CN101188397A - 双馈型风力发电机交流励磁控制电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双馈型风力发电机交流励磁控制电路及其控制方法，其控制电路包括：信号调理模块、中央数据处理模块、信号变换模块、变换器模块、状态监控及故障处理模块；其控制方法包括：1)信号采集阶段；2)将采集信号放大、整形和变为接受的信号阶段；3)对接受信号发出调节指令阶段。本发明有益效果：电路简单、输出触发脉冲安全可靠、控制精度高，提高稳定性和可靠性。利用芯片高速、高精度数据计算处理能力，克服普通单片机因处理速度限制而引起控制滞后和精度缺陷，使整个控制电路具有很好调节性能和灵敏性。能实现风力发电机变速恒频控制及有功、无功的独立调节控制，在稳定电压的同时提高有功功率输出，提高电网电能质量。

Description

双馈型风力发电机交流励磁控制电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及的是双馈型风力发电机交流励磁电路及控制方法，特别涉及的是双馈型风力发电机交流励磁控制电路及其控制方法。

背景技术

现有技术双馈风力发电机组包括：风机、发电机和发电机转子绕组连接的交流励磁控制装置，此交流励磁控制装置内设交流励磁控制电路。目前已研究的双馈型风力发电机交流励磁控制电路存在灵敏度不高、抗干扰能力差、实时性不好、硬件电路复杂、可靠性低等缺点；并且传统的风力发电机控制电路缺乏对电力系统进行二次调频的能力；传统控制电路在控制性能上难以满足现代大容量风力发电机的要求。因此，人们渴望出现新型风力发电机交流励磁控制电路，克服上述现有技术的不足。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术的不足，提供一种输出高功率因数，最大限度利用风能资源，在参与电力电路二次调频的同时，提高电力系统的稳定性，速度快精度高的双馈型风力发电机交流励磁控制电路及其控制方法

解决上述技术问题的技术方案是：

一种双馈型风力发电机交流励磁控制电路，所述双馈型风力发电机交流励磁控制电路包括：信号调理模块、中央数据处理模块、信号变换模块、变换器模块、状态监控及故障处理模块；所述信号调理模块的两个输入端分别连接变换器模块和外部传感器的输出端，信号调理模块的电压信号输出端和同步信号、风速信号、转换信号输出端连接中央数据处理模块的输入端；所述中央数据处理模块的输出端连接信号变换模块的输入端，中央数据处理模块的输出端双向连接风力发电机的桨距控制电路和风力发电机的控制面板；所述信号变换模块的两个输出端分别连接变换器模块和状态监控及故障处理模块的输入端；所述状态监控及故障处理模块的输入端连接变换器模块的输出端，状态监控及故障处理模块的输出端连接中央数据处理模块的输入端；设置在电网、发电机转子和机舱上外部传感器的输出端分别连接信号调理模块的输入端和状态监控及故障处理模块的输入端。

一种具有所述双馈型风力发电机交流励磁控制电路的控制方法，所述控制方法包括如下阶段：1).信号采集阶段：外部传感器采集电网电压频率、风速、风力发电机的转速、电压和电流信号；2).将采集信号进行放大、整形和变换为接受的信号阶段：将上述采集信号由信号调理模块进行放大、整形和变换，输出中央数据处理模块可接受的信号；3).对接受信号发出调节指令阶段：由中央数据处理模块接受信号：电网电压频率、风速、风力发电机的转速、电压和电流信号进行识别、判断和数据处理，并发出调节指令。

本发明的有益效果是：

1.本发明硬件电路简单、输出触发脉冲安全可靠、实时控制精度高，可较大提高装置的稳定性和可靠性。

2.利用芯片的高速、高精度数据计算处理能力，克服普通单片机因处理速度限制而引起的控制滞后和精度缺陷，使整个控制电路具有很好的调节性能和灵敏性。

3.本发明实现风力发电机的变速恒频控制及有功、无功的独立调节控制，在稳定电压的同时提高有功功率输出，提高电网的电能质量。

4.本发明能实时监测电网频率参与电力电路的频率调节，特别适用于无人值守运行的场合，提高电力电路的稳定性。

5.本发明集当前电力电子技术、微电子技术和软件编程于一身，应用最新电机控制理论，改善了风力发电机的运行性能。

附图说明：

图1是本发明控制电路连接框图；

图2是图1中信号调理模块和中央数据处理模块连接框图；

图3是图1中央数据处理模块内部模块连接框图；

图4是图1中信号变换模块内部电路连接框图；

图5是图1中变换器模块内部电路连接框图；

图6是图1中状态监控及故障处理模块内部电路连接框图。

《附图中序号说明》

1：信号调理模块  2：中央数据处理模块  3：信号变换模块  4：变换器模块5：状态监控及故障处理模块  6：外部传感器  7：风力发电机的桨距控制电路8：风力发电机的控制面板  9：风力发电机转子绕组  11：电压、电流交流采样前端电路12：频率方波变换电路  13：转速反馈接口电路  14：风速采集接口电路21：A/D模块  22：捕获模块  23：PWM模块  24：事务管理模块25：CAN总线接口  26：串行通讯接口电路  7：CPU  28：电源管理电路30：晶振电路  29：数据总线驱动电路  31：光电隔离电路  32：功率放大电路33：隔离电源电路  34：电信号转光信号电路  35：IGCT过流检测电路36：EXB641驱动器  41：电网  42：定子侧变换器  43：转子侧变换器44：直流侧  45：过流、过热检测传感器  46：过压、欠压检测传感器47：IGCT缓冲电路I   48：IGCT缓冲电路II  51：直流侧过流检测电路52：直流侧过热检测电路  53：直流侧过压检测电路  54：直流侧欠压检测电路55：交流电源缺相检测电路  56：IGCT过流检测通道  61：电压电流互感器62：电压互感器  63：光电编码器  64：风速传感器100：双馈型风力发电机交流励磁控制电路

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进一步详述。

如图1所示，本发明提供一种双馈型风力发电机交流励磁控制电路，所述双馈型风力发电机交流励磁控制电路100包括：信号调理模块1、中央数据处理模块2、信号变换模块3、变换器模块4、状态监控及故障处理模块5；所述信号调理模块1的两个输入端分别连接变换器模块4和外部传感器6的输出端，信号调理模块1的电压信号输出端和同步信号、风速信号、转换信号输出端连接中央数据处理模块2的输入端；所述中央数据处理模块2的输出端连接信号变换模块3的输入端，中央数据处理模块2的输出端双向连接风力发电机的桨距控制电路7和风力发电机的控制面板8；所述信号变换模块3的两个输出端分别连接变换器模块4和状态监控及故障处理模块5的输入端；所述状态监控及故障处理模块5的输入端连接变换器模块4的输出端，状态监控及故障处理模块5的输出端连接中央数据处理模块2的输入端；设置在电网、发电机转子和机舱上外部传感器6的输出端分别连接信号调理模块1的输入端和状态监控及故障处理模块5的输入端。

如图2所示，所述信号调理模块1包括：电压、电流交流采样前端电路11、频率方波变换电路12、转速反馈接口电路13和风速采集接口电路14。所述电压、电流交流采样前端电路11的输入端连接外部传感器6内的电压电流互感器61的输出端，电压、电流交流采样前端电路11的输出端连接中央数据处理模块2内的A/D模块21的输入端；外部传感器6内的电压互感器62、光电编码器63和风速传感器64的输出端分别连接频率方波变换电路12、转速反馈接口电路13和风速采集接口电路14的输入端；频率方波变换电路12、转速反馈接口电路13和风速采集接口电路14的输出端均连接中央数据处理模块2内的捕获模块22的输入端。

如图3所示，所述中央数据处理模块2是德州仪器公司生产的型号为TMS320F28355的芯片，中央数据处理模块2包括：CPU27、A/D模块21、捕获模块22、脉宽调制模块23、事务管理模块24、CAN总线接口25和串行通讯接口电路26、电源管理电路28、晶振电路30、数据总线驱动电路29。所述A/D模块21和捕获模块22的输入端连接信号调理模块1的输出端，A/D模块21和捕获模块22的输出端双向连接CPU27；脉宽调制模块23的输出端连接信号变换模块3的输入端，脉宽调制模块23的输入端连接CPU27；事务管理模块24的输入端连接状态监控及故障处理模块5输出端，事务管理模块24的输出端双向连接CPU27；CAN总线接口25输入端双向连接风力发电机的控制面板8，CAN总线接口25输出端双向连接CPU27；中央数据处理模块2的串行通讯接口电路26输出端双向连接风力发电机的桨距控制电路7的输入端。

上述电源管理电路28的输出给CPU27；晶振电路30的时钟信号传给CPU27；数据总线驱动电路29输出给CPU27，完成数据缓冲和电平转换；串行通信接口电路26实现与风力发电机桨距控制系统7的双向连接；CAN总线接口25实现与风力发电机的控制面板8的双向连接；中央数据处理模块2芯片的应用使得电路不但能实时快速地实现各种数字信号处理算法，而其简化了控制电路的电路，提高了抗干扰能力；通过中央数据处理模块2对各个模块的协调控制参与电网频率调节功能；所编软件程序设定各种执行条件，控制DSP芯片对数据总线驱动电路的输入信号进行辨识、处理并发出相关控制指令。

中央数据处理模块2中CPU27的应用使得电路不但能实时快速地实现各种数字信号处理算法，而其简化了控制电路的电路，提高了抗干扰能力。

如图4所示，所述信号变换模块3包括：由光电隔离电路31和功率放大电路32串联组成的EXB641驱动器36、IGCT过流检测电路35、电信号转光信号电路34、隔离电源电路33；所述EXB641驱动器36的输入端连接中央数据处理模块2内脉宽调制模块23的输出端，EXB641驱动器36的输出端连接电信号转光信号电路34的输入端，电信号转光信号电路34的输出端连接变换器模块4；EXB641驱动器36的输出端连接IGCT过流检测电路35的输入端，IGCT过流检测电路35的输出端连接状态监控及故障处理模块5；隔离电源电路33输出端连接EXB641驱动器36的输入端。

信号变换模块3以富士电机公司生产的EXB641驱动器为主芯片，主芯片集成了光电隔离电路31、电信号转光信号电路34、隔离电源电路33、IGCT过流检测电路35。信号变换模块3将输入的空间矢量脉冲宽度调制信号经光电隔离电路31、电信号转光信号电路34、功率放大电路32，然后提供给变换器模块4；当信号变换模块3检测到变换器模块4过流时，IGCT过流检测电路35输出报警信号到状态监控及故障处理模块5。

如图5所示，所述的变换器模块4包括：定子侧变换器42、转子侧变换器43、转子侧变换器43、直流侧44、过流、过热检测传感器45、过压、欠压检测传感器46、IGCT缓冲电路I 47和IGCT缓冲电路II 48；所述转子侧变换器43和定子侧变换器42的输入端分别连接信号变换模块3的输出端；定子侧变换器42的输入端连接电网41；转子侧变换器43的输出端连接风力发电机转子绕组9；IGCT缓冲电路I 47和IGCT缓冲电路II 48的输出端分别连接定子侧变换器42和转子侧变换器43的输入端；过流、过热检测传感器45、过压、欠压检测传感器46的输入端和输出端分别连接直流侧44的输出端和状态监控及故障处理模块5的输入端。

所述转子侧变换器43有6个IGCT单元构成三相桥式电路，定子侧变换器42由6个IGCT单元构成三相桥式电路。来信号变换模块的控制信号控制IGCT的通断，产生所需的三相交流励磁电源，实现对电机的电压、转速、功率等量的调节控制。通过对转子侧变换器和定子侧变换器的控制实现转子侧电能与电网电能的双向流动，实现双馈功能。

如图6所示，所述状态监控及故障处理模块5包括：直流侧过流检测电路51、直流侧过热检测电路52、直流侧过压检测电路53、直流侧欠压检测电路54、交流电源缺相检测电路55和IGCT过流检测通道56。所述直流侧过流检测电路51和直流侧过热检测电路52、直流侧过压检测电路53和直流侧欠压检测电路54的输入端分别连接变换器模块4内的过流、过热检测传感器45和过压、欠压检测传感器46；所述交流电源缺相检测电路55输入端连接外部传感器6内的电压互感器62的输出端；所述IGCT过流检测通道56输入端连接信号变换模块3输出端；状态监控及故障处理模块5的输出端连接中央数据处理模块2内的事务管理模块24的输入端。

上述六部分的输出作为报警信号送入中央数据处理模块2的输入端，激活相应信号处理子程序，执行对变换器模块4的封锁功能。

本发明还提供一种具有所述双馈型风力发电机交流励磁控制电路的控制方法，所述控制方法包括如下阶段：

1).信号采集阶段：外部传感器6对电路所需要的信号进行采集，这些信号包括：电网41电压频率、风速、风力发电机的转速、电压和电流信号；

2).将采集信号进行放大、整形和变换为接受的信号阶段：将上述采集信号由信号调理模块1进行放大、整形和变换，输出中央数据处理模块2可接受的信号；

3).对接受信号发出调节指令阶段：由中央数据处理模块2接受信号：电网电压频率、风速、风力发电机的转速、电压和电流信号进行识别、判断和数据处理，并发出调节指令。

中央数据处理模块2对采集到的信号进行识别、判断和数据处理，并发出对电路进行调节的指令，具体是：

①.依据风速对风力发电机进行控制：

如果风速低于额定风速，那么中央数据处理模块2按照“定子磁场定向的矢量控制策略”计算出功率电路的触发角，给出空间矢量脉冲宽度调制触发脉冲信号，空间矢量脉冲宽度调制脉冲信号经信号变换模块3放大，放大后的光信号触发变换器模块4中转子侧变换器43和定子侧变换器的相关IGCT单元，控制风力发电机转子侧输入励磁电压的频率、幅值相位、相序，达到调节电磁转矩和无功输出的目的，实现低风速工况下的最佳叶尖速比控制即最大限度的利用风能。

如果风速高于额定风速，那么中央数据处理模块2按照“定子磁场定向的矢量控制策略”计算出功率电路的触发角，给出空间矢量脉冲宽度调制触发脉冲信号，空间矢量脉冲宽度调制脉冲信号经信号变换模块3放大，放大后的光信号触发变换器模块4中转子侧变换器43和定子侧变换器的相关IGCT单元，控制风力发电机转子侧输入励磁电压的频率、幅值相位、相序，达到调节电磁转矩和无功输出的目的。同时，中央数据处理模块2通过串行通信接口电路26，对风力发电机的桨距控制电路7发出控制信号，通过桨距调节的方法除去多余的能量。

②.对风力发电机的转速和功率流向的识别：

对功率流向而言，当风力发电机的转速低于同步速时，电网向风力发电机转子绕组9馈入电功率；当风力发电机的转速高于同步速时，风力发电机转子绕组向电网41供电。

③.对电网电压的识别和IGCT工作状态的监控：

在中央数据处理模块2执行的同时，状态监控及故障处理模块5接收来自电压互感器62的传输的信号，对电网电压缺相与否进行判断；通过接收直流侧的过压、欠压检测传感器46的信号和接收直流侧过流、过热检测传感器45的信号以及IGCT过流检测信号，对电路变换器模块4的运行状态包括IGCT过流、直流侧欠压、过压、过流、过热进行监控；当发生异常工作状态时，状态监控及故障处理模块5都会输出报警信号给中央数据处理模块2；中央数据处理模块2激活相应信号处理子程序，执行对变换器模块4的封锁。

④.对电网频率的识别和处理：

通过信号调理模块1的频率方波变换电路，对电网的频率信号进行同步频率采样，中央数据处理模块2对其进行识别、判断后可直到外部电网的功率缺额情况。如果检测到的频率低于电网额定频率的某一阀值时，那么说明电网发生大的功率缺额，这时中央数据处理模块2就会对电路的运行情况进行检测并汇总，在风速适合的情况下，如果电路处于停机状态，那么中央数据处理模块2就会激活相应子程序，使电路开始运行，直至最高功率因数输出；如果电路虽然处于运行状态，但未达到最高功率因数输出，那么中央数据处理模块2就会激活相应子程序，使电路在最高功率因数状况下运行。

下面对本发明工作过程进行说明。

中央数据处理模块2运行相应的程序对输入的信号和数据进行处理。当风速低于额定风速时中央数据处理模块2按照“定子磁场定向的矢量控制策略”计算出功率电路的触发角，给出空间矢量脉冲宽度调制触发脉冲信号，空间矢量脉冲宽度调制触发脉冲信号经信号转换模块放大后触发变换器模块4中的定转子侧变换器42、43中的IGCT单元，控制风力发电机转子绕组9输入的励磁电压的频率、幅值相位、相序，达到调节电磁转矩和无功输出的目的，实现低风速工况下的最佳叶尖速比控制即最大限度的利用风能；当风速高于额定风速时中央数据处理电路按照“定子磁场定向的矢量控制策略”计算出功率电路的触发角，给出空间矢量脉冲宽度调制触发脉冲信号，空间矢量脉冲宽度调制触发脉冲信号经信号转换模块放大后触发变换器模块4中4中的定转子侧变换器42、43中的IGCT单元，控制风力发电机转子绕组9输入的励磁电压的频率、幅值相位、相序，达到调节电磁转矩和无功输出的目的，并且通过串行通信接口电路26，对风力发电机的桨距控制电路7发出控制信号，通过桨距调节的方法除去多余的能量。从功率流向来讲，当转速低于同步速时，电网41向风力发电机转子绕组9馈入电功率；当转速高于同步速时，风力发电机转子绕组向电网41供电。当电网41电压缺相、定转子侧变换器42、43中的IGCT单元过流、直流侧欠压、过压、过流、过热时，状态监控及故障处理模块5都会输出报警信号给中央数据处理模块2，中央数据处理模块2激活相应信号处理子程序，执行对变换器模块4的封锁；当外部电网发生大的功率缺额时，整个电网的频率降低，交流励磁控制电路的信号调理模块1中的频率方波变换电路12，通过同步频率采样，将这一情况反馈给中央数据处理模块2，通过调用相应子程序对功率输出及时做出调整。

Claims (7)

1.一种双馈型风力发电机交流励磁控制电路，其特征在于，所述双馈型风力发电机交流励磁控制电路(100)包括：信号调理模块(1)、中央数据处理模块(2)、信号变换模块(3)、变换器模块(4)、状态监控及故障处理模块(5)；所述信号调理模块(1)的两个输入端分别连接变换器模块(4)和外部传感器(6)的输出端，信号调理模块(1)的电压信号输出端和同步信号、风速信号、转换信号输出端连接中央数据处理模块(2)的输入端；所述中央数据处理模块(2)的输出端连接信号变换模块(3)的输入端，中央数据处理模块(2)的输出端双向连接风力发电机的桨距控制电路(7)和风力发电机的控制面板(8)；所述信号变换模块(3)的两个输出端分别连接变换器模块(4)和状态监控及故障处理模块(5)的输入端；所述状态监控及故障处理模块(5)的输入端连接变换器模块(4)的输出端，状态监控及故障处理模块(5)的输出端连接中央数据处理模块(2)的输入端；设置在电网、发电机转子和机舱上外部传感器(6)的输出端分别连接信号调理模块(1)的输入端和状态监控及故障处理模块(5)的输入端。

2.根据权利要求1所述双馈型风力发电机交流励磁控制电路，其特征在于，所述信号调理模块(1)包括：电压、电流交流采样前端电路(11)、频率方波变换电路(12)、转速反馈接口电路(13)和风速采集接口电路(14)；所述电压、电流交流采样前端电路(11)的输入端连接外部传感器(6)内的电压电流互感器(61)的输出端，电压、电流交流采样前端电路(11)的输出端连接中央数据处理模块(2)内的A/D模块(21)的输入端；外部传感器(6)内的电压互感器(62)、光电编码器(63)和风速传感器(64)的输出端分别连接频率方波变换电路(12)、转速反馈接口电路(13)和风速采集接口电路(14)的输入端；频率方波变换电路(12)、转速反馈接口电路(13)和风速采集接口电路(14)的输出端均连接中央数据处理模块(2)内的捕获模块(22)的输入端。

3.根据权利要求1所述双馈型风力发电机交流励磁控制电路，其特征在于，所述的中央数据处理模块(2)是型号为TMS320F28355的芯片，中央数据处理模块(2)包括：CPU(27)、A/D模块(21)、捕获模块(22)、脉宽调制模块(23)、事务管理模块(24)、CAN总线接口(25)和串行通讯接口电路(26)；所述A/D模块(21)和捕获模块(22)的输入端连接信号调理模块(1)的输出端，A/D模块(21)和捕获模块(22)的输出端双向连接CPU(27)；脉宽调制模块(23)的输出端连接信号变换模块(3)的输入端，脉宽调制模块(23)的输入端连接CPU(27)；事务管理模块(24)的输入端连接状态监控及故障处理模块(5)输出端，事务管理模块(24)的输出端双向连接CPU(27)CAN总线接口(25)输入端双向连接风力发电机的控制面板(8)，CAN总线接口(25)输出端双向连接CPU(27)；中央数据处理模块(2)的串行通讯接口电路(26)输出端双向连接风力发电机的桨距控制电路(7)的输入端。

4.根据权利要求1所述双馈型风力发电机交流励磁控制电路，其特征在于，所述的信号变换模块(3)包括：由光电隔离电路(31)和功率放大电路(32)串联组成的EXB641驱动器(36)、IGCT过流检测电路(35)、电信号转光信号电路(34)、隔离电源电路(33)；所述EXB641驱动器(36)的输入端连接中央数据处理模块(2)内脉宽调制模块(23)的输出端，EXB641驱动器(36)的输出端连接电信号转光信号电路(34)的输入端，电信号转光信号电路(34)的输出端连接变换器模块(4)；EXB641驱动器(36)的输出端连接IGCT过流检测电路(35)的输入端，IGCT过流检测电路(35)的输出端连接状态监控及故障处理模块(5)；隔离电源电路(33)输出端连接EXB641驱动器(36)的输入端。

5.根据权利要求1所述双馈型风力发电机交流励磁控制电路，其特征在于，所述的变换器模块(4)包括：定子侧变换器(42)、转子侧变换器(43)、转子侧变换器(43)、直流侧(44)、过流、过热检测传感器(45)、过压、欠压检测传感器(46)、IGCT缓冲电路I(47)和IGCT缓冲电路II(48)；所述转子侧变换器(43)和定子侧变换器(42)的输入端分别连接信号变换模块(3)的输出端；定子侧变换器(42)的输入端连接电网(41)；转子侧变换器(43)的输出端连接风力发电机转子绕组(9)；IGCT缓冲电路I(47)和IGCT缓冲电路II(48)的输出端分别连接定子侧变换器(42)和转子侧变换器(43)的输入端；过流、过热检测传感器(45)、过压、欠压检测传感器(46)的输入端和输出端分别连接直流侧(44)的输出端和状态监控及故障处理模块(5)的输入端。

6.根据权利要求1所述双馈型风力发电机交流励磁控制电路，其特征在于，所述状态监控及故障处理模块(5)包括：直流侧过流检测电路(51)、直流侧过热检测电路(52)、直流侧过压检测电路(53)、直流侧欠压检测电路(54)、交流电源缺相检测电路(55)和IGCD过流检测通道(56)；所述直流侧过流检测电路(51)和直流侧过热检测电路(52)、直流侧过压检测电路(53)和直流侧欠压检测电路(54)的输入端分别连接变换器模块(4)内的过流、过热检测传感器(45)和过压、欠压检测传感器(46)；所述交流电源缺相检测电路(55)输入端连接外部传感器(6)内的电压互感器(62)的输出端；所述IGCT过流检测通道(56)输入端连接信号变换模块(3)输出端；状态监控及故障处理模块(5)的输出端连接中央数据处理模块(2)内的事务管理模块(24)的输入端。

7.一种具有权利要求1中所述双馈型风力发电机交流励磁控制电路的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下阶段：

1).信号采集阶段：外部传感器(6)采集电网(41)电压频率、风速、风力发电机的转速、电压和电流信号；

2).将采集信号进行放大、整形和变换为接受的信号阶段：将上述采集信号由信号调理模块(1)进行放大、整形和变换，输出中央数据处理模块(2)可接受的信号；

3).对接受信号发出调节指令阶段：由中央数据处理模块(2)接受信号：电网电压频率、风速、风力发电机的转速、电压和电流信号进行识别、判断和数据处理，并发出调节指令。

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