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挑戰：為瑞典呂瑟希爾（Lysekil）波浪發(fā)電研究站開(kāi)發(fā)一個(gè)低壓海上變電所的控制和測量系統。 解決方案：借助4個(gè)NI CompactRIO系統，其中三個(gè)系統位于海底而另外一個(gè)位于在海岸上，和 NI LabVIEW 軟件在呂瑟希爾（Lysekil）波浪發(fā)電研究站開(kāi)發(fā)一個(gè)控制和測量系統。 "我們成功實(shí)現了一個(gè)基于CompactRIO平臺的控制和測量系統。系統被放置在一個(gè)接電裝置中，并與之一起放置在海底。" 在2009年夏季，呂瑟希爾（Lysekil）波浪發(fā)電研究站由3個(gè)WEC（ 波浪能源轉換器）、1個(gè)LVMS（低壓海上變電所）和1個(gè)地面測量站組成。研究站的概況如圖1所示。 
圖 1：2009年4月受控研究站示意圖；WEC3是紅色的，WEC 2是藍色的，WEC 1是灰色的。LVMS位于電阻發(fā)電機負載和地面測量站之間。 LVMS低壓海上變電所的控制 控制系統由3個(gè)位于LVMS內部的CompactRIO裝置、1個(gè)CompactRIO和1臺位于地面測量站的電腦組成。通信結構如圖2所示。
圖 2：通信結構（其中包括通過(guò)通信電纜實(shí)現的LVMS和測量站之間點(diǎn)對點(diǎn)通信） 第一個(gè)CompactRIO系統是一個(gè)保險裝置，它是一個(gè)開(kāi)/關(guān)系統，控制變電所中的接觸器和繼電器。第二個(gè)系統控制直流至交流電壓的轉換。第三個(gè)系統是一個(gè)專(zhuān)用數據采集系統，能夠記錄來(lái)自L(fǎng)VMS內部傳感器的WEC數據和環(huán)境數據。圖3展示了第一個(gè)CompactRIO系統、1個(gè)信號調節模塊和調制解調器。第四個(gè)CompactRIO系統用于控制測量站外的電阻性電力負載并且測量上傳至海岸的電壓和電流。
圖 3：在CompactRIO后面安裝有2個(gè)基于可編程自動(dòng)化控制器（PAC）的安全系統和調制解調器。 保險裝置和繼電器控制系統 第一個(gè)CompactRIO系統僅使用現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）開(kāi)發(fā)完成，以增加系統穩定性。一個(gè)實(shí)時(shí)程序由許多進(jìn)程組成，這些進(jìn)程彼此互相依賴(lài)，并且經(jīng)常存在一個(gè)進(jìn)程阻礙另一個(gè)進(jìn)程運行的風(fēng)險。通常，我們使用三種方法類(lèi)克服死鎖：死鎖預防、死鎖規避和死鎖檢測。若僅利用部分計算資源，那么死鎖的可能性會(huì )減少，然而實(shí)時(shí)系統不可能100%穩定。第一個(gè)CompactRIO系統會(huì )對WEC(波浪能源轉換器)進(jìn)行切換，從而達到整流的目的，或者，它會(huì )將一個(gè)WEC連接到地面測量站并把其他的WEC連接到它們的阻性負載。它還會(huì )測量電壓和電流值，若超過(guò)限定值，就將WEC從LVMS上斷開(kāi)。 變頻器控制 第二個(gè)CompactRIO系統負責將直流電壓轉換成50Hz交流電壓。LVMS內部的變頻器由1個(gè)CompactRIO和6個(gè)配有驅動(dòng)器的IGBT（絕緣柵雙極晶體管)組成。根據對直流母線(xiàn)和交流輸出進(jìn)行的測量，變頻器會(huì )執行對IGBT（絕緣柵雙極晶體管）的PWM（脈寬調制）。我們把高速的開(kāi)關(guān)算法放在FPGA中，并與實(shí)時(shí)控制器通信以便進(jìn)行校正計算，然后將脈沖寬度的信息傳送回FPGA。CompactRIO還把測量結果發(fā)送至地面站的電腦，并將數據儲存到電腦的硬盤(pán)中。變頻器最終測試結果如圖4所示�？刂平缑嫒鐖D8所示。
圖 4：在烏普薩拉（Uppsala）進(jìn)行的最終測試的電流和電壓測量結果：a)測量到的交流電壓，負載=107歐姆 b)測量到的交流電壓，負載=107歐姆 c)通過(guò)變壓器之后測量的交流電壓，負載=36微法//107歐姆 d)通過(guò)變頻器之前測量的直流電壓。 專(zhuān)用數據采集系統 第三個(gè)系統是專(zhuān)用數據采集系統，它能夠測量來(lái)自每個(gè)WEC的電壓和電流以及兩個(gè)WEC內部傳感器。其中包括在WEC2和WEC3內部的譯碼器位置、發(fā)電機磁通量和定子溫度。在WEC2的金屬結構上還配備有應變計以及能夠測量活塞水平運動(dòng)的激光傳感器。系統還可以測量LVMS內部的漏水情況、溫度、壓力和濕度。 數據采集系統的放置 因為電子設備最終需要維修和校準，所以我們把測量CompactRIO系統放在接電裝置內部。這樣我們可以將接電裝置從海底提出海平面并把它拖進(jìn)海港，但是提起一個(gè)WEC的費用則更加昂貴。 在評估測量數據的過(guò)程中，在時(shí)間同步性方面遇到了挑戰。大多數數據記錄系統時(shí)鐘僅精確到秒。而為了評估來(lái)自WEC的數據，傳感器必須實(shí)現毫秒級的同步，這可以利用IEEE-1588時(shí)鐘同步協(xié)議實(shí)現。但是如果使用數據記錄系統來(lái)實(shí)現同步，則會(huì )導致WEC內部的傳感器數據將會(huì )與WEC生成電壓和電流信號同步。因此，更好的方法是，將WEC生成的模擬信號直接傳送出去，然后再在這個(gè)數據采集系統中采集所有的信號。 結果 我們成功實(shí)現了基于CompactRIO 平臺的控制和測量系統。我們把系統放在接電裝置中，然后把接電裝置放在海底。我們可以通過(guò)基于CompactRIO設計的變頻器來(lái)控制直流至交流的轉換。 鳴謝 瑞典呂瑟希爾（Lysekil）項目于2009年由Vattenfall AB、Statkraft AS、Fortum oy、瑞典能源機構、Draka Cable AB、哥德堡能源研究基金、 Falkenberg Energy AB、Wallenius 基金、Helukabel、ProEnviro、Seabased AB、Olle Engkvist基金、The J. Gust. Richert 基金、Ångpanneföreningen研發(fā)基金、CF 環(huán)境基金、Göran Gustavsson研究基金和Vargöns研究基金資助。 作者: Olle Svensson - Division of Electricity, Uppsala University |
