CN102324888A

CN102324888A - 一种基于dsp的变速恒频双馈风力发电机矢量控制系统

Info

Publication number: CN102324888A
Application number: CN201110265575A
Authority: CN
Inventors: 马幼捷; 李小双; 周雪松; 李季; 贾丽英
Original assignee: Tianjin University of Technology
Current assignee: Tianjin University of Technology
Priority date: 2011-09-08
Filing date: 2011-09-08
Publication date: 2012-01-18

Abstract

一种基于DSP的变速恒频双馈风力发电机矢量控制系统，它包括检测电路模块和控制单元；其优越性在于：1、提高控制的速度和精度，具有很好的调节性能和可靠性；2、采用电流、电压和速度检测电路组成控制系统，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；3、该系统响应速度快、调节性能好，可以更好的从多个指标出发控制双馈风力发电机的各项指标；4、具有广阔的市场应用前景。

Description

一种基于DSP的变速恒频双馈风力发电机矢量控制系统

(一)技术领域：

本发明属于风电系统稳定性控制技术领域，尤其是一种基于DSP的双馈风力发电机矢量控制系统。

(二)背景技术：

随着世界环境日趋恶化，风力发电作为一种重要的可再生能源，越来越受到人们的广泛关注，风电并网迅猛发展。与常规发电机组相比，风力发电机组具有显著的特点：(1)风速的随机性和不确定性决定风电功率具有随机性和不确定性；(2)陆地风电场距离主电网和负荷中心较远，多与薄弱的地方电力系统相联；(3)异步风力发电机组运行时从电网吸收无功功率。风力发电最终的目的是并网，投入运行，在风力发电的诸多问题中，变速恒频双馈风力发电机的控制也成为一项关键技术之一。双馈发电机是一种绕线式异步电机，具有高阶非线性强耦合的特点，直接对其进行控制难度很大，通过矢量变换可以简化电机模型，使异步电机控制变得如直流电机控制一样方便。但是发电机在运行中由于磁路饱和将会引起电感的变化，温升将会引起电阻的变化，这给依赖电机参数的矢量控制带来了困难。同时，商业化的机组如果每台发电机都需要测量其参数并且修改控制器，这将会带来额外的成本。所以设计一种自身不需要电机参数的控制算法或者能够辨识发电机参数的控制方法变得非常必要。

(三)发明内容：

本发明的目的在于设计一种有效的变速恒频双馈风力发电机控制系统，它将高性能的模糊参数自整定控制系统应用到有功无功解耦控制当中，不仅保持了常规控制系统原理简单、使用方便、鲁棒性较强等优点，而且具有更大的灵活性、适应性、控制精度更好。

本发明的技术方案：一种基于DSP的变速恒频双馈风力发电机矢量控制系统，包括双馈异步发电机，其特征在于它包括检测电路模块和控制单元；其中所述检测电路包括电流检测单元、电压检测单元和转速检测单元组成；所述控制单元的输入端分别与电流检测单元、电压检测单元和转速检测单元的输出端连接，其输出端与双馈异步发电机的输入端连接；所述检测电路模块的输入端接收双馈异步发电机发出的电压、电流及转速信号。

所述电流检测电路是由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C1、运算放大器U1、运算放大器U2、二极管D1和二极管D2构成；所述电阻R1的一端接收采集的电流信号，另一端连接运算放大器U1的正向输入端；所述电容C1连接在运算放大器U1的正向输入端与地之间；所述电阻R5并联在电阻R1接收信号的一端与地之间；所述运算放大器U1的负向输入端于其输出端短接；所述电阻R2的一端接地，另一端连接运算放大器U2的负向输入端；所述电阻R3的一端连接运算放大器U1的输出端，另一端连接运算放大器U2的正向输入端；所述电阻R4一端连接3.3V的基准电压，另一端连接运算放大器U2的正向输入端；所述电阻R6并联在运算放大器U2的正向输入端和输出端之间；所述运算放大器U2的连接控制单元的输入端；所述二极管D1和二极管D2构成限幅电路，中间点与运算放大器U2的输出端连接；所述二极管D1的负极连接3.3V的基准电压，正极与二极管D2的负极连接；所述二极管D2的正极接地。

所述电压检测电路包括电网三相输入电压检测和直流母线电压检测两部分；它是由电压霍尔传感器JP1、运算放大器、电阻R1、电阻RP1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、二极管D1构成；所述电阻R1的一端用来接收采集的原边电流信号，并经过R1变为电压信号，另一端和电压霍尔传感器的正极TH+连接；所述电压霍尔传感器LV28-P的负极TH-和正极TH+共同构成差分信号采集端，两个电源接口分别接+15V和-15V的基准电压，输出端M和双极性运算放大器HA-OP07的正极连接；所述电阻RP1一端和电压霍尔传感器的输出端M连接，另一端接地；所述电容C1一端和电压霍尔传感器LV28-P输出端连接，另一端接地，和电阻RP1共同构成滤波电路；所述电阻R3一端和双极运算放大器HA-OP07的负极连接，一端接地；所述电阻R4和HA-OP07正极并联，构成输入电压调零电路；所述电阻R2一端和双极运算放大器HA-OP07负极连接，一端和HA-OP07的输出端连接；所述二极管D1一端和运算放大器HA-OP07输出端连接，一端接地，构成限幅电路，将输出限制在0-5V之间；所述运算放大电路HA-OP07的输出端经限幅后直接和DSP的A/D单元连接。

所述电压霍尔传感器采用莱姆(LEM)公司的LV28-P电压霍尔传感器。

所述运算放大器采用双极性运算放大器集成电路HA-OP07。

所述控制单元采用TI公司的DSP芯片TMS320F2812。

本发明的工作原理：整个系统采用交-直-交变压变频电路，主电路由整流、滤波、逆变三个部分组成，完成强电的交流-直流-交流的转换功能；控制电路以DSP为核心，包括系统检测电路以及其他外围电路。DSP识别霍尔传感器反馈回来的电信号以及光电脉冲编码器反馈回来的转速和转角信号，通过控制矢量算法，计算出相应SVPWM空置量，通过驱动电路来驱动IPM模块。

电流检测电路就是把网侧输入的三相交流电转换成DSP能识别的数字信号。在实际系统中采用零磁通式霍尔电流传感器，工作电压为±12V，输入输出比为1000∶1。IinA为霍尔电流传感器所采集到的电流信号，由于霍尔输出的是弱电流信号，因此需将电流信号经R5转化成电压信号，因为电流反馈具有较大的噪音纹波，需再经过由电阻R1和电容C1组成的低通滤波电路进行滤波处理，又由于霍尔传感器输出的是正负双向电流信号，而DSP中的转换器的输入电压范围为0～±3.3伏，因此需要电平偏移电路，电平偏移电路有两个LF353组成，R2为下拉电阻，R4为上拉电阻，R6用来调节偏移的电平量。然后用+3.3V电压基准把正负电压信号变换为能处理的单极性电压信号，为了防止电压过高或过低，输出端采用由二极管D1和D2构成的限幅电路。

电压的检测采用的是莱姆(LEM)公司的LV28-P电压霍尔传感器，可以用于测量直流、交流和脉冲电压。原边检测到的电流经过电阻R1转换成电压量，并通过RP1和C1组成的滤波电路进行滤波处理，然后通过双极性运算放大器集成电路HA-OP07，并适当调节运算放大器的可调电阻R2，将输出限制在0一5V之间，接到DSP的A/D单元。其中HA-OP07电路中由R4和+15V电压组成的上半部分电路是输入失调电压调零电路，因此该方法具有非常低的输入失调电压，能很好的满足该控制系统的设计要求。

速度检测电路可以实时的检测双馈风力发电机的转速，当转速低于额定转速的时候，可根据速度检测电路检测到的数据，结合最大风能捕捉技术，有控制电路发出控制信号，实现最大功率跟踪控制。当转速高于额定转速的时候，可适当的调节桨距和桨距角，降低风力机和发电机的转速，从而有效的保护系统的安全有效运行。速度检测信号的精度直接决定了控制系统的精度，因此采用一种较精确的测速方法对于整个矢量控制系统非常重要。本系统采用光电编码器作为速度传感器，利用M/T法检测电机速度。步骤如下：

步骤1：求准确的测速时间。设高频时钟脉冲的频率为f₀，则准确的测速时间为T_c＝M₂/f₀。

步骤2：检测T_c时间内旋转编码器输出的脉冲个数M1。

步骤3：检测T_c时间内的高频时钟脉冲个数M2。

步骤4：求双馈异步发电机的转速。发电机的转速计算公式为n＝60M₁f₀/ZM₂

由上面计算步骤可见，把M法和T法结合起来，即检测T_c时间内旋转编码器输出的脉冲个数M1，又检测同一时间间隔内的高频时钟脉冲个数M2，用来计算转速，称为M/T法测速。采用M/T法测速应保证高频时钟脉冲计数器与旋转编码输出脉冲计数器同时开启与关闭减少误差，T_c为实际检测时间，T_c在上升沿，允许测速，但两个计数器并不立即开始计数，待到编码器输出脉冲前沿到达时，两个计数器开始计数。在T_c的下降沿，将关闭计数，同样也等到编码器输出脉冲前沿到达时，才真正关闭两个计数器。因此，实际检测时间不是常数，它随着转速变化而变化。本系统采用M/T法，用光电编码器检测电机的转速，将检测到速度信号经过光耦输入到DSP的正交编码器的QEP1、QEP2。

本发明的优越性在于：1、利用高性能数字信号处理芯片实现双馈风力发电机控制系统的控制，很大程度上提高控制的速度和精度，使整个控制系统具有很好的调节性能和可靠性；2、采用电流、电压和速度检测电路组成控制系统，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；3、该系统响应速度快、调节性能好，可以更好的从多个指标出发控制双馈风力发电机的各项指标；4、具有广阔的市场应用前景。

(四)附图说明：

图1为本发明所涉一种基于DSP的变速恒频双馈风力发电机矢量控制系统的整体结构图。

图2为本发明所涉一种基于DSP的变速恒频双馈风力发电机矢量控制系统中电流检测电路的结构框图。

图3为本发明所涉一种基于DSP的变速恒频双馈风力发电机矢量控制系统中电压检测电路的结构框图。

图4为本发明所涉一种基于DSP的变速恒频双馈风力发电机矢量控制系统中转速检测电路M/T法测速原理。

(五)具体实施方式：

实施例：一种基于DSP的变速恒频双馈风力发电机矢量控制系统(见图1)，包括双馈异步发电机，其特征在于它包括检测电路模块和控制单元；其中所述检测电路包括电流检测单元、电压检测单元和转速检测单元组成；所述控制单元的输入端分别与电流检测单元、电压检测单元和转速检测单元的输出端连接，其输出端与双馈异步发电机的输入端连接；所述检测电路模块的输入端接收双馈异步发电机发出的电压、电流及转速信号。

所述电流检测电路(见图2)是由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C1、运算放大器U1、运算放大器U2、二极管D1和二极管D2构成；所述电阻R1的一端接收采集的电流信号，另一端连接运算放大器U1的正向输入端；所述电容C1连接在运算放大器U1的正向输入端与地之间；所述电阻R5并联在电阻R1接收信号的一端与地之间；所述运算放大器U1的负向输入端于其输出端短接；所述电阻R2的一端接地，另一端连接运算放大器U2的负向输入端；所述电阻R3的一端连接运算放大器U1的输出端，另一端连接运算放大器U2的正向输入端；所述电阻R4一端连接3.3V的基准电压，另一端连接运算放大器U2的正向输入端；所述电阻R6并联在运算放大器U2的正向输入端和输出端之间；所述运算放大器U2的连接控制单元的输入端；所述二极管D1和二极管D2构成限幅电路，中间点与运算放大器U2的输出端连接；所述二极管D1的负极连接3.3V的基准电压，正极与二极管D2的负极连接；所述二极管D2的正极接地。

所述电压检测电路(见图3)包括电网三相输入电压检测和直流母线电压检测两部分；它是由电压霍尔传感器JP1、运算放大器、电阻R1、电阻RP1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、二极管D1构成；所述电阻R1的一端用来接收采集的原边电流信号，并经过R1变为电压信号，另一端和电压霍尔传感器的正极TH+连接；所述电压霍尔传感器LV28-P的负极TH-和正极TH+共同构成差分信号采集端，两个电源接口分别接+15V和-15V的基准电压，输出端M和双极性运算放大器HA-OP07的正极连接；所述电阻RP1一端和电压霍尔传感器的输出端M连接，另一端接地；所述电容C1一端和电压霍尔传感器LV28-P输出端连接，另一端接地，和电阻RP1共同构成滤波电路；所述电阻R3一端和双极运算放大器HA-OP07的负极连接，一端接地；所述电阻R4和HA-OP07正极并联，构成输入电压调零电路；所述电阻R2一端和双极运算放大器HA-OP07负极连接，一端和HA-OP07的输出端连接；所述二极管D1一端和运算放大器HA-OP07输出端连接，一端接地，构成限幅电路，将输出限制在0-5V之间；所述运算放大电路HA-OP07的输出端经限幅后直接和DSP的A/D单元连接。

所述电压霍尔传感器(见图3)采用莱姆(LEM)公司的LV28-P电压霍尔传感器。

所述运算放大器(见图2、图3)采用双极性运算放大器集成电路HA-OP07。

所述控制单元(见图1)采用TI公司的DSP芯片TMS320F2812。

Claims

1.一种基于DSP的变速恒频双馈风力发电机矢量控制系统，包括双馈异步发电机，其特征在于它包括检测电路模块和控制单元；其中所述检测电路包括电流检测单元、电压检测单元和转速检测单元组成；所述控制单元的输入端分别与电流检测单元、电压检测单元和转速检测单元的输出端连接，其输出端与双馈异步发电机的输入端连接；所述检测电路模块的输入端接收双馈异步发电机发出的电压、电流及转速信号。

2.根据权利要求1中所述一种基于DSP的变速恒频双馈风力发电机矢量控制系统，其特征在于所述电流检测电路是由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C1、运算放大器U1、运算放大器U2、二极管D1和二极管D2构成；所述电阻R1的一端接收采集的电流信号，另一端连接运算放大器U1的正向输入端；所述电容C1连接在运算放大器U1的正向输入端与地之间；所述电阻R5并联在电阻R1接收信号的一端与地之间；所述运算放大器U1的负向输入端于其输出端短接；所述电阻R2的一端接地，另一端连接运算放大器U2的负向输入端；所述电阻R3的一端连接运算放大器U1的输出端，另一端连接运算放大器U2的正向输入端；所述电阻R4一端连接3.3V的基准电压，另一端连接运算放大器U2的正向输入端；所述电阻R6并联在运算放大器U2的正向输入端和输出端之间；所述运算放大器U2的连接控制单元的输入端；所述二极管D1和二极管D2构成限幅电路，中间点与运算放大器U2的输出端连接；所述二极管D1的负极连接3.3V的基准电压，正极与二极管D2的负极连接；所述二极管D2的正极接地。

3.根据权利要求1中所述一种基于DSP的变速恒频双馈风力发电机矢量控制系统，其特征在于所述电压检测电路包括电网三相输入电压检测和直流母线电压检测两部分；它是由电压霍尔传感器JP1、运算放大器、电阻R1、电阻RP1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、二极管D1构成；所述电阻R1的一端用来接收采集的原边电流信号，并经过R1变为电压信号，另一端和电压霍尔传感器的正极TH+连接；所述电压霍尔传感器LV28-P的负极TH-和正极TH+共同构成差分信号采集端，两个电源接口分别接+15V和-15V的基准电压，输出端M和双极性运算放大器HA-OP07的正极连接；所述电阻RP1一端和电压霍尔传感器的输出端M连接，另一端接地；所述电容C1一端和电压霍尔传感器LV28-P输出端连接，另一端接地，和电阻RP1共同构成滤波电路；所述电阻R3一端和双极运算放大器HA-OP07的负极连接，一端接地；所述电阻R4和HA-OP07正极并联，构成输入电压调零电路；所述电阻R2一端和双极运算放大器HA-OP07负极连接，一端和HA-OP07的输出端连接；所述二极管D1一端和运算放大器HA-OP07输出端连接，一端接地，构成限幅电路，将输出限制在0-5V之间；所述运算放大电路HA-OP07的输出端经限幅后直接和DSP的A/D单元连接。

4.根据权利要求3中所述一种基于DSP的变速恒频双馈风力发电机矢量控制系统，其特征在于所述电压霍尔传感器采用莱姆(LEM)公司的LV28-P电压霍尔传感器。

5.根据权利要求2和3中所述一种基于DSP的变速恒频双馈风力发电机矢量控制系统，其特征在于所述运算放大器采用双极性运算放大器集成电路HA-OP07。

6.根据权利要求1中所述一种基于DSP的变速恒频双馈风力发电机矢量控制系统，其特征在于所述控制单元采用TI公司的DSP芯片TMS320F2812。