CN101969268A - 一种风力发电机控制系统 - Google Patents

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Abstract

一种风力发电机控制系统，该系统基于DSP+MCU+FPGA，适用于1.5MW双馈风力发电机变流器的控制。DSP利用其强大的数据运算能力实现变流器大量数据运算功能；MCU利用其自身丰富的内部资源实现变流器的保护、通信功能；FPGA利用其丰富的I/O管脚以及其方便可扩展性实现变流器的PWM信号输出、开入开出信号的扩展管理功能。MCU和FPGA之间采用local bus接口进行通讯，且设计了看门狗功能进行相互的运行状态监测。这样的设计充分的满足了目前风力发电机变流器的控制器要求，并且大大提高了变流器的可扩展性和可靠性。

Description

一种风力发电机控制系统
技术领域
本发明涉及电力电子变流器技术领域，适用于1.5MW双馈风力发电机变流器的通用控制部件。
背景技术
1.5MW双馈风力发电机变流器运行时，必须实时对开关器件施加控制信号，主电路精确、实时的电力变换依赖于控制器的信号处理。在过去的几十年中，发展了各种控制技术，控制系统的硬件电路也有最初的带分立元件的模拟电路控制，逐渐发展为基于专用和通用集成电路芯片微处理器(microprocessor)、微控制器(microcontroller)和数字信号处理器DSP(Digital Signal Processor)的全数字化控制系统。变流器控制系统通常从主控器、操作人员以及变换器的电压、电流传感器获取信息，并将其实时处理。变流器的控制系统的主要任务是为半导体电力开关器件产生开通、关断信号，从而得到需要的输出电压或电流。此外控制系统还应能监控变流器的工作状态，显示、记录运行参数，远程通信以及故障处理等等。随着变流器技术的发展，需要控制的回路增加，要求控制系统提高其运算能力及处理能力，能够提供大量各式各样的接口满足变流器的PWM信号输出、开入状态的监测、开出控制、远程通信接口等等。这样仅仅使用现有的微处理器、微控制器、数字信号处理器这样的定制芯片往往不能满足要求且扩展性低、可靠性低。
发明内容
为了克服上述的不足，仅仅使用现有的微处理器、微控制器、数字信号处理这样的定制芯片器往往不能满足要求且扩展性低、可靠性低，本发明采用数字信号处理器DSP(Digital Signal Processor)+微控制单元MCU(Micro Control Unit)+FPGA(Field-Programmable Gate Array)作为变流器的控制系统，把数据运算处理功能部分放在DSP，模拟量采集、保护、通信功能放在MCU，接口部分包括PWM信号输出、开入开出信号的采集监测管理、变流器的故障反馈信号采集管理、光码盘的采集、温度信号的采集及高速实时保护功能放在FPGA。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种风力发电机控制系统，所述风力发电机控制系统包括一数字信号处理器DSP、一微控制单元MCU、-可编程逻辑器件阵列FPGA；
模拟量输入信号通过滤波回路和A/D转换模块输入至所述微控制单元MCU，开入信号以及故障反馈信号通过信号隔离处理模块输入至可编程逻辑器件阵列FPGA，所述微控制单元MCU与所述数字信号处理器DSP相连，所述可编程逻辑器件阵列FPGA通过数据总线与所述微控制单元MCU相连；
所述微控制单元MCU将采集的模拟量输入信号交给所述数字信号处理器DSP进行数据运算，微控制单元MCU根据数字信号处理器DSP的数据运算结果进行相关的逻辑运算实现保护功能，生成变流器的电力电子开关器件的开通、关断信号；
所述微控制单元MCU并与可编程逻辑器件阵列FPGA进行数据交换，采集开入信号及故障反馈信号，可编程逻辑器件阵列FPGA根据微控制单元MCU生成变流器的电力电子开关器件的开通、关断信号实现PWM信号输出，并通过所述信号隔离处理模块输出执行微控制单元MCU给出的开出命令。
数字信号处理器DSP(Digital Signal Processor)具有强大的数据运算能力，满足变流器的大量数据运算要求。微控制单元MCU(Micro Control Unit)内部富含各种通信接口、FPU(浮点计算单元)、RAM、ROM、定时器等等资源，作为变流器的核心处理单元，实现包括模拟量采集、保护逻辑的处理、远程通信功能。FPGA(Field-Programmable GateArray)，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。本发明将FPGA作为MCU外部扩展的功能器件，采用MCU的local bus局部总线与FPGA进行实时数据通讯，FPGA响应MCU对其发出的各种命令。FPGA优点是包含丰富的外部可编程接口，扩展能力强，内部程序运行采用并行处理的方式，实时性高。实现PWM信号调制输出、开入开出信号的采集监测管理、变流器的故障反馈信号采集管理、光码盘的采集、温度信号的采集及高速实时保护功能，FPGA接收MCU的PWM信号的占空比，并根据电力电子开关器件的要求进行死区补偿、最小脉宽设计；对于电力电子开关器件的温度采集(VFC)、光码盘的数据采集由FPGA完成，再与MCU进行数据交换；对于电力电子开关器件的致命故障反馈信息FPGA进行即时采样即时处理，大大保证了电力电子开关器件安全。MCU与FPGA除了有总线连接外，还专门设计了相互的握手信号连接，进行相互的运行状态监测，实现软件看门狗(watchdog)的功能，大大提高了变流器控制系统的可靠性。
本发明的有益效果是：充分发挥DSP+MCU+FPGA的功能，富含丰富的外部接口，包括PWM信号输出、开入开出接口、变流器的故障反馈信号、远程通信接口；方便扩展；可靠性高。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明电气原理图；
图2是1.5MW风力发电机的系统框图。
具体实施方式
图1为本发明的风力发电机控制系统的电气原理图，所述风力发电机控制系统包括一数字信号处理器DSP、一微控制单元MCU、一可编程逻辑器件阵列FPGA，模拟量输入信号通过滤波回路和A/D转换模块输入至所述微控制单元MCU，开入信号以及故障反馈信号通过信号隔离处理模块输入至可编程逻辑器件阵列FPGA，所述微控制单元MCU与所述数字信号处理器DSP相连，所述可编程逻辑器件阵列FPGA通过数据总线与所述微控制单元MCU相连；所述微控制单元MCU将采集的模拟量输入信号交给所述数字信号处理器DSP进行数据运算，微控制单元MCU根据数字信号处理器DSP的数据运算结果进行相关的逻辑运算实现保护功能，生成变流器的电力电子开关器件的开通、关断信号；所述微控制单元MCU并与可编程逻辑器件阵列FPGA进行数据交换，采集开入信号及故障反馈信号，可编程逻辑器件阵列FPGA根据微控制单元MCU生成变流器的电力电子开关器件的开通、关断信号实现PWM信号输出，并通过所述信号隔离处理模块输出执行微控制单元MCU给出的开出命令。
电源输入为整个系统的电源供电用。模拟量输入和滤波回路+ADC作为MCU模拟量采集的前端处理部分，与MCU以并行总线连接，提高了数据采样的速率。开入开出接口、故障反馈和信号隔离处理实现电平转换功能，使控制系统外部的信号转换为FPGA的能接受的电平信号。DSP+MCU框图中实现的功能为：MCU定时模拟量采集后将数据交给DSP进行数据计算处理，MCU根据DSP的数据运算结果进行相关的逻辑运算实现保护功能，根据逻辑生成变流器的电力电子开关器件的开通、关断信号的数据，并与FPGA进行数据交换，采集开入及故障反馈状态。FPGA部分根据MCU发出的命令实现PWM信号输出，并采集开入状态、故障反馈信息，执行MCU给出的开出命令。
在图2中，描述的是1.5MW风力发电机的系统框图，本发明描述其中的1.5MW风力发电机的控制系统部分。图中IGBT1，IGBT2为电力电子开关器件，控制系统生成PWM信号控制其开通或关断，控制系统监测其运行状态；图中网侧接触器、预充电开关、crowbar回路、并网开关、主控制器由控制系统控制；图中发电机的转速由控制系统经过光码盘进行采集。

Claims (5)

1.一种风力发电机控制系统，所述风力发电机控制系统包括一数字信号处理器DSP、一微控制单元MCU、一可编程逻辑器件阵列FPGA，其特征在于：
模拟量输入信号通过滤波回路和A/D转换模块输入至所述微控制单元MCU，开入信号以及故障反馈信号通过信号隔离处理模块输入至可编程逻辑器件阵列FPGA，所述微控制单元MCU与所述数字信号处理器DSP相连，所述可编程逻辑器件阵列FPGA通过数据总线与所述微控制单元MCU相连；
所述微控制单元MCU将采集的模拟量输入信号交给所述数字信号处理器DSP进行数据运算，微控制单元MCU根据数字信号处理器DSP的数据运算结果进行相关的逻辑运算实现保护功能，生成变流器的电力电子开关器件的开通、关断信号；
所述微控制单元MCU并与可编程逻辑器件阵列FPGA进行数据交换，采集开入信号及故障反馈信号，可编程逻辑器件阵列FPGA根据微控制单元MCU生成的变流器电力电子开关器件的开通、关断信号实现PWM信号输出，并通过所述信号隔离处理模块输出执行微控制单元MCU发出的开出命令。
2.根据权利要求1所述的风力发电机控制系统，其特征在于：所述微控制单元MCU与所述可编程逻辑器件阵列FPGA通过数据总线进行数据交换，还具有相互的握手信号连接，进行相互的运行状态监测。
3.根据权利要求1或2所述的风力发电机控制系统，其特征在于：所述可编程逻辑器件阵列FPGA接收所述微控制单元MCU发出的PWM信号的占空比指令，并根据电力电子开关器件的要求进行死区补偿、最小脉宽设计。
4.根据权利要求1或2所述的风力发电机控制系统，其特征在于：所述可编程逻辑器件阵列FPGA还进行电力电子开关器件的温度信号采集和光码盘的数据采集，所述微控制单元MCU与可编程逻辑器件阵列FPGA数据交换后，所述微控制单元MCU确定电力电子开关器件的运行温度和光码盘的运行转速，进而进行逻辑保护处理。
5.根据权利要求1或2所述的风力发电机控制系统，其特征在于：所述微控制单元MCU还具有通信接口，以实现远程通信功能。
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