CN101951167A - 双馈风电变流器pwm控制器 - Google Patents

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裴景斌
周维来
孙敬华
张哲�
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Abstract

一种双馈风电变流器PWM控制器，包括模拟信号调理单元、DSP单元、CPLD接口单元、光纤接口单元、系统供电及电源检测单元、直流母线过压检测单元和CANBUS接口单元，模拟信号调理单元与DSP单元电信号连接，DSP单元分别与CANBUS接口单元、CPLD接口单元电信号连接，CPLD接口单元与直流母线过压检测单元电信号连接，CPLD接口单元与光纤接口单元电信号连接，系统供电及电源检测单元为本控制器供电。本发明采用电网电压定向的空间矢量PWM控制，实现电网侧变流器的四象限运行，采用前馈控制解耦策略，实现有功无功分别控制；通过转子侧变流器实现并网前双馈电机定子电子电压和电网电压同步和并网后发电机的发电功率控制。

Description

双馈风电变流器PWM控制器
(一)技术领域
本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种双馈风电变流器PWM控制器。
(二)背景技术
双馈风力发电机组由风轮，齿轮箱，刹车机构，发电机，塔架，控制系统和变流器组成，双馈风电变流器是风力发电机组的能量变换环节，它的主要作用是在亚同步的情况下为电机转子提供频率，幅值，相位均可变的交流电，在超同步情况下将转子发出的频率，幅值，相位均可变的交流电变成与电网同频，同幅，同相的交流电并入电网。PWM控制器是双馈风电变流器的核心部分，对变流器的稳定运行起着决定性作用。
(三)发明内容
变流器是双馈风力发电机组的重要组成部分，变流器PWM控制器是变流器重非常重要的控制核心部分。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，网侧PWM控制器的主要功能就是稳持直流母线的稳定，机侧PWM控制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PWM控制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：
一种双馈风电变流器PWM控制器，包括模拟信号调理单元、DSP单元、CPLD接口单元、光纤接口单元、系统供电及电源检测单元、直流母线过压检测单元和CANBUS接口单元，其特征在于：模拟信号调理单元与DSP单元电信号连接，DSP单元分别与CANBUS接口单元、CPLD接口单元电信号连接，CPLD接口单元与直流母线过压检测单元电信号连接，CPLD接口单元与光纤接口单元电信号连接，其中本控制器通过互感器或霍尔传感器采集到的模拟信号经过模拟信号调理单元后变成DSP单元可以接受的0～3V电压信号，此信号为反馈信号，DSP单元根据给定信号和反馈信号，通过被控对象的数学模型计算出相应占空比的PWM信号，此PWM信号经CPLD接口单元和光纤接口单元到达IGBT的驱动电路部分，控制IBGT的导通和关断，系统供电及电源检测单元负责整个控制器的供电和电源是否在正常范围内的检测，直流母线过压检测部分负责检测直流母线是否在正常范围内。
本发明还有如下一些技术特征：
1、所述的DSP单元采用的是TMS320F2812芯片。
2、所述的模拟信号调理单元由高精密差动放大器INA128电路电信号连接INA157电路组成。
3、所述的CPLD接口单元采用的是EPM570芯片。
4、所述的系统供电及电源检测单元采用的是TPS70351电源芯片。
5、所述的直流母线过压检测单元报警门限为机侧设定1225V，网侧设定1250V，采用LM339作为电压比较器。
6、通过坐标变换，采用电网电压定向的空间矢量PWM控制，实现电网侧变流器的四象限运行，采用前馈控制解耦策略，实现有功无功分别控制。
7、通过坐标变换，采用电网电压定向的空间矢量PWM控制，通过转子侧变流器实现并网前双馈电机定子电子电压和电网电压同步和并网后发电机的发电功率控制。
8、利用CANBUS实现变流器主DSP与变流器PWM控制器之间的通讯，PWM控制器可以接受主DSP的控制命令，同时将自身状态上传给主DSP。
9、实现了电源电压监测功能和直流母线电压监测功能。
本发明具有如下优点：
采用电网电压定向的空间矢量PWM控制，实现电网侧变流器的四象限运行，采用前馈控制解耦策略，实现有功无功分别控制；通过转子侧变流器实现并网前双馈电机定子电子电压和电网电压同步和并网后发电机的发电功率控制；实现了电源电压监测功能和直流母线电压监测功能。
(四)附图说明：
图1为双馈风电变流器PWM控制器原理框图；
其中1、模拟信号调理单元，2、DSP单元，3、CPLD接口单元，4、光纤接口单元，5、系统供电及电源检测单元，6、直流母线过压检测单元，7、CANBUS接口单元；
图2为模拟信号调理单元电路图；
图3为系统供电及电源检测单元电路图；
图4为直流母线过压检测单元电路图；
图5为CANBUS接口单元电路图。
(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：
一种双馈风电变流器PWM控制器，包括模拟信号调理单元、DSP单元、CPLD接口单元、光纤接口单元、系统供电及电源检测单元、直流母线过压检测单元和CANBUS接口单元，其特征在于：模拟信号调理单元与DSP单元电信号连接，DSP单元分别与CANBUS接口单元、CPLD接口单元电信号连接，CPLD接口单元与直流母线过压检测单元电信号连接，CPLD接口单元与光纤接口单元电信号连接，其中本控制器通过互感器或霍尔传感器采集到的模拟信号经过模拟信号调理单元后变成DSP单元可以接受的0～3V电压信号，此信号为反馈信号，DSP单元根据给定信号和反馈信号，通过被控对象的数学模型计算出相应占空比的PWM信号，此PWM信号经CPLD接口单元和光纤接口单元到达IGBT的驱动电路部分，控制IBGT的导通和关断，系统供电及电源检测单元负责整个控制器的供电和电源是否在正常范围内的检测，直流母线过压检测部分负责检测直流母线是否在正常范围内。
如附图1所示，本发明专利是以TMS320F2812为核心处理器，该处理器内部自带12位16路高速ADC，完全可以满足本控制器数据采集的需要。经传感器采集回来的模拟信号经信号调理电路送给处理器的AD采集部分，处理器通过事件管理器中的定时器中断触发AD采集，采集到的模拟量数据经过Q格式转换后被用于矢量控制运算。矢量控制运算后的结果是产生PWM波形，该波形经过CPLD部分处理后送给光纤接口部分，用于驱动IPM。IPM本身自带错误返回信号，如果上电后IPM状态不正常或者运行过程中IPM出现过流过温故障，就会通过光纤返回一个错误信号，该信号经过CPLD接口部分后，送到DSP的功率保护中断管脚，该管脚检测到错误信号后自动封锁IPM。TMS320F2812的内核和IO口分别需要1.8V和3.3V两个电源，电源部分采用的是TPS70351电源芯片，该芯片可以输出1.8V和3.3V两种电源，同时可以满足处理器对上电顺序的要求，同时还可以输出一路复位信号。TMS320F2812自带CAN2.0B总线，该总线的速率高达1M，可以满足PWM控制去器与主DSP之间通讯的需要。为防止DSP程序跑飞后由于直流母线过压导致的IPM损坏，本PWM控制器还设置了直流母线硬件过压检测电路，当直流母线电压达到硬件保护值后，该检测电路送出的信号经CPLD处理后自动封锁PWM信号。
如图2所示，交流信号经互感器采集和电阻取样后转换为-3V～+3V电压信号。该信号经第一级运放INA128电路转换为-3V～+3V电压信号，再经第二级运放INA157电路，INA157的1脚外加+1.5V基准，将输入电压除以2加1.5V后输出给TMS320F2812的ADC通道。直流信号经互感器采集和电阻取样后转换为0V～+3V电压信号，该信号经第一级运放INA128电路转换为0V～+3V电压信号直接送给TMS320F2812的ADC通道。1.5V基准电压由TMS320F2812输出的1V，2V电压经运放运算后得到。
如图3所示，因为TMS320F2812的内核和IO分别需要1.8V和3.3V两种电压，所以电源部分采用TPS70351电源芯片，该芯片有两路电源输入和两路电源输出，5V电源到达PWM控制器后，接到TPS70351的5V输入端，产生DSP和其他芯片所需要的3.3V电源。同时5V电源经过LDO降压后接到TPS70351的5V输入端，产生DSP所需要的1.8V电源。为了满足AD采集的需要，5V电源经另外一个LDO降压后产生的3.3V电源专门给DSP的AD采集部分供电。控制系统±5V电源检测电路，电路采用LM339作为电压比较器，输入端采用电阻分压与2V基准电压比较，此电路设定电压误差范围±10％。当电源超出误差范围，输出端为高电平(ERROR_P5_N5端为高)，即电源报警信号。
如图4所示直流母线过压报警电路，电路报警门限，机侧设定1225V，网侧设定1250V。电路采用LM339作为电压比较器，输入端采用电阻分压，AD4、AD15同为直流母线电压信号，AD4通道信号与1.5V基准电压比较，AD15通道信号与2V基准电压比较，两路信号经过与一个门逻辑电路最后输出，即当AD4、AD15两路测量结果同时过压时，整个报警电路输出高电平(2DCOV端为高)，即直流母线过压报警信号。
如图5所示TMS320F2812的CAN接口经CAN收发器PCA82C250转换后，变成差分的CAN信号。

Claims (6)

1.一种双馈风电变流器PWM控制器，包括模拟信号调理单元、DSP单元、CPLD接口单元、光纤接口单元、系统供电及电源检测单元、直流母线过压检测单元和CANBUS接口单元，其特征在于：模拟信号调理单元与DSP单元电信号连接，DSP单元分别与CANBUS接口单元、CPLD接口单元电信号连接，CPLD接口单元与直流母线过压检测单元电信号连接，CPLD接口单元与光纤接口单元电信号连接，其中本控制器通过互感器或霍尔传感器采集到的模拟信号经过模拟信号调理单元后变成DSP单元可以接受的0～3V电压信号，此信号为反馈信号，DSP单元根据给定信号和反馈信号，通过被控对象的数学模型计算出相应占空比的PWM信号，此PWM信号经CPLD接口单元和光纤接口单元到达IGBT的驱动电路部分，控制IBGT的导通和关断，系统供电及电源检测单元负责整个控制器的供电和电源是否在正常范围内的检测，直流母线过压检测部分负责检测直流母线是否在正常范围内。
2.根据权利要求1所述的一种双馈风电变流器PWM控制器，其特征在于：所述的DSP单元采用的是TMS320F2812芯片。
3.根据权利要求1所述的一种双馈风电变流器PWM控制器，其特征在于：所述的模拟信号调理单元由高精密差动放大器INA128电路电信号连接INA157电路组成。
4.根据权利要求1所述的一种双馈风电变流器PWM控制器，其特征在于：所述的CPLD接口单元采用的是EPM570芯片。
5.根据权利要求1所述的一种双馈风电变流器PWM控制器，其特征在于：所述的系统供电及电源检测单元采用的是TPS70351电源芯片。
6.根据权利要求1所述的一种双馈风电变流器PWM控制器，其特征在于：所述的直流母线过压检测单元报警门限为机侧设定1225V，网侧设定1250V，采用LM339作为电压比较器。
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