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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(qū)已建成并網型風電場91座,累計運行風力發(fā)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(fā)電的風場主要分布在新疆、內蒙、廣東、浙江、遼寧等16個省區(qū)。根據電監(jiān)會公布的數據,截至2006年底,中國發(fā)電裝機容量達到62200萬kW,風力發(fā)電占全國總裝機容量的0.42%。截至到2006年底,*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*,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*六位。因此,風力發(fā)電將成為我國大規(guī)模開發(fā)前景的新能源之一。
風力發(fā)電系統主要有恒速恒頻風力發(fā)電機系統和變速恒頻風力發(fā)電機系統兩大類。恒速恒頻風力發(fā)電系統一般使用同步電機或者鼠籠式異步電機作為發(fā)電機,通過定槳距失速控制的風輪機使發(fā)電機的轉速保持在恒定的數值繼而保證發(fā)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(fā)電效率較低。變速恒頻風力發(fā)電系統一般采用永磁同步電機或者雙饋電機作為發(fā)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*的效率運行,是目前風力發(fā)電技術的發(fā)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(fā)電機容量相當,這是非常不經濟的。雙饋異步風力發(fā)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(fā)電系統,尤其是大、中容量的風力發(fā)電系統。
1、帶有PROFIBUS通訊接口的變頻器簡介
西安某風電變頻裝置運用于1.5MW變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組,通過調節(jié)雙饋發(fā)電機勵磁電流,使得發(fā)電機按*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(jié)發(fā)電機反力矩使轉速跟隨風速變化,以便按*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(jié)距限制機組獲取的能量,使風電機組保持在額定功率點發(fā)電。
1.1 功能簡介
*葉尖速比控制:根據風速變化對發(fā)電機轉速進行實時調節(jié),使得風機在額定功率以下能運行在zui大功率捕獲點,優(yōu)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(jié)發(fā)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(jié)勵磁電流的有功與無功分量,分別調節(jié)發(fā)電機的有功功率和無功功率。在可以調節(jié)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(tài)和動態(tài)性能;
定子磁鏈定向矢量控制技術:通過調節(jié)發(fā)電機勵磁電流實現在不同的轉速下的恒頻發(fā)電,滿足用電負載和電網的要求,同時按*葉尖速比實時調節(jié)發(fā)電機輸出功率,提高了機組的經濟效益。
1.2 設計特點
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(yè)風沙多、溫差變化大和振動大等特殊的工作環(huán)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。
2、基于PB-OEM1-DPRAM嵌入式模塊的PROFIBUS接口的設計
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(fā)而成。鼎實科技的PB-OEM1-DPRAM專為自主開發(fā)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(qū)中,同時從OEM1的對應區(qū)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(jié)。
2.1 PB-OEM1-DPRAM技術指標
PROFIBUS-DP協議,符合EN57170 V2和IEC61158;
標準PROFIBUS-DP驅動接口,波特率自適應,zui大波特率12M;
PROFIBUS 輸入/輸出數量可自由設定,zui大112字節(jié)輸入+112字節(jié)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(huán)境溫度:-25~ 55℃;
工作相對濕度:5~95% ;
外形尺寸(mm):50×70。
2.2 雙口RAM(1K)單元地址分區(qū)表
3、PB-OEM1-DPRAM產品特點
開發(fā)周期短:用戶不需要了解PROFIBUS開發(fā)技術,不需要購買PROFIBUS開發(fā)系統;不需要自己編寫GSD文件,可在短時間內完成開發(fā)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(fā)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,zui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。
zui大PROFIBUS-I/O:112字節(jié)輸入+112字節(jié)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。
4、結束語
該公司采用鼎實公司的PB-OEM1-DPAM嵌入式接口所開發(fā)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(fā)展。成為繼歐洲、美國和印度之后發(fā)展風力發(fā)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(fā)PROFIBUS從站產品具有開發(fā)周期短,性能穩(wěn)定,方便易用等優(yōu)點,在風電產品的開發(fā)領域值得推廣。
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