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挑戰(zhàn)：為瑞典呂瑟希爾（Lysekil）波浪發(fā)電研究站開發(fā)一個低壓海上變電所的控制和測量系統(tǒng)。 解決方案：借助4個NI CompactRIO系統(tǒng)，其中三個系統(tǒng)位于海底而另外一個位于在海岸上，和 NI LabVIEW 軟件在呂瑟希爾（Lysekil）波浪發(fā)電研究站開發(fā)一個控制和測量系統(tǒng)。 "我們成功實現(xiàn)了一個基于CompactRIO平臺的控制和測量系統(tǒng)。系統(tǒng)被放置在一個接電裝置中，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WEC（ 波浪能源轉換器）、1個LVMS（低壓海上變電所）和1個地面測量站組成。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(tǒng)由3個位于LVMS內部的CompactRIO裝置、1個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（其中包括通過通信電纜實現(xiàn)的LVMS和測量站之間點對點通信） 第一個CompactRIO系統(tǒng)是一個保險裝置，它是一個開/關系統(tǒng)，控制變電所中的接觸器和繼電器。第二個系統(tǒng)控制直流至交流電壓的轉換。第三個系統(tǒng)是一個專用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠記錄來自LVMS內部傳感器的WEC數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)。圖3展示了第一個CompactRIO系統(tǒng)、1個信號調節(jié)模塊和調制解調器。第四個CompactRIO系統(tǒng)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個基于可編程自動化控制器（PAC）的安全系統(tǒng)和調制解調器。 保險裝置和繼電器控制系統(tǒng) 第一個CompactRIO系統(tǒng)僅使用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）開發(fā)完成，以增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。一個實時程序由許多進程組成，這些進程彼此互相依賴，并且經(jīng)常存在一個進程阻礙另一個進程運行的風險。通常，我們使用三種方法類克服死鎖：死鎖預防、死鎖規(guī)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減少，然而實時系統(tǒng)不可能100%穩(wěn)定。第一個CompactRIO系統(tǒng)會對WEC(波浪能源轉換器)進行切換，從而達到整流的目的，或者，它會將一個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。它還會測量電壓和電流值，若超過限定值，就將WEC從LVMS上斷開。 變頻器控制 第二個CompactRIO系統(tǒng)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CompactRIO和6個配有驅動器的IGBT（絕緣柵雙極晶體管)組成。根據(jù)對直流母線和交流輸出進行的測量，變頻器會執(zhí)行對IGBT（絕緣柵雙極晶體管）的PWM（脈寬調制）。我們把高速的開關算法放在FPGA中，并與實時控制器通信以便進行校正計算，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(shù)據(jù)儲存到電腦的硬盤中。變頻器最終測試結果如圖4所示。控制界面如圖8所示。
圖 4：在烏普薩拉（Uppsala）進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)通過變壓器之后測量的交流電壓，負載=36微法//107歐姆 d)通過變頻器之前測量的直流電壓。 專用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 第三個系統(tǒng)是專用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它能夠測量來自每個WEC的電壓和電流以及兩個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的激光傳感器。系統(tǒng)還可以測量LVMS內部的漏水情況、溫度、壓力和濕度。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(tǒng)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海港，但是提起一個WEC的費用則更加昂貴。 在評估測量數(shù)據(jù)的過程中，在時間同步性方面遇到了挑戰(zhàn)。大多數(shù)數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)時鐘僅精確到秒。而為了評估來自WEC的數(shù)據(jù)，傳感器必須實現(xiàn)毫秒級的同步，這可以利用IEEE-1588時鐘同步協(xié)議實現(xiàn)。但是如果使用數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)來實現(xiàn)同步，則會導致WEC內部的傳感器數(shù)據(jù)將會與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，然后再在這個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中采集所有的信號。 結果 我們成功實現(xiàn)了基于CompactRIO 平臺的控制和測量系統(tǒng)。我們把系統(tǒng)放在接電裝置中，然后把接電裝置放在海底。我們可以通過基于CompactRIO設計的變頻器來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 |
