CN101892952B - 全数字化的电动变桨驱动器 - Google Patents
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Abstract
一种全数字化的电动变桨驱动器，其外围设备包括轴柜、变桨执行电机以及该电机输出轴上的增量编码器，所述驱动器的电路包括两部分：驱动电路和控制电路；所述驱动电路包括有整流电路，逆变电路，开关电源电路，以及电流、电压检测电路，继电器驱动电路；所述控制电路包括有DSP模块，CPLD模块，PWM信号驱动电路，信号调理电路，开关量采集电路，编码器信号调理采集电路，通讯电路；本发明直接接收风机主控发送的命令，通过检测电机定子电流信号、编码器信号，进行基于矢量变换和SVPWM的三闭环控制，实现对执行电机的变桨控制；且能够保障变桨距系统的控制精度、响应速度以及可靠性，最终提高整个风力发电机组的发电效率和电能质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种大型风力发电机组中的变桨距系统，尤指其中的一种全数字化的电动变桨驱动器。
背景技术
世界各国在改善能源结构、提高能源效率的同时都在大力发展可再生能源，其中发展最迅速的就是风力发电。大力发展风力发电是减少我国二氧化碳排放量的措施之一，因此发展风力发电将大大减少我国温室气体的排放，有非常明显的经济、社会效益。
变桨距系统作为大型风电机组的核心部分之一，对机组安全、稳定、高效的运行有十分重要的作用。变桨距是指风力发电机组安装在轮毂上的叶片借助控制技术和动力系统改变桨叶桨距角的大小进而改变叶片气动特性，使桨叶和整机受力状况大为改善。变桨距控制与变速恒频技术相配合，最终提高了整个风力发电系统的发电效率和电能质量。电动变桨具有结构简单，控制策略多样化，如可以在变频器部分采用矢量控制及先进的智能控制理论，控制精度高。
目前通常采用可编程控制器(PLC)作为变桨距系统的控制器，通过PLC控制变频器实现变桨功能，具有抗干扰能力强，性能可靠的优点，但是其扫描周期长，精度低，而电动变桨系统要求控制精度高、实时性强、运算速度快。
发明内容
本发明的目的在于提供一种全数字化的电动变桨驱动器，其直接接收风机主控发送的命令，通过检测电机定子电流信号、编码器信号，进行基于矢量变换和SVPWM的三闭环控制，实现对执行电机的变桨控制，同时采取了安全策略保障变桨安全。
一种全数字化的电动变桨驱动器，其外围设备包括轴柜、变桨执行电机以及该电机输出轴上的增量编码器，所述驱动器的电路包括两部分：驱动电路和控制电路；所述驱动电路包括有整流电路，逆变电路，开关电源电路，以及电流、电压检测电路，继电器驱动电路；所述控制电路包括有DSP模块，CPLD模块，PWM信号驱动电路，信号调理电路，开关量采集电路，编码器信号调理采集电路，通讯电路；其中：
控制变桨执行电机的信号流程为：所述电动变桨驱动器直接与风机主控进行通讯，该风机主控通过所述通讯电路将位置命令发送至所述DSP模块；所述编码器信号调理采集电路从所述变桨执行电机输出轴上的增量编码器中采集的信号经调理后输入DSP模块的正交脉冲编码QEP，在DSP模块内部通过M/T算法计算出当前变桨执行电机的转速反馈信号及位置反馈信号，所述位置反馈信号与所述位置命令进行比较，比较之后的误差送入所述DSP模块的位置调节器，实现位置闭环；该位置调节器输出变桨执行电机转速命令，该转速命令与所述转速反馈信号比较的误差送入所述DSP模块的转速调节器，实现速度闭环；所述电流、电压检测电路检测所述变桨执行电机的U、V相电流信号，经矢量变换后与所述DSP模块的转速调节器输出的转矩电流和励磁电流给定分别进行比较后的误差送入所述DSP模块的电流调节器，实现电流闭环控制；所述DSP模块的电流调节器输出的电压信号经矢量变换，之后通过空间电压矢量调制后得到SVPWM信号，再经过所述PWM信号驱动电路后作为所述逆变电路的控制信号；风电机组给变桨系统提供的动力电通过所述整流电路变成直流电，该直流电在逆变电路中受所述SVPWM信号的控制输出频率可调的三相交流电，驱动所述变桨执行电机实现桨距角的控制；
主电源检测信号流程为：所述电流、电压检测电路检测直流母线电压模拟信号，经过所述信号调理电路调理后送入所述DSP模块的A/D单元，在DSP模块内与设定值进行比较：当母线电压低于200V，系统处于欠压故障状态，当母线电压高于400V，系统处于过压故障状态，当母线电压处于370V～400V时，将开启制动电阻，进行电压泻放。对母线电压的采样用于实现对系统的过压、欠压保护。
控制变桨流程及其安全策略的开关量信号流程为：所述开关量采集电路采集所述轴柜内8路继电器开关反馈信号：电机抱闸释放反馈信号，电机加热反馈信号，90°限位开关信号，-10°限位开关信号，主电供电反馈信号，安全链闭合反馈信号，轴柜温度故障反馈信号，雷击反馈信号；所述8路反馈信号由所述开关量采集电路采集之后，经所述CPLD模块检测采集后传给所述DSP模块进行相应处理：电机抱闸释放反馈信号为0或电机加热反馈信号为1时，不允许变桨；90°限位开关信号为0时，停机；-10°限位开关信号、主电供电反馈信号、安全链闭合反馈信号或雷击反馈信号为0时，紧急收桨，顺桨到90°；轴柜温度故障反馈信号为0时收桨至88°，此故障可自动消除，消除后可继续变桨；同时将状态上报给风机主控；
控制所述轴柜内继电器的开关量信号流程为：所述DSP模块输出8路开关量信号，经过信号调理电路调理后送给所述继电器驱动电路，经驱动后输出给所述轴柜，控制该轴柜内继电器1～8的通断：继电器1导通变桨驱动器主电源得电；继电器2导通电机散热风扇得电；继电器3导通蓄电池得电；无系统断安全链的故障信号时，继电器4导通；变桨执行电机温度过热时继电器5断开，停止加热；在手动模式下当所述轴柜上的ENABLE按钮按下时继电器6导通；安全链闭合则继电器7导通，安全链断开时继电器7断开，紧急收桨；继电器8导通电机散热风扇得电。
本发明直接与风机主控进行通讯并具备可编程控制器的功能，采用数字信号处理器作为变桨系统的核心处理器，充分发挥了数字控制在控制精度上的优势和控制方法的灵活，不仅结构简单，而且性能更加可靠。因而本发明能够保障变桨距系统的控制精度、响应速度以及可靠性，最终提高整个风力发电机组的发电效率和电能质量。
此外，独立设计的开关电源电路模块及智能功率模块故障保护功能以及各模块温度的检测使得整个控制过程更加安全、稳定、可靠。
附图说明
图1为本发明实施例结构框图；
图2为本发明变桨主程序流程图；
图3为本发明变桨主中断程序流程图；
图4为本发明开关电源电路结构框图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。
参照图1至图3一种全数字化的电动变桨驱动器，其外围设备有轴柜、变桨执行电机以及该电机输出轴上的增量编码器，所述驱动器的电路包括两部分：驱动电路和控制电路；所述驱动电路包括有整流电路，逆变电路，开关电源电路，以及电流、电压检测电路，继电器驱动电路；所述控制电路包括有DSP模块，CPLD模块，PWM信号驱动电路，信号调理电路，开关量采集电路，编码器信号调理采集电路，通讯电路；其中：
控制变桨执行电机的信号流程为：所述电动变桨驱动器直接与风机主控进行通讯，该风机主控通过所述通讯电路将位置命令发送至所述DSP模块；所述编码器信号调理采集电路从固定在所述变桨执行电机输出轴上的增量编码器中采集的信号经调理后输入DSP模块的正交脉冲编码QEP，在DSP模块内部通过M/T算法计算出当前变桨执行电机的转速反馈信号及位置反馈信号，所述位置反馈信号与所述位置命令进行比较，比较之后的误差送入所述DSP模块的位置调节器，实现位置闭环；该位置调节器输出变桨执行电机转速命令，该转速命令与所述转速反馈信号比较的误差送入所述DSP模块的转速调节器，实现速度闭环；所述电流、电压检测电路检测所述变桨执行电机的U、V相电流信号，经矢量变换后与所述DSP模块的转速调节器输出的转矩电流和励磁电流给定分别进行比较后的误差送入所述DSP模块的电流调节器，实现电流闭环控制；所述DSP模块的电流调节器输出的电压信号经矢量变换，之后通过空间电压矢量调制后得到SVPWM信号，再经过所述PWM信号驱动电路后作为所述逆变电路的控制信号；风电机组给变桨系统提供的动力电通过所述整流电路变成直流电，该直流电在逆变电路中受所述SVPWM信号的控制输出频率可调的三相交流电，驱动所述变桨执行电机实现桨距角的控制。
所述DSP模块采用TMS320F2812芯片，是TI公司的一款专门在电机及其它运动控制领域中应用的专用处理器，有很高的运算精度(32位)和系统处理能力(达到150MIPS)，集成了128KB的FLASH存储器，4KB的引导ROM，数学运算表以及2KB的OTP ROM，I/O口丰富，大大改善了应用的灵活性，可以很好的实现变桨控制系统精确的位置控制、速度控制。
主电源检测信号流程为：所述电流、电压检测电路检测直流母线电压模拟信号，经过所述信号调理电路调理后送入所述DSP模块的A/D单元，在DSP模块内与设定值进行比较：当母线电压低于200V，系统处于欠压故障状态，当母线电压高于400V，系统处于过压故障状态，当母线电压处于370V～400V时，将开启制动电阻，进行电压泻放。对母线电压的采样用于实现对系统的过压、欠压保护。
控制变桨流程及其安全策略的开关量信号流程为：所述开关量采集电路采集所述轴柜内8路继电器开关反馈信号：电机抱闸释放反馈信号，电机加热反馈信号，90°限位开关信号，-10°限位开关信号，主电供电反馈信号，安全链闭合反馈信号，轴柜温度故障反馈信号，雷击反馈信号；所述8路反馈信号由所述开关量采集电路采集之后，经所述CPLD模块检测采集后传给所述DSP模块进行相应处理：电机抱闸释放反馈信号为0或电机加热反馈信号为1时，不允许变桨；90°限位开关信号为0时，停机；-10°限位开关信号、主电供电反馈信号、安全链闭合反馈信号或雷击反馈信号为0时，紧急收桨，顺桨到90°；轴柜温度故障反馈信号为0时收桨至88°，此故障可自动消除，消除后可继续变桨；同时将状态上报给风机主控；驱动器采集该8路开关量信号用于实现变桨流程的控制及其安全策略。
控制所述轴柜内继电器的开关量信号流程为：所述DSP模块输出8路开关量信号，经过信号调理电路调理后送给所述继电器驱动电路，经驱动后输出给所述轴柜，控制该轴柜内继电器1～8的通断：继电器1导通变桨驱动器主电源得电；继电器2导通电机散热风扇得电；继电器3导通蓄电池得电；无系统断安全链的故障信号时，继电器4导通；变桨执行电机温度过热时继电器5断开，停止加热；在手动模式下当所述轴柜上的ENABLE按钮按下时继电器6导通；安全链闭合则继电器7导通，安全链断开时继电器7断开，紧急收桨；继电器8导通电机散热风扇得电。驱动器输出该8路开关量信号用于控制轴柜内继电器的通断。
所述逆变电路采用智能功率模块IPM作为功率开关器件。IPM模块将功率器件、驱动电路、保护电路集于一体。内置保护功能有：控制电源欠压锁定、过热保护、过流保护、短路保护，若其中一路保护电路动作，IGBT的栅极驱动单元就会关断电流并输出一个故障信号，故障信号通过一个多输入端与门后再通过光电隔离后送给DSP，通过它来封锁输出PWM脉冲，保护IPM免遭毁坏。
所述驱动器的开关电源电路采用高频开关电源，由高频变压器，原边缓冲电路，电压反馈电路，电流反馈电路，主控芯片，NMOS大功率管以及各路输出的整流滤波电路组成；主控芯片采用电流型的控制芯片FA13844，1200V-2500v耐压的NMOS大功率管作为开关元件，用金属外壳屏蔽高频变压器；外部的输入电压，经所述原边缓冲电路输入到高频变压器的原边，高频变压器的主输出电压经整流滤波后，再由电压和电流反馈电路反馈到控制芯片FA13844的控制端，调节控制芯片FA13844输出信号的占空比，从而控制开关管的导通占空比，实现稳压的效果。此外，FA13844还具有电流检测功能，在之前电压环的基础上增加了电流环构成双闭环系统，使得无论开关电源的电压调整率、负载调整率还是系统的瞬态响应特性和稳定性都得到了提高，保证为系统提供所需要的4路15V隔离电源，1路±15V电源，1路24V电源，1路5V电源。为整个系统供电，使系统的电源更加稳定可靠，保证了系统的本安性能，参照图4。
风机主控根据风速，发电机功率和转速等，将命令值发送到电动变桨驱动器，并且变桨驱动器需要把实际值和运行状况反馈到上位机主控，因此电动变桨驱动器具备与主控实时通信的功能。所以变桨驱动器与风机主控可通过通讯协议CANopen、RS485或PROFIBUS-DP实时通讯，并实现与各种通讯接口的风机主控实时收发数据的功能。
Claims (4)
1.一种全数字化的电动变桨驱动器，其外围设备有轴柜、变桨执行电机以及该电机输出轴上的增量编码器，其特征在于，所述驱动器的电路包括两部分：驱动电路和控制电路；所述驱动电路包括有整流电路，逆变电路，开关电源电路，以及电流、电压检测电路，继电器驱动电路；所述控制电路包括有DSP模块，CPLD模块，PWM信号驱动电路，信号调理电路，开关量采集电路，编码器信号调理采集电路，通讯电路；其中：
控制变桨执行电机的信号流程为：所述电动变桨驱动器直接与风机主控进行通讯，该风机主控通过所述通讯电路将位置命令发送至所述DSP模块；所述编码器信号调理采集电路从所述变桨执行电机输出轴上的增量编码器中采集的信号经调理后输入DSP模块的正交脉冲编码QEP，在DSP模块内部通过M/T算法计算出当前变桨执行电机的转速反馈信号及位置反馈信号，所述位置反馈信号与所述位置命令进行比较，比较之后的误差送入所述DSP模块的位置调节器，实现位置闭环；该位置调节器输出变桨执行电机转速命令，该转速命令与所述转速反馈信号比较的误差送入所述DSP模块的转速调节器，实现速度闭环；所述电流、电压检测电路检测所述变桨执行电机的U、V相电流信号，经矢量变换后与所述DSP模块的转速调节器输出的转矩电流和励磁电流给定分别进行比较后的误差送入所述DSP模块的电流调节器，实现电流闭环控制；所述DSP模块的电流调节器输出的电压信号经矢量变换，之后通过空间电压矢量调制后得到SVPWM信号，再经过所述PWM信号驱动电路后作为所述逆变电路的控制信号；风电机组给变桨系统提供的动力电通过所述整流电路变成直流电，该直流电在逆变电路中受所述SVPWM信号控制输出频率可调的三相交流电，驱动所述变桨执行电机实现桨距角的控制；
主电电源检测信号流程为：所述电流、电压检测电路检测直流母线电压模拟信号，经过所述信号调理电路调理后送入所述DSP模块的A/D单元，在DSP模块内与设定值进行比较：当母线电压低于200V，系统处于欠压故障状态，当母线电压高于400V，系统处于过压故障状态，当母线电压处于370V～400V时，将开启制动电阻，进行电压泻放；对母线电压的采样用于实现对系统的过压、欠压保护；
控制变桨流程及其安全策略的开关量信号流程为：所述开关量采集电路采集所述轴柜内8路继电器开关反馈信号：电机抱闸释放反馈信号，电机加热反馈信号，90°限位开关信号，-10°限位开关信号，主电供电反馈信号，安全链闭合反馈信号，轴柜温度故障反馈信号，雷击反馈信号；所述8路反馈信号由所述开关量采集电路采集之后，经所述CPLD模块检测采集后传给所述DSP模块进行相应处理：电机抱闸释放反馈信号为0或电机加热反馈信号为1时，不允许变桨；90°限位开关信号为0时，停机；-10°限位开关信号、主电供电反馈信号、安全链闭合反馈信号或雷击反馈信号为0时，紧急收桨，顺桨到90°；轴柜温度故障反馈信号为0时收桨至88°，此故障可自动消除，消除后可继续变桨；同时通过所述通讯电路将状态上报给风机主控；
控制所述轴柜内继电器的开关量信号流程为：所述DSP模块输出8路开关量信号，经过信号调理电路调理后送给所述继电器驱动电路，经驱动后输出给所述轴柜，控制该轴柜内继电器1～8的通断：继电器1导通变桨驱动器主电源得电；继电器2导通电机散热风扇得电；继电器3导通蓄电池得电；无系统断安全链的故障信号时，继电器4导通；变桨执行电机温度过热时继电器5断开，停止加热；在手动模式下当所述轴柜上的ENABLE按钮按下时继电器6导通；安全链闭合则继电器7导通，安全链断开时继电器7断开，紧急收桨；继电器8导通电机散热风扇得电。
2.根据权利要求1所述的全数字化的电动变桨驱动器，其特征在于：所述逆变电路采用智能功率模块IPM作为功率开关器件。
3.根据权利要求1所述的全数字化的电动变桨驱动器，其特征在于：所述驱动器的开关电源电路采用高频开关电源，由高频变压器，原边缓冲电路，电压反馈电路，电流反馈电路，主控芯片，NMOS大功率管以及各路输出的整流滤波电路组成；主控芯片采用电流型的控制芯片，1200V-2500v耐压的NMOS大功率管作为开关元件，用金属外壳屏蔽高频变压器；外部的输入电压，经所述原边缓冲电路输入到高频变压器的原边，高频变压器的主输出电压经整流滤波后，再由电压和电流反馈电路反馈到控制芯片的控制端，调节控制芯片输出信号的占空比，从而控制开关管的导通占空比，实现稳压的效果，保证为系统提供所需要的4路15V隔离电源，1路±15V电源，1路24V电源，1路5V电源。
4.根据权利要求1所述的全数字化的电动变桨驱动器，其特征在于，所述变桨驱动器与风机主控可通过通讯协议CANopen、RS485或PROFIBUS-DP与风机主控实时通讯，以实现与各种通讯接口的风机主控实时收发数据的功能。
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