CN102510092A

CN102510092A - 一种风电变流器分布式实时控制单元

Info

Publication number: CN102510092A
Application number: CN2011104267018A
Authority: CN
Inventors: 苗亚; 张平; 吴福保; 陈梅; 丁杰; 吕宏水
Original assignee: State Grid Electric Power Research Institute
Current assignee: State Grid Electric Power Research Institute
Priority date: 2011-12-19
Filing date: 2011-12-19
Publication date: 2012-06-20

Abstract

一种风电变流器分布式实时控制单元，其特征在于，机侧采样板、网侧采样板和直流采样板就近安装在功率回路采样点，实现就近采样，把模拟量通过AD转换器转换成数字量再通过光纤以串行方式传给控制器，同时接收控制器发送的硬件保护门槛值和控制命令信息；安装在机网侧功率单元的功率控制板接收控制器发送的脉冲信号，进行串并转换和脉冲保护处理，发送给功率元件，实现变流器的控制，同时实时采样功率单元相电流和温度信号，通过AD转换器转换成数字信号后以串行方式发送给控制器。本发明可以有效提高系统实时性和可靠性，节省成本，简化变流器布线，并且具有较强的通用性和可裁剪性。

Description

一种风电变流器分布式实时控制单元

技术领域

本发明专利属于新能源发电技术领域，适用于风力发电电力电子变流装置。

背景技术

目前，风电变流器作为双馈和直驱风电机组并网控制的核心部件，在新能源开发中起着越来越重要的作用，其控制性能的好坏直接决定着风电机组的并网特性。

风电变流器实时控制单元是风电变流器控制的最关键环节之一，直接关系到风电变流器的控制品质及系统可靠性。其主要功能包括电网侧的并网控制和电机侧的发电机控制，通过检测风电变流器电网侧的电压和电流信号，通过一系列算法计算，生成驱动风电变流器网侧功率单元的PWM控制脉冲信号，实现风力发电的并网和能量输送；通过实时检测发电机的机端电压、电机电流以及电机转速等信号，通过一系列发电机控制算法运算，生成驱动风电变流器机侧功率单元的PWM控制脉冲信号，实现对风力发电机的实时控制和能量输出。

如图1所示，目前风电变流器实时控制单元主要包括机侧控制器1和网侧控制器2，分别为一个控制机箱或控制主板，机侧和网侧控制器各采用一片定点或浮点DSP3作为控制核心，实现实时控制。RAM等存储器4实现处理器录波数据或运算数据的缓存；外部模拟采样信号通过硬连线与控制器AD采样接口5连接，实现信号的实时采样；通信接口6实现控制器与外部的实时通信和数据交换；变流器的脉冲输出信号和开入开出信号等7也需要通过硬连线与控制器连接；机侧控制器和网侧控制器之间通过485、CAN或其他通信接口实现机网侧实时通信。

目前这种方案已经投入了商业应用，并且进入了量产阶段，但系统采用两套控制器，成本较高，并且可靠性较低，同时系统采用集中采样和脉冲并行输出，需要大量硬连线实现模拟采样信号的输入和脉冲信号的输出，大量硬连线经过变流器内部的强电信号附近进行长距离传输易受干扰，布线复杂，可靠性低。

发明内容

针对图1 所示风电变流器实时控制单元所存在的缺点，本发明提出一种控制架构简单、成本低、可靠性高、通用性强的风电变流器分布式实时控制单元，实现风电变流器的高性能实时控制。本发明采用双核处理器+FPGA的架构作为核心控制器实现风电变流器的机网侧实时控制，节省系统成本的同时，提高控制实时性；本发明采用以光纤为传输介质的分布式架构实现模拟信号采样、PWM脉冲输出等控制功能，提高系统可靠性，同时方便系统裁剪，实现通用性；本发明采用安装在功率单元内部的功率控制板实现与控制器的串行通信，完成系统分布式脉冲分配和采样功能；本系统采用机侧、网侧、直流采样板完成一些模拟信号的采样，通过光纤以串行方式与控制器通信，实现分布式采样；本发明采用双核处理器（ARM9核+高性能浮点DSP核）实现风电变流器核心控制算法与其他控制功能的解耦，便于分工协作，提高系统可靠性。

技术方案

本发明采用双核控制器+FPGA为核心的分布式系统架构，如图2所示，以双核处理器+FPGA为控制核心，同时实现机网侧控制，其中FPGA负责光纤接口的管理、采样数据的处理、PWM脉冲生成、快速开入开出等；双核处理器的C6000浮点DSP核负责机网侧核心控制算法的实现；双核处理器的ARM核实现系统管理和对外通信功能，负责变流器对外通信接口、开关逻辑控制、保护逻辑控制、故障记录、程序下载、系统数据管理等。

以双核处理器+FPGA为核心的风电变流器控制器通过光纤实现分布式采样数据的接收和PWM控制脉冲信号的发送，控制器接收和发送的信息以光纤为传输介质按照标准串行协议进行高速传输，在保证系统实时性的同时可以提高系统可靠性，简化系统布线。

机侧采样板、网侧采样板和直流采样板就近安装在功率回路采样点，实现就近采样，把模拟量通过AD转换器转换成数字量再通过光纤以串行方式传给控制器，同时接收控制器发送的硬件保护门槛值和控制命令信息；安装在机网侧功率单元的功率控制板接收控制器发送的脉冲信号，进行串并转换和脉冲保护处理，发送给功率元件，实现变流器的控制，同时实时采样功率单元相电流和温度信号，通过AD转换器转换成数字信号后以串行方式发送给控制器。

有益效果

本发明专利方案的实施，可以有效提高系统实时性和可靠性，节省成本，简化变流器布线，并且具有较强的通用性和可裁剪性。

（1）以双核处理器+FPGA为控制核心，数据处理速度快，实时性强，可同时实现机网侧控制；

（2）采用双核处理器，在提高处理能力的同时，可是实现变流器核心控制算法与系统运行管理等功能的解耦，方便分工协作和系统调试，并有效提高系统可靠性；

（3）用FPGA管理系统用于脉冲传输和数据采集的光纤接口，结构简单，功能清晰，实时性强，并且节省了双核处理器的资源；

（4）通用性强，易于根据控制需要进行裁剪。变流器分布式实时控制单元可以根据系统需要裁减采样板的数量和功率单元的数量，方便系统功率扩展和功能升级，同时满足产品多样化需求；

（5）易于软件编写，且方便软件的移植；控制器的内部软件均采用流行的C语言进行编写。

（6）采用双核处理器的ARM9核进行对外通信和系统管理，接口资源丰富，具有工业通用的标准CAN、以太网、USB、RS485、RS232等外部接口。

（7）成本较低，适合批量生产，双核控制器和FPGA采用业界较为流行且成本较低的处理器，有效的降低了系统成本和采购难度。

附图说明

附图1：目前普遍使用的风电变流器实时控制单元。

附图2：风电变流器分布式实时控制器的系统架构。

附图3：风电变流器分布式实时控制器的实现原理示意图。

具体实施方式

如图3所示，本发明的风电变流器分布式实时控制单元包括：以双核处理器+FPGA为核心的控制器、N对光纤、功率控制板、网侧\机侧\直流等通用采样板，控制器与功率控制板和通用采样板通过光纤以串行传输方式进行实时通信。

在本发明中，以双核处理器+FPGA为核心的实时控制器同时实现机网侧控制，其中FPGA负责光纤接口的管理、采样数据的处理、PWM脉冲生成、快速开入开出等；双核处理器的C6000浮点DSP核负责机网侧核心控制算法的实现；双核处理器的ARM核实现系统管理和对外通信功能，负责变流器对外通信接口、开关逻辑控制、保护逻辑控制、故障记录、程序下载、系统数据管理等。FPGA通过光纤接收机网侧功率单元中安装的功率控制板送上来的数字采样信号，经过串并转换和综合处理，利用并行总线传给双核处理器，双核处理器的C6000浮点DSP核利用数字采样信号，根据双核处理器的ARM9核从外部接收的控制命令，经过一系列算法运算，产生机网侧功率单元PWM控制脉冲信息，再以并行方式传输给FPGA，FPGA对脉冲信息进行运算处理和并串转换后，通过光纤以串行方式传输给功率单元的功率控制板。双核处理器的ARM9核与风电机组的主控系统或变流器上位机监控系统通信，获得系统控制命令，同时对系统数据进行管理，实现录波、软件保护、对外传输等功能，双核处理器的ARM9核与C6000浮点DSP核通过芯片内部机制完成通信和数据交换。双核处理器外围挂有、NAND FLASH、NOR FLASH、DDR、SPI FLASH、SRAM等存储器，实现操作系统和应用程序的存储、系统参数的保存、系统运算数据的缓存和录波数据的存储等功能；另外双核处理器外围还有CAN、RS485、USB、以太网、RS232等通信接口，实现对外通信、调试、程序下载、参数传输等功能；双核处理器的时钟接口CLKA为处理器提供时钟参考源，复位接口RST为系统提供掉电或死机复位，JTAG接口实现程序的下载和仿真等。FPGA外围挂有N对光纤，实现分布式采样和脉冲分配所需要的高速数据传输，开入开出接口实现变流器系统的逻辑控制和故障检测以及关键信号的反馈，JTAG接口实现FPGA程序的下载和仿真，时钟接口CLKB为处理器提供时钟参考源，复位接口RST为系统提供掉电或死机复位。以双核处理器+FPGA为核心的实时控制器还包括时钟发生单元、电源变换单元、复位单元，完成系统时钟生成、电源供电、系统掉电或死机复位等功能。

以双核处理器+FPGA为核心的风电变流器控制器通过光纤实现分布式采样数据的接收和PWM控制脉冲信号的发送，控制器接收和发送的信息以光纤为介质按照标准串行协议进行高速传输，在保证系统实时性的同时可以提高系统可靠性，简化系统布线。

机侧采样板、网侧采样板和直流采样板电路基本原理相同，硬件基本兼容，可以有效提高系统通用性，同时可以根据系统需要配置采样板的个数，在提高通用性的同时节省成本。采样板主要包括：与控制器通信的光纤接口、FPGA、AD转换器、模拟调理电路、DA转换器等，各个采样板就近安装在功率回路采样点，实现就近采样，把模拟量接入调理电路调理后通过AD转换器转换成数字量，再通过光纤以串行方式传给控制器，同时接收控制器发送的硬件保护门槛值和控制命令信息，实现采样控制和硬件保护。安装在机网侧功率单元的功率控制板主要包括：与控制器通信的光纤接口、FPGA、AD转换器、模拟调理电路、DA转换器、与功率元件驱动板接口的光纤接口等，功率控制板通过光纤接收控制器发送的脉冲信号，进行串并转换和脉冲保护处理后，发送给功率元件，实现变流器的控制，同时实时采样功率单元相电流和温度信号，通过AD转换器转换成数字信号后与功率单元级故障信息一起打包以串行方式发送给控制器。机侧功率控制板和网侧功率控制板可以实现通用，同时可以根据变流器系统拓扑结构和功率等级需要进行扩展，实现更多功率单元的级联或并联控制。

Claims

1.一种风电变流器分布式实时控制单元，其特征在于，机侧采样板、网侧采样板和直流采样板就近安装在功率回路采样点，实现就近采样，把模拟量通过AD转换器转换成数字量再通过光纤以串行方式传给控制器，同时接收控制器发送的硬件保护门槛值和控制命令信息；安装在机网侧功率单元的功率控制板接收控制器发送的脉冲信号，进行串并转换和脉冲保护处理，发送给功率元件，实现变流器的控制，同时实时采样功率单元相电流和温度信号，通过AD转换器转换成数字信号后以串行方式发送给控制器。