最佳的效率運(yùn)行，是目前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展方向。對(duì)于風(fēng)機(jī)來(lái)說(shuō)，其調(diào)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(jī)系統(tǒng)或者永磁同步電機(jī)系統(tǒng)，變頻器的容量要求與所拖動(dòng)的發(fā)電機(jī)容量相當(dāng)，這是非常不經(jīng)濟(jì)的。雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)定子和電網(wǎng)直接相連接，轉(zhuǎn)子和功率變換器相連接，通過(guò)變換器的功率僅僅是轉(zhuǎn)差功率，這是各種傳動(dòng)系統(tǒng)中效率比較高的，該結(jié)構(gòu)適合于調(diào)速范圍不寬的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，尤其是大、中容量的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

1、帶有PROFIBUS通訊接口的變頻器簡(jiǎn)介
西安某風(fēng)電變頻裝置運(yùn)用于1.5MW變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，通過(guò)調(diào)節(jié)雙饋發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，使得發(fā)電機(jī)按最佳功率輸出690V、50Hz的恒定電壓。整個(gè)控制過(guò)程通過(guò)兩個(gè)階段實(shí)現(xiàn)，額定風(fēng)速以下，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)反力矩使轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速變化，以便按最佳葉尖速比輸出功率；高于額定風(fēng)速時(shí)，配合變槳矩系統(tǒng)改變槳葉節(jié)距限制機(jī)組獲取的能量，使風(fēng)電機(jī)組保持在額定功率點(diǎn)發(fā)電。
1．1 功能簡(jiǎn)介
▲ 最佳葉尖速比控制：根據(jù)風(fēng)速變化對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，使得風(fēng)機(jī)在額定功率以下能運(yùn)行在最大功率捕獲點(diǎn)，優(yōu)化了風(fēng)機(jī)功率輸出性能，提高了整機(jī)風(fēng)能利用率；
▲軟并網(wǎng)技術(shù)：調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出電壓的頻率、幅值、相位，使其與電網(wǎng)嚴(yán)格同步，實(shí)現(xiàn)變速恒頻無(wú)沖擊電流并網(wǎng)；
▲有功與無(wú)功的解耦控制：通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的有功與無(wú)功分量，分別調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的有功功率和無(wú)功功率。在可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率因數(shù)，補(bǔ)償電網(wǎng)的無(wú)功需求的同時(shí)，提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能；
▲定子磁鏈定向矢量控制技術(shù)：通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)在不同的轉(zhuǎn)速下的恒頻發(fā)電，滿足用電負(fù)載和電網(wǎng)的要求，同時(shí)按最佳葉尖速比實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出功率，提高了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益。

圖1 帶有PROFIBUS接口的風(fēng)電變頻器
1.2 設(shè)計(jì)特點(diǎn)
▲ 高效的防護(hù)措施和成熟可靠的器件選型，使得變頻器適應(yīng)風(fēng)電行業(yè)風(fēng)沙多、溫差變化大和振動(dòng)大等特殊的工作環(huán)境；
▲ 通過(guò)PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線接口，實(shí)時(shí)與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；
▲ 模塊化的設(shè)計(jì)理念，使得變頻器結(jié)構(gòu)緊湊、易于維護(hù)；
▲ 完善的故障保護(hù)和信息顯示，在有效保護(hù)風(fēng)電機(jī)組的同時(shí)，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(shù)，為變頻器的可靠運(yùn)行提供了有效保障 。
2、基于PB-OEM1-DPRAM嵌入式模塊的PROFIBUS接口的設(shè)計(jì)
該風(fēng)電變頻器的PROFIBUS接口是在鼎實(shí)科技的嵌入式PROFIBUS接口卡PB-OEM1-DPRAM的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)而成。鼎實(shí)科技的PB-OEM1-DPRAM專(zhuān)為自主開(kāi)發(fā)具有PROFIBUS-DP通信功能的產(chǎn)品，且對(duì)實(shí)時(shí)響應(yīng)時(shí)間有較高要求的用戶，以O(shè)EM方式提供PROFIBUS-DP從站通信接口。風(fēng)電變頻器的CPU將PB-OEM1-DPRAM作為一個(gè)外存儲(chǔ)器，將PROFIBUS輸入數(shù)據(jù)存入OEM1對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)區(qū)中，同時(shí)從OEM1的對(duì)應(yīng)區(qū)域中讀取PROFIBUS輸入數(shù)據(jù)，OEM1自動(dòng)完成所有PROFIBUS的數(shù)據(jù)交換，用戶不需要關(guān)心PROFIBUS的通訊細(xì)節(jié)。
2.1 PB-OEM1-DPRAM技術(shù)指標(biāo)
▲ PROFIBUS-DP協(xié)議，符合EN57170 V2和IEC61158；
▲ 標(biāo)準(zhǔn)PROFIBUS-DP驅(qū)動(dòng)接口，波特率自適應(yīng)，最大波特率12M；
▲ PROFIBUS 輸入/輸出數(shù)量可自由設(shè)定，最大112字節(jié)輸入+112字節(jié)輸出；
▲ 可實(shí)現(xiàn)PROFIBUS用戶參數(shù)化功能：用戶模板可將一次性設(shè)置的參數(shù)在主站配置中設(shè)定，如溫度上限報(bào)警值等；主站在與從站連接時(shí)一次將這些用戶參數(shù)傳送到從站，用戶模板可使用這些參數(shù)實(shí)現(xiàn)參數(shù)化。用戶參數(shù)化功能的好處是：避免將一次性設(shè)置的參數(shù)作為PROFIBUS-I/O，占用周期性數(shù)據(jù)通信時(shí)間和空間資源；
▲ 接口板與用戶板接口為雙口RAM（25ns讀/寫(xiě)周期），用戶板按普通RAM的讀寫(xiě)時(shí)序即可對(duì)接口板進(jìn)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(duì)雙口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，保證了數(shù)據(jù)交換的實(shí)時(shí)性和完整性（一致性）；
▲ 接口板與用戶模板的數(shù)據(jù)交換有字校驗(yàn)和，保證了數(shù)據(jù)的安全性：
▲ 需用戶板供電2組5VDC：VCC/GND-150mA和5V/0V-100mA；
▲ 工作環(huán)境溫度：0～ 50℃；
▲ 工作相對(duì)濕度：5～95% ；
▲外形尺寸（mm）：50×70。
2.2 雙口RAM（1K）單元地址分區(qū)表
地 址內(nèi) 容注 釋地 址內(nèi) 容注 釋
0000版本代碼（保留）0100版本月份（保留）
0001版本年份（保留）0101版本日期（保留）
0002空閑0102空閑
0003‥‥0103‥‥
0004用戶模板狀態(tài)字節(jié)10104接口板狀態(tài)字
0005用戶模板狀態(tài)字節(jié)2‥‥0105接口板狀態(tài)字‥‥
0006命令字節(jié)1來(lái)自用戶模板0106備用
0007命令字節(jié)2‥‥‥‥‥‥
‥‥備用‥‥‥‥
000F‥‥010F‥‥

0010初始化數(shù)據(jù)0（站號(hào)）0110用戶參數(shù)數(shù)據(jù)1來(lái)自Profibus主站
0011初始化數(shù)據(jù)1（ID號(hào)H）0111參數(shù)數(shù)據(jù)2 ‥‥
0012初始化數(shù)據(jù)2（ID號(hào)L）0112參數(shù)數(shù)據(jù)3 ‥‥
0013初始化數(shù)據(jù)3（CFG長(zhǎng)度≤8）0113參數(shù)數(shù)據(jù)4 ‥‥
0014初始化數(shù)據(jù)4（CFG數(shù)據(jù)1）0114參數(shù)數(shù)據(jù)5 ‥‥
‥‥‥‥（CFG數(shù)據(jù)n）0115參數(shù)數(shù)據(jù)6 ‥‥
001D初始化數(shù)據(jù)13備用0116參數(shù)數(shù)據(jù)7 ‥‥
001E初始化數(shù)據(jù)14PB輸入長(zhǎng)度‥‥‥‥‥‥
001F初始化數(shù)據(jù)15PB輸出長(zhǎng)度‥‥‥‥‥‥
0020初始化數(shù)據(jù)16用戶參數(shù)長(zhǎng)度0110+L-1 參數(shù)數(shù)據(jù)L L = （L_ini[16]）
0021初始化校驗(yàn)和字H17∑0010-00200110+L用戶參數(shù)校驗(yàn)和字H∑0110-（0110 + L-1）
0022初始化校驗(yàn)和字L18‥‥0110+L+1用戶參數(shù)校驗(yàn)和字L‥‥
‥‥備用‥‥備用
002F‥‥014F‥‥

0050Profibus輸入字節(jié)長(zhǎng)度mm <= 1120150Profibus輸出字節(jié)長(zhǎng)度n<= 112
0051Profibus輸入字節(jié)1來(lái)自用戶模板0151Profibus輸出字節(jié)1來(lái)自Profibus主站
0052Profibus輸入字節(jié)2‥‥0152Profibus輸出字節(jié)2‥‥
‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥
0051+mProfibus輸入字節(jié)m‥‥0150+nProfibus輸出字節(jié)n‥‥
‥‥Profibus輸入校驗(yàn)和字H∑0050-0050+m‥‥Profibus輸出校驗(yàn)和字H∑0150-0150+n
‥‥Profibus輸入校驗(yàn)和字L‥‥‥‥Profibus輸出校驗(yàn)和字L‥‥
00C4備用01C4備用

3、PB-OEM1-DPRAM產(chǎn)品特點(diǎn)
▲ 開(kāi)發(fā)周期短：用戶不需要了解PROFIBUS開(kāi)發(fā)技術(shù)，不需要購(gòu)買(mǎi)PROFIBUS開(kāi)發(fā)系統(tǒng)；不需要自己編寫(xiě)GSD文件，可在短時(shí)間內(nèi)完成開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的PROFIBUS產(chǎn)品；
▲ 應(yīng)用簡(jiǎn)單：用戶產(chǎn)品的CPU通過(guò)雙口RAM向接口板讀/寫(xiě)輸入/輸出數(shù)據(jù)，接口板自動(dòng)轉(zhuǎn)換成PROFIBUS-DP協(xié)議與PROFIBUS主站通信。
▲ 完整的技術(shù)資料：《PB-OEM1-DPRAM產(chǎn)品手冊(cè)》包括：開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)板PB-OEM1- DPRAM Evaluation Board原理圖、雙口RAM通訊協(xié)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(shuō)明等，全部資料可從網(wǎng)上下載。
▲ 高速：PB-OEM1-DPRAM型產(chǎn)品支持12M波特率，最快數(shù)據(jù)更新周期小于1ms 。
▲ 應(yīng)用廣泛：可廣泛用于各種產(chǎn)品，如變頻器、電機(jī)啟動(dòng)保護(hù)裝置、智能高低壓電器、電量測(cè)量裝置、各種變送器、智能現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量設(shè)備及儀表等等。
▲ 提供方式：以O(shè)EM方式提供，因此用戶對(duì)產(chǎn)品有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、品牌、商標(biāo)注冊(cè)權(quán)。
▲ 最大PROFIBUS-I/O：112字節(jié)輸入+112字節(jié)輸出。
▲ 可實(shí)現(xiàn)PROFIBUS用戶參數(shù)化功能：用戶模板可將一次性設(shè)置的參數(shù)通過(guò)GSD文件在主站配置中設(shè)定，如溫度上限報(bào)警值等；主站在與從站連接時(shí)一次將這些用戶參數(shù)傳送到從站，用戶模板可使用這些參數(shù)實(shí)現(xiàn)參數(shù)化。用戶參數(shù)化功能的好處是：避免將一次性設(shè)置參數(shù)作為PROFIBUS-I/O，占用周期性數(shù)據(jù)通信時(shí)間和空間資源。

4、結(jié)束語(yǔ)
該公司采用鼎實(shí)公司的PB-OEM1-DPAM嵌入式接口所開(kāi)發(fā)的風(fēng)電變頻器，在內(nèi)蒙古某風(fēng)電廠投運(yùn)以來(lái)，通訊一直正常，有效地保證了自動(dòng)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。“十五”期間，中國(guó)的并網(wǎng)風(fēng)電得到迅速發(fā)展。成為繼歐洲、美國(guó)和印度之后發(fā)展風(fēng)力發(fā)電的主要市場(chǎng)之一。具有PROFIBUS通訊接口的風(fēng)電變頻器具有廣泛的應(yīng)用前景。采用PB-OEM1-DPRAM開(kāi)發(fā)PROFIBUS從站產(chǎn)品具有開(kāi)發(fā)周期短，性能穩(wěn)定，方便易用等優(yōu)點(diǎn)，在風(fēng)電產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)領(lǐng)域值得推廣。

備注：采用鼎實(shí)公司嵌入式板卡PB-OEM2-SE、PB-OEM3-IO和PB-OEM4-PCI同樣可以開(kāi)發(fā)其他類(lèi)型的PROFIBUS從站。