CN101931240A - 一种双pwm矢量控制双馈风电变流器 - Google Patents

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陈晨
周维来
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Abstract

一种双PWM矢量控制双馈风电变流器，包括IGBT功率单元、变流器的控制单元、变流器的供电及配电单元、网侧滤波器单元、并网断路器单元、网侧进线接触器、加热和冷却单元、预充电支路和crowbar单元，crowbar单元和IGBT功率单元连接，网侧滤波器单元和IGBT功率单元连接，预充电支路和网侧滤波器单元连接，网侧进线接触器和网侧滤波器单元连接，并网断路器单元分别和预充电支路、网侧进线接触器连接，变流器的控制单元和IGBT功率单元连接，变流器的供电及配电单元和变流器的控制单元连接。本发明采用DSP作为核心控制芯片，提高了功率变换的实时性和快速性，并可以实现四象限运行和有功无功解耦控制，可以根据电网需求进行无功补偿。

Description

一种双PWM矢量控制双馈风电变流器
(一)技术领域
本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种双PWM矢量控制双馈风电变流器。
(二)背景技术
风力发电成为近年来发展最快的能源，在电网中的比重越来越大。交流励磁双馈电机变速恒频风力发电系统，采用的发电机为转子交流励磁的双馈发电机，其结构与绕线式异步感应电机类似。定子绕组直接接入电网，转子绕组由频率、幅值、相位可调的电源供给三相低频励磁电流，在转子中形成一个低速旋转磁场，这个磁场旋转速度与转子的机械转速相加等于定子磁场的同步转速。从而在发电机定子绕组中感应出工频电压。由于这种变速恒频控制方案是在转子电路实现的，流过转子电路的功率是由交流励磁发电机转速运行范围所决定的转差功率，该转差功率仅为定子额定功率的一小部分，因此图1-2中所示的双向变流器的容量仅为发电机容量的一小部分，这样该变流器的成本、体积大大降低。
(三)发明内容
变流器是双馈风力发电机组的重要组成部分。为满足风力发电机组在无人值守情况下长时间稳定运行的要求，变流器的主要功能就是即时间响应风机控制器的命令，最大限度的向电网输送能量。此风电变流器就是为满足上述要求而设计的。
为达到上述目的，本发明专利的技术方案如下：
一种双PWM矢量控制双馈风电变流器，包括IGBT功率单元、变流器的控制单元、变流器的供电及配电单元、网侧滤波器单元、并网断路器单元、网侧进线接触器、加热和冷却单元、预充电支路和crowbar单元，crowbar单元和IGBT功率单元连接，网侧滤波器单元和IGBT功率单元连接，预充电支路和网侧滤波器单元连接，网侧进线接触器和网侧滤波器单元连接，并网断路器单元分别和预充电支路、网侧进线接触器连接，变流器的控制单元和IGBT功率单元连接，变流器的供电及配电单元和变流器的控制单元连接，加热和冷却单元与变流器的供电及配电单元连接。
本发明还具有如下特征：
1、所述的IGBT功率单元包括制动单元、网侧A相功率单元、网侧B相功率单元、网侧C相功率单元、机侧A相功率单元、机侧B相功率单元和机侧C相功率单元，网侧A相功率单元、网侧B相功率单元和网侧C相功率单元组成网侧变流器，机侧A相功率单元、机侧B相功率单元和机侧C相功率单元组成机侧变流器，网侧变流器和机侧变流器通过直流母线以背靠背形式连接，网侧和机侧变流器的功率单元采用模块化设计结构及电气性能上完全一致，可以互换，制动单元分别与网侧变流器和机侧变流器连接。2、所述的IGBT功率单元采用大功率智能IPM，采用空间矢量PWM算法可实现能量双向流动，并使得负载下的网侧功率因数接近1，无需任何功率因数补偿、谐波抑制装置，机侧变流器通过IGBT功率开关器件产生频率、幅值、相位可调的三相低频励磁电流，在转子中形成一个低速旋转磁场，这个磁场旋转速度与转子的机械转速相加等于定子磁场的同步转速，从而在发电机定子绕组中感应出工频电压，当并网断路器闭合后变流器就可以向电网输送电能。
3、所述的变流器的控制单元包括主DSP控制板、IO量控制板、网侧DSP控制板、网侧模拟信号调理板、机侧DSP控制板、机侧模拟信号调理板、电能测量板和过温报警与控制单元，网侧DSP控制板和网侧模拟信号调理板连接，机侧DSP控制板和机侧模拟信号调理板连接，网侧DSP控制板和机侧DSP控制板组成变流器DSP控制板单元，网侧模拟信号调理板和机侧模拟信号调理板组成变流器模拟信号调理板单元，变流器DSP控制板单元和变流器模拟信号调理板单元连接，IO量控制板与变流器模拟信号调理板单元连接，主DSP控制板分别和电能测量板、IO量控制板、变流器DSP控制板单元、过温报警与控制单元连接。
4、所述的变流器的供电及配电单元包括低压直流隔离电源和UPS供电电源，低压直流隔离电源连接UPS供电电源。
5、所述的网侧滤波器单元由三相LCR滤波元件组成。
6、并网断路器单元：主要由大功率空气断路器、大电流接触器和铜牌连接部件等组成，是双PWM矢量控制双馈风电变流器输入输出的重要接口，是控制变流器并网发电、脱网、分闸的主要部件。
7、所述的网侧变流器和机侧的变流器采用基于电网电压定向的空间矢量PWM控制算法。本发明具有如下特点：
1、采用DSP作为核心控制芯片，大大提高了功率变换的实时性和快速性。
2、空间矢量PWM控制技术，可以实现四象限运行和有功无功解耦控制，可以根据电网需求进行无功补偿。
3、先进的PID控制算法，实现零冲击并网，自动软并网和软解列控制，实现随机风速下的电功率平滑控制。
4、强弱电间隔离完善，系统强弱电间采用光纤隔离，避免了强弱电间的相互干扰。
5、标准CANOPEN通讯接口，可以按主控器的数据格式灵活配置PDO内容，方便与主控制器通讯。
6、可以在线监视变流器的运行参数和各个状态，包括：电压，电流，有功功率，无功功率，累计发电量，电机转速等。
7、具有过压，过流，过温等故障的检测与保护功能和显示功能。
8、功率模块采用压接技术，保证在震动的机舱内也能可靠运行。
(四)附图说明：
图1为本发明组成原理框图；
其中1、并网断路器单元，2、crowbar单元，3、机侧变流器，4、制动单元，5、网侧变流器，6、预充电支路，7、网侧进线接触器，8、网侧滤波单元，9、电能测量板，10、变流器控制DSP板单元，11、主DSP板，12、模拟信号调理板单元，13、IO量控制板，14、变流器的供电及配电单元，15、加热和冷却单元；16、过温报警与控制单元，17、IGBT功率单元，18、变流器的控制单元。
图2为变流器部分电路原理框图；
图3为PWM控制部分原理框图；
图4为主DSP原理框图；
图5为IGBT温度采集原理框图。
(五)具体实施方式
下面结合附图1至附图5对本发明作更详细的描述：
如图1所示：一种双PWM矢量控制双馈风电变流器包括IGBT功率单元、变流器的控制单元、变流器的供电及配电单元、网侧滤波器单元、并网断路器单元、网侧进线接触器、加热和冷却单元、预充电支路和crowbar单元，crowbar单元和IGBT功率单元连接，网侧滤波器单元和IGBT功率单元连接，预充电支路和网侧滤波器单元连接，网侧进线接触器和网侧滤波器单元连接，并网断路器单元分别和预充电支路、网侧进线接触器连接，变流器的控制单元和IGBT功率单元连接，变流器的供电及配电单元和变流器的控制单元连接，加热和冷却单元与变流器的供电及配电单元连接。
1、所述的IGBT功率单元包括制动单元、网侧A相功率单元、网侧B相功率单元、网侧C相功率单元、机侧A相功率单元、机侧B相功率单元和机侧C相功率单元，网侧A相功率单元、网侧B相功率单元和网侧C相功率单元组成网侧变流器，机侧A相功率单元、机侧B相功率单元和机侧C相功率单元组成机侧变流器，网侧变流器和机侧变流器通过直流母线以背靠背形式连接，网侧和机侧变流器的功率单元采用模块化设计结构及电气性能上完全一致，可以互换，制动单元分别与网侧变流器和机侧变流器连接。2、所述的IGBT功率单元采用大功率智能IPM，采用空间矢量PWM算法可实现能量双向流动，并使得负载下的网侧功率因数接近1，无需任何功率因数补偿、谐波抑制装置，机侧变流器通过IGBT功率开关器件产生频率、幅值、相位可调的三相低频励磁电流，在转子中形成一个低速旋转磁场，这个磁场旋转速度与转子的机械转速相加等于定子磁场的同步转速，从而在发电机定子绕组中感应出工频电压，当并网断路器闭合后变流器就可以向电网输送电能。
3、所述的变流器的控制单元包括主DSP控制板、IO量控制板、网侧DSP控制板、网侧模拟信号调理板、机侧DSP控制板、机侧模拟信号调理板、电能测量板和过温报警与控制单元，网侧DSP控制板和网侧模拟信号调理板连接，机侧DSP控制板和机侧模拟信号调理板连接，网侧DSP控制板和机侧DSP控制板组成变流器DSP控制板单元，网侧模拟信号调理板和机侧模拟信号调理板组成变流器模拟信号调理板单元，变流器DSP控制板单元和变流器模拟信号调理板单元连接，IO量控制板与变流器模拟信号调理板单元连接，主DSP控制板分别和电能测量板、IO量控制板、变流器DSP控制板单元、过温报警与控制单元连接。
4、所述的变流器的供电及配电单元包括低压直流隔离电源和UPS供电电源，低压直流隔离电源连接UPS供电电源。
5、所述的网侧滤波器单元由三相LCR滤波元件组成。
6、并网断路器单元：主要由大功率空气断路器、大电流接触器和铜牌连接部件等组成，是双PWM矢量控制双馈风电变流器输入输出的重要接口，是控制变流器并网发电、脱网、分闸的主要部件。
7、所述的网侧变流器和机侧的变流器采用基于电网电压定向的空间矢量PWM控制算法。
如图2所示，变流器整体主要由机侧部分、网侧部分、低通滤波电路、预充电支路和并网断路器等部分构成，KM2开关与限流电阻构成变流器的预充电支路，当网侧主开关QF1闭合后开关KM2也闭合、这时电网通过限流电阻给网侧部分的直流母线进行充电，当直流母线电压值满足要求后，KM1开关闭合KM2开关断开，变流器网侧部分启动，直流母线由IGBT功率开关器件恒定控制；双馈风力发电机的定子绕组通过并网断路器QF2接入电网，转子绕组连接至变流器机侧部分，变流器机侧通过IGBT功率开关器件产生频率、幅值、相位可调的三相低频励磁电流，在转子中形成一个低速旋转磁场，这个磁场旋转速度与转子的机械转速相加等于定子磁场的同步转速。从而在发电机定子绕组中感应出工频电压，当并网断路器闭合后变流器就可以向电网输送电能了。变流器的变速恒频控制是在机侧转子电路实现的，流过转子电路的功率是由交流励磁发电机转速运行范围所决定的转差功率，该转差功率仅为定子额定功率的一小部分，因此变流器的容量仅为发电机容量的一小部分，这样变流器的成本、体积大大降低。变流器通过控制转子电流幅值和相位还可以改变发电机的功率角。因此通过调节励磁可以实现有功无功的独立控制，达到功率因数灵活调节。对电网而言，输出无功功率可起到无功补偿的作用。配电系统由并网断路器、网侧接触器、继电器、变压器等组成，自身集成有并网控制系统，用户无须再配置并网柜，提高了系统集成度，节约了机舱空间。提供雷击、过流、过压、过温等保护功能，系统安全可靠。此外，柜中还提供供调试的220V电源。控制器采用高速数字信号处理器(DSP)实现逻辑控制及PWM控制。整个控制系统配备UPS，便于电压跌落时系统具有不间断运行能力。
如图3所示，PWM控制部分主要由TMS320F2812数字信号处理器、CPLD逻辑器件、光纤接口电路、CANBUS通信接口部分、直流母线过压检测部分、电源及电源检测部分、模拟信号采集调理部分和码盘及电压电流传感器等部分组成。电源及电源检测部分给整个PWM控制部分进行供电并通过检测电路对其进行相应的硬件保护；码盘及电压电流传感器将发电机的转速信号、电网的交流电压信号、电流信号和直流母线电压信号采集回来送给模拟信号采集调理电路进行信号的调理和放大，经调理后的直流母线电压信号送至CPLD，直流母线过压后CPLD可进行相应的硬件保护。其他经调理后的信号送至TMS320F2812数字信号处理器的AD采集通道转换成数字量并根据其软件控制算法进行相应的PID调节控制，然后TMS320F2812数字信号处理器利用控制结果结合功率解耦算法产生空间矢量PWM信号输出至CPLD，经CPLD驱动处理后输出给光纤接口电路，然后通过光纤连接至IGBT功率单元就可以进行相应的整流、逆变控制了，CANBUS通信接口部分作为PWM控制部分与其他功能电路的数据通信接口，用来上传处理后数据和报警信息并接收外部控制信息和数据。
如图4所示，主DSP控制板由TMS320F2812数字信号处理器、CPLD逻辑器件、开入开出部分、电源及电源检测部分、CANOPEN通信接口部分、CANBUS通信接口部分等组成。电源及电源检测部分给整个主DSP控制板进行供电。风力发电系统的主控设备通过数据线连接主DSP控制板的CANOPEN通信接口部分，当CANOPEN通信接口接收到主控设备发来的启动控制命令后，CANOPEN通信接口通过内部数据线将命令数据传输给TMS320F2812数字信号处理器，处理器即按照启动时序发出开关信号，开关信号经过CPLD驱动调理后送至主DSP控制板的开入开出部分，开入开出电路中的光耦隔离器件和微型继电器即产生相应动作去驱动下一级开关或继电器，此时开关的反馈信号也通过开入开出电路输入给CPLD和处理器，处理器经判断处理后执行下一步的动作，并将处理结果通过CANOPEN通信接口和CANBUS通信接口传达给主控设备和下级机侧、网侧PWM控制板，完成整个变流器系统的启动运行动作，当下级PWM控制板和IGBT温度采集板发出故障信息时，故障数据通过CANBUS通信接口传达给处理器，处理器完成相应的故障停机处理并将故障状态传达给上级风力发电系统主控设备，主DSP控制板是整个变流器的协调控制中心，起到承上启下的作用，因此应具有一定的实时多任务处理能力，其控制算法采用了多中断分时混合处理的方式保证了整个变流器系统能够稳定可靠的运行。
如图5所示，IGBT温度采集部分由TMS320F2812数字信号处理器、模拟信号调理部分、IGBT返回温度模拟量取样部分、IGBT温度传感器、电源及电源检测部分、CANBUS通信接口部分等组成。电源及电源检测部分给整个主DSP控制板进行供电。IGBT温度传感器将温度模拟信号送至IGBT返回温度模拟量取样部分进行分压采样，然后经分压采样后的信号输入至模拟信号调理部分，经运放和带通滤波器的分级调理和放大后的模拟信号输入至TMS320F2812数字信号处理器的AD采集通道转换成温度数据数字量，处理器将六只IGBT功率单元和一只制动IGBT单元采集回来的温度数据进行比较处理得出最高温度和过温报警信号，然后处理器通过CANBUS通信接口将数据传输给主DSP控制板。

Claims (8)

1.一种双PWM矢量控制双馈风电变流器，包括IGBT功率单元、变流器的控制单元、变流器的供电及配电单元、网侧滤波器单元、并网断路器单元、网侧进线接触器、加热和冷却单元、预充电支路和crowbar单元，其特征在于：crowbar单元和IGBT功率单元连接，网侧滤波器单元和IGBT功率单元连接，预充电支路和网侧滤波器单元连接，网侧进线接触器和网侧滤波器单元连接，并网断路器单元分别和预充电支路、网侧进线接触器连接，变流器的控制单元和IGBT功率单元连接，变流器的供电及配电单元和变流器的控制单元连接，加热和冷却单元与变流器的供电及配电单元连接。
2.根据权利要求1所述的一种双PWM矢量控制双馈风电变流器，其特征在于：所述的IGBT功率单元包括制动单元、网侧A相功率单元、网侧B相功率单元、网侧C相功率单元、机侧A相功率单元、机侧B相功率单元和机侧C相功率单元，网侧A相功率单元、网侧B相功率单元和网侧C相功率单元组成网侧变流器，机侧A相功率单元、机侧B相功率单元和机侧C相功率单元组成机侧变流器，网侧变流器和机侧变流器通过直流母线以背靠背形式连接，网侧和机侧变流器的功率单元采用模块化设计结构及电气性能上完全一致，可以互换，制动单元分别与网侧变流器和机侧变流器连接。
3.根据权利要求1所述的一种双PWM矢量控制双馈风电变流器，其特征在于：所述的IGBT功率单元采用大功率智能IPM，采用空间矢量PWM算法可实现能量双向流动，并使得负载下的网侧功率因数接近1，无需任何功率因数补偿、谐波抑制装置，机侧变流器通过IGBT功率开关器件产生频率、幅值、相位可调的三相低频励磁电流，在转子中形成一个低速旋转磁场，这个磁场旋转速度与转子的机械转速相加等于定子磁场的同步转速，从而在发电机定子绕组中感应出工频电压，当并网断路器闭合后变流器就可以向电网输送电能。
4.根据权利要求1所述的一种双PWM矢量控制双馈风电变流器，其特征在于：所述的变流器的控制单元包括主DSP控制板、IO量控制板、网侧DSP控制板、网侧模拟信号调理板、机侧DSP控制板、机侧模拟信号调理板、电能测量板和过温报警与控制单元，网侧DSP控制板和网侧模拟信号调理板连接，机侧DSP控制板和机侧模拟信号调理板连接，网侧DSP控制板和机侧DSP控制板组成变流器DSP控制板单元，网侧模拟信号调理板和机侧模拟信号调理板组成变流器模拟信号调理板单元，变流器DSP控制板单元和变流器模拟信号调理板单元连接，IO量控制板与变流器模拟信号调理板单元连接，主DSP控制板分别和电能测量板、IO量控制板、变流器DSP控制板单元、过温报警与控制单元连接。
5.根据权利要求1所述的一种双PWM矢量控制双馈风电变流器，其特征在于：所述的变流器的供电及配电单元包括低压直流隔离电源和UPS供电电源，低压直流隔离电源连接UPS供电电源。
6.根据权利要求1所述的一种双PWM矢量控制双馈风电变流器，其特征在于：所述的网侧滤波器单元由三相LCR滤波元件组成。
7.根据权利要求1所述的一种双PWM矢量控制双馈风电变流器，其特征在于：所述的并网断路器单元由大功率空气断路器、大电流接触器和铜牌连接部件组成，是双PWM矢量控制双馈风电变流器输入输出的重要接口，是控制变流器并网发电、脱网、分闸的主要单元。
8.根据权利要求2所述的一种双PWM矢量控制双馈风电变流器，其特征在于：所述的网侧变流器和机侧的变流器采用基于电网电压定向的空间矢量PWM控制算法。
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