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1、第31卷第5期吉首大学学报(自然科学版)Vo.l31No.52010年9月JournalofJishouUniversity(NaturalScienceEdition)Sept.2010文章编号:1007-2985(2010)05-0067-05*基于EtherCAT的风力发电机组主控系统设计1222施大发,王辉,梁骁,阮倩茹(1.湖南机电职业技术学院电气工程系,湖南长沙410151;2.湖南大学电气与信息工程学院,湖南长沙410082)摘要:机组主控制系统是变速恒频风力发电系统的核心,是机组最佳状态运行
2、和精确控制的保证.计算机控制和网络控制技术的发展使得机组主控系统运行的可靠性和智能化大大提高,通过引入EtherCAT实时以太网控制技术,设计了基于EtherCAT技术的风电机组主控制系统,提高了机组系统的实时控制和数据传输能力,并给出了硬件和软件设计方案.关键词:EtherCAT;风电机组;从站控制器;主控系统中图分类号:TM4文献标志码:A风电机组单机容量的扩大化和系统的变速恒频运行是当前并网风力发电技术发展的2大趋势,而机组主控制系统是整个风力发电机组控制的核心,是机组保持最佳运行状态,安全可靠运行的有力保障.当[1]前
3、兆瓦级风电机组控制系统采用基于数字信号处理器DSP或可编程控制器PLC的计算机控制来实现.随着风电机组的容量进一步扩大,控制策略的不断改进,控制系统的复杂性也随之增加,传统的中央集散控制体系难以达到复杂现场条件的实时控制要求,而在工业控制系统中广泛应用的以太网控制技术逐渐在风力发电机组控制系统中得到应用,这样可极大地简化控制设备,减少系统控制的复杂性,降低成本,并[2]且提高了系统的实时控制能力及操作的安全性.EtherCAT(EthernetforControlAutomationTechnology)是由德国倍福(BECKHOFF)公
4、司开发的一种实[3]时工业以太网技术,它基于标准以太网技术设计,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,全双工数据交换,易于实现等特性.笔者阐述了EtherCAT技术的原理和协议,并将其应用于变速恒频风力发电机组主控制系统中,提出了主从站设计方案,完成了基于ET1100的从站控制器与DSP控制器的接口设计.1EtherCAT技术介绍1.1EtherCAT技术原理EtherCAT是1种实时以太网现场总线技术,采用了主从介质访问方式.主站控制所有从站发送或接收数据,主站发送数据帧,从站在数据帧经过时读取相关报文中的输出数据.
5、同时,从站的输入数据插入到同一数据帧的相关报文中.当该数据帧经过所有从站并完成数据交换后,由EtherCAT系统的末端从站将数[3]据帧返回,如图1所示.整个过程中,报文只有几ns的时间延迟.发送和接受的以太帧压缩了大量的设备数据,可用数据率可达90%以上.1.2EtherCAT协议EtherCAT是用于过程数据的优化协议,以标准以太网技术为基础,使用了一个特殊的以太网帧类型0x88A4,这种方式可以使控制数据直接写入以太网帧内,并且可以与遵守其他协议的以太网帧在同一网络*收稿日期:2010-07-25基金项目:湖南省科技计划资助项目(2
6、010FJ3119);湖南省教育厅科学研究项目(09C1160)作者简介:施大发(1965-),男,湖南安乡人,湖南机电职业技术学院电气工程系副教授,硕士,主要从事自动化控制与应用研究.68吉首大学学报(自然科学版)第31卷中并行.EtherCAT不仅能在单个子网中应用,而且通过EtherCATUDP可将EtherCAT协议封装为UDP/IP数据报文.因此任何以太网协议堆栈的控制均可编址到EtherCAT系统之中.EtherCAT采用标准的IEEE802.3以太网帧结构,帧结构如图2所示.图1EtherCAT工作原理图2EtherCA
7、T帧结构EtherCAT协议包括几个EtherCAT报文,每个报文都服务于一块逻辑过程映像区的特定内存区域,该[3-4]区域最大可达4GB字节,由FMMU寄存器和SM(SyncManager)寄存器定义.2基于EtherCAT技术的风电机组主控系统2.1系统概述风电机组主控系统的主要任务是采集当前的机组参数,根据风场风况和最佳风能捕获策略,对各子控制单元给出合理的操作指令,完成偏航、变桨距、变流和并网等操作,同时,主控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、设置风机运行参数等.除
8、此之外,机组控制系统需具有与风图3变速恒频风力发电机组主控系统电场中上位机进行远程通讯功能,以便中央控制室实时监测风场中各台机组的运行状态和运行数据,从而调整对机组的运行要求,其主要功能如图
