CN102545256B

CN102545256B - 一种并网电流的控制装置

Info

Publication number: CN102545256B
Application number: CN201110457182.1A
Authority: CN
Inventors: 曹仁贤; 余勇; 张显立; 吴玉杨; 周俭节
Original assignee: Sungrow Power Supply Co Ltd
Current assignee: Sungrow Power Supply Co Ltd
Priority date: 2011-12-30
Filing date: 2011-12-30
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2031-12-30
Also published as: CN102545256A

Abstract

本发明提供一种并网电流的控制装置，将电流滞环控制与SVPWM控制相结合，通过检测并网电流控制这两种控制方法的实时进行切换。当并网电流发生异常时，自动切换至电流滞环控制，使并网电流误差被限制在允许范围内；当SVPWM控制器检测到实际的三相并网电流与指令电流偏差在允许范围内时，重新切换到正常情况下的SVPWM控制模式，由于电流滞环控制工作过程中SVPWM控制器根据检测到的三相电流仍在继续运行，占空比仍在实时更新，有效降低两种控制方法在切换瞬间所引起的并网电流波动，从而获得较高品质的并网电流。该装置在并网电流波形异常时及时响应，控制并网电流在允许的范围内，保护风机系统，降低对电网的冲击。

Description

一种并网电流的控制装置

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，特别涉及一种并网电流的控制装置。

背景技术

风力发电技术发展到现阶段，各项技术都得到了不同程度的完善，也日渐成熟起来。风电产业必须实现产业转型，产业发展要从追求速度向追求质量转变，从追求装机容量向追求风力发电量转变。

目前，随着我国风电场前期暴露出的问题，以及国家对风电的投入和关注度不断提高，风力发电如何可靠并网、提供优质电能已成为风电行业现阶段的主要任务之一。而作为风机与电网之间的关键部分——风机变流器而言，如何实现快速、有效地控制其输出的并网电流，使其稳定在预期的电流值范围内，向电网提供较稳定的电能，是保障风机安全、可靠并网的重中之重。

现阶段风机制造商及运营商正加紧对风电机组进行低电压穿越的升级。低电压穿越技术也得到不断完善，目前很多变流器产商也已经完成不同程度跌落时的低电压穿越。但是，在异常情况发生时，例如低电压穿越期间，难免造成并网电流的波动，所以如何快速、有效地跟踪控制并网电流，将其波动抑制在允许范围内，使整个风机系统安全过渡到异常情况消除、直至系统恢复正常，具有重要的现实意义和工程实用价值。

并网电流的控制以快速电流反馈控制为特征，如电流滞环控制、固定开关频率控制和空间矢量脉宽调制(SVPWM，Space Vector Pulse Width Modulation)控制等。

其中，电流滞环控制的原理是把希望输出的波形作为指令信号，把实际波形作为反馈信号，通过两者的瞬时值比较来决定逆变电路各开关器件的通断，使实际的输出跟踪指令信号变化。电流滞环控制以其易于实现，动态响应快，对负载参数不敏感的优点备受国内外学者的青睐。然而，对于风机变流器而言，由于三相电流滞环是各自独立的，缺乏协调，导致开关频率不固定。

SVPWM可以实现最优的开关模式，控制开关频率。但此控制方法需要进行大量的计算，从而影响了电流跟踪的快速性。

综上所述，目前的电流滞环控制和SVPWM控制均存在各自的缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种并网电流的控制装置，能够解决电流滞环控制和SVPWM控制存在的缺点，在并网电流波形异常时及时响应，控制并网电流在允许的范围内，保护风机系统，降低对电网的冲击。

本发明实施例提供一种并网电流的控制装置，包括：电流滞环与逻辑控制电路、空间矢量脉宽调制SVPWM控制器、A相电流传感器、B相电流传感器和C相电流传感器；

A相电流传感器、B相电流传感器、C相电流传感器分别用于采集并网的三相电流，将采集的三相电流分别发送给所述电流滞环与逻辑控制电路、空间矢量脉宽调制SVPWM控制器；该并网的三相电流由风机变流器中的逆变器输出；

所述电流滞环与逻辑控制电路检测所述并网的三相电流，当并网的三相电流超出允许范围时，封锁所述SVPWM控制器输出给逆变器的PWM驱动信号；由电流滞环与逻辑控制电路控制逆变器中各个开关管的开关状态，以使并网的三相电流回归正常；

所述电流滞环与逻辑控制电路控制所述并网的三相电流在允许范围内，则SVPWM控制器根据采集的三相电流输出PWM驱动信号给逆变器中的各个开关管，控制各个开关管的开关状态。

优选地，当电流滞环与逻辑控制电路控制逆变器中的各个开关管的开关状态时，所述SVPWM控制器根据采集的三相电流继续工作，其输出的PWM驱动信号的占空比不断更新；当电流滞环与逻辑控制电路工作了设定时间后，且并网的三相电流在允许范围内，SVPWM控制器控制所述电流滞环与逻辑控制电路退出工作，由SVPWM控制器输出PWM驱动信号给逆变器中的各个开关管。

优选地，所述电流滞环与逻辑控制电路包括三相控制电路，其中，每相控制电路包括：第一比较器、第二比较器、第一D触发器、第二D触发器、第一逻辑与门电路、第二逻辑与门电路、第三逻辑与门电路、第一逻辑或门电路、第二逻辑或门电路；

所述第一比较器的正输入端连接采集并网的相电流对应的电压信号，第一比较器的负输入端连接指令电流对应的第一电压信号；

所述第二比较器的正输入端连接所述指令电流对应的第二电压信号，第二比较器的负输入端连接所述采集并网的相电流对应的电压信号；

所述第一比较器的输出端连接第一D触发器的复位引脚和时钟信号引脚；

所述第二比较器的输出端连接第二D触发器的复位引脚和时钟信号引脚；

第一D触发器的输出端和第二D触发器的输出端分别连接第三逻辑与门电路的两个输入端，SVPWM控制器控制信号的输出端连接所述第三逻辑与门电路的另一个输入端；

所述第三逻辑与门电路的输出端同时连接SVPWM控制器的信号检测的输入端、第一逻辑与门电路的输入端和第二逻辑与门电路的输入端；

所述SVPWM控制器输出的驱动下桥臂开关管的PWM驱动信号输入所述第一逻辑与门电路的另一个输入端；

所述SVPWM控制器输出的驱动上桥臂开关管的PWM驱动信号输入所述第二逻辑与门电路的另一个输入端；

所述第一D触发器的Q输出端连接所述第一逻辑或门电路的一个输入端，所述第一逻辑与门电路的输出端连接所述第一逻辑或门电路的另一个输入端；

所述第二D触发器的Q输出端连接所述第二逻辑或门电路的一个输入端，所述第二逻辑与门电路的输出端连接所述第二逻辑或门电路的另一个输入端；

所述第一逻辑或门电路的输出端连接所述下桥臂的开关管的控制端；

所述第二逻辑或门电路的输出端连接所述上桥臂的开关管的控制端。

优选地，

所述第一比较器的正输入端连接采集并网的相电流对应的电压信号，具体为：

电流传感器采集并网的相电流经过第一电阻转换为电压信号后连接第一比较器的正输入端；

所述第二比较器的负输入端连接所述采集并网的相电流对应的电压信号，具体为：

电流传感器采集并网的相电流经过第一电阻转换为电压信号后连接第二比较器的负输入端。

优选地，所述第一比较器的负输入端连接指令电流对应的第一电压信号，具体为：

所述指令电流通过依次串联的第二电阻和第三电阻接地；

所述第二电阻和第三电阻的公共端连接所述第一比较器的负输入端。

优选地，所述第二比较器的正输入端连接所述指令电流对应的第二电压信号，具体为：

所述指令电流通过依次串联的第四电阻和第五电阻接地；

所述第四电阻和第五电阻的公共端连接第二比较器的正输入端。

优选地，所述第一D触发器的置位引脚和D输入端通过第一上拉电阻连接VCC；

所述第二D触发器的置位引脚和D输入端通过第二上拉电阻连接VCC。

优选地，所述设定时间为1秒。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供的并网电流的控制装置，将电流滞环控制与SVPWM控制相结合，通过检测并网电流控制这两种控制方法的实时进行切换。当并网电流发生异常时，自动切换至电流滞环控制，使并网电流误差被限制在允许范围内；当SVPWM控制器检测到实际的三相并网电流与指令电流偏差在允许范围内时，重新切换到正常情况下的SVPWM控制模式，由于电流滞环控制工作过程中SVPWM控制器根据检测到的三相电流仍在继续运行，占空比仍在实时更新，从而有效降低了两种控制方法在切换瞬间所引起的并网电流波动，从而获得较高品质的并网电流。本发明提供的装置能够解决电流滞环控制和SVPWM控制存在的缺点，在并网电流波形异常时及时响应，控制并网电流在允许的范围内，保护风机系统，降低对电网的冲击。

附图说明

图1是本发明提供的并网电流控制装置应用实施例结构图；

图2是本发明提供的并网电流控制装置内部具体电路图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

参见图1，该图为本发明提供的并网电流控制装置应用实施例结构图。

为了本领域技术人员能够更好地理解和实施本发明提供的技术方案，首先介绍风力发电系统中的架构。

图1所示的直流电压Udc为风机变流器的整流器对风力发电机输出的三相交流电压进行整流后获得的。由于这部分不在本发明的保护范围之内，故在图1中未标示出。

直流电压Udc通过支撑电容C加在三相全桥逆变器的三只桥臂两端，每只桥臂由上下两个开关管组成。

其中，第一开关管V10和第二开关管V11控制输出A相电流；

第三开关管V20和第四开关管V21控制输出B相电流；

第五开关管V30和第六开关管V31控制输出C相电流。

本发明提供的装置的功能便是控制以上六个开关管的开关状态，进而控制逆变器输出的三相电流。

需要说明的是，这三相电流经过滤波电路100以后，并到电网上。

本实施例提供的并网电流的控制装置，包括：电流滞环与逻辑控制电路200、空间矢量脉宽调制SVPWM控制器300、A相电流传感器S1、B相电流传感器S2和C相电流传感器S3；

A相电流传感器S1、B相电流传感器S2、C相电流传感器S3分别用于采集并网的三相电流，将采集的三相电流分别发送给所述电流滞环与逻辑控制电路200、空间矢量脉宽调制SVPWM控制器300；该并网的三相电流由风机变流器中的逆变器输出；

所述电流滞环与逻辑控制电路200检测所述并网的三相电流Ia、Ib和Ic，当并网的三相电流超出允许范围时，封锁所述SVPWM控制器300输出给逆变器的PWM驱动信号(PWM1-PWM6)；由电流滞环与逻辑控制电路200控制逆变器中各个开关管(即图1中的六个开关管)的开关状态，以使并网的三相电流回归正常；

需要说明的是，PWM1-PWM6分别输出给六个开关管的控制端，以控制开关管的开关状态。

所述电流滞环与逻辑控制电路200控制所述并网的三相电流在允许范围内，则SVPWM控制器300根据采集的三相电流输出PWM驱动信号给逆变器中的各个开关管，控制各个开关管(即图1中的六个开关管)的开关状态。

需要说明的是，SVPWM控制器进行SVPWM控制时，需要根据采集的并网的三相电流Ia、Ib和Ic实时进行计算，根据计算结果不断更新输出的PWM驱动信号的占空比，以调整逆变器输出的三相电流。如图1所示，SVPWM控制器的三个输入端AD0、AD1和AD2分别对应采集的并网的三相电流Ia、Ib和Ic。

本发明提供的并网电流的控制装置，将电流滞环控制与SVPWM控制相结合，通过检测并网电流控制这两种控制方法的实时进行切换。当并网电流发生异常时，自动切换至电流滞环控制，使并网电流误差被限制在允许范围内；当SVPWM控制器检测到实际的三相并网电流与指令电流偏差在允许范围内时，重新切换到正常情况下的SVPWM控制模式，从而获得较高品质的并网电流。本发明提供的装置能够解决电流滞环控制和SVPWM控制存在的缺点，在并网电流波形异常时及时响应，控制并网电流在允许的范围内，保护风机系统，降低对电网的冲击。

当电流滞环与逻辑控制电路控制逆变器中的各个开关管的开关状态时，所述SVPWM控制器根据采集的三相电流继续工作，其输出的PWM驱动信号的占空比不断更新；当电流滞环与逻辑控制电路工作了设定时间后，且并网的三相电流在允许范围内，SVPWM控制器控制所述电流滞环与逻辑控制电路退出工作，由SVPWM控制器输出PWM驱动信号给逆变器中的各个开关管。

下面介绍本发明实施例提供的电流滞环与逻辑控制电路具体是怎样实现的。本发明实施例提供的电流滞环与逻辑控制电路完全由硬件实现，结构简单，反应速度灵敏。由于本发明提供的电流滞环与逻辑控制电路包括三相控制电路，每相控制电路的结构相同，因此，下面以A相为例进行介绍，B相和C相对应的控制电路与A相结构和工作原理相同，在此不再一一进行介绍。

参见图2，该图为本发明提供的并网电流控制装置内部具体电路图。

所述电流滞环与逻辑控制电路包括三相控制电路，其中，每相控制电路结构相同，以A相为例；

A相控制电路包括：第一比较器U1、第二比较器U2、第一D触发器D1、第二D触发器D2、第一逻辑与门电路Y1、第二逻辑与门电路Y2、第三逻辑与门电路Y3、第一逻辑或门电路H1、第二逻辑或门电路H2；

所述第一比较器U1的正输入端连接采集并网的相电流对应的电压信号V1，第一比较器U1的负输入端连接指令电流I_a ^*对应的第一电压信号V1^*；

所述第二比较器U2的正输入端连接所述指令电流I_a ^*对应的第二电压信号V2^*，第二比较器U2的负输入端连接所述采集并网的相电流对应的电压信号V1；

所述第一比较器U1的输出端连接第一D触发器D1的复位引脚和时钟信号引脚CP；

所述第二比较器U2的输出端连接第二D触发器D2的复位引脚和时钟信号引脚CP；

第一D触发器的输出端和第二D触发器的输出端分别连接第三逻辑与门电路Y3的两个输入端(A和B)，SVPWM控制器300控制信号的输出端(RC1端)连接所述第三逻辑与门电路Y3的另一个输入端C；

所述第三逻辑与门电路Y3的输出端同时连接SVPWM控制器300的信号检测的输入端(RC0端)、第一逻辑与门电路Y1的一个输入端(A)和第二逻辑与门电路Y2的一个输入端(A)；

所述SVPWM控制器300输出的驱动A相下桥臂开关管V11的PWM驱动信号PWM2输入所述第一逻辑与门电路Y1的另一个输入端(B)；

所述SVPWM控制器300输出的驱动A相上桥臂开关管V10的PWM驱动信号PWM1输入所述第二逻辑与门电路Y2的另一个输入端(B)；

所述第一D触发器D1的Q输出端连接所述第一逻辑或门电路H1的一个输入端(B)，所述第一逻辑与门电路Y1的输出端连接所述第一逻辑或门H1电路的另一个输入端(A)；

所述第二D触发器D2的Q输出端连接所述第二逻辑或门H2电路的一个输入端(B)，所述第二逻辑与门电路Y2的输出端连接所述第二逻辑或门电路H2的另一个输入端(A)；

所述第一逻辑或门电路H1的输出端连接所述下桥臂的开关管V11的控制端；

所述第二逻辑或门电路H2的输出端连接所述上桥臂的开关管V10的控制端。

需要说明的是，所述第一D触发器D1的置位引脚和D输入端通过第一上拉电阻R14连接VCC；

所述第二D触发器D2的置位引脚和D输入端通过第二上拉电阻R24连接VCC。

下面结合图2详细介绍本发明提供的并网电流控制装置的工作原理：

A相电流传感器的输出连接第一电阻R1，将采集的A相电流信号转换为电压信号V1。

SVPWM控制器通过空间矢量PWM控制方法计算出的三相指令电流的数字量，然后将数字的三相指令电流经过D/A转换后形成模拟三相指令电流I_a ^*、I_b ^*、I_c ^*。

I_a ^*由第二电阻R2和第三电阻R3分压后形成第一电压信号V1^*。

I_a ^*由第三电阻R3和第四电阻R4分压后形成第二电压信号V2^*。

可以通过设计R1、R2、R3、R4和R5的电阻值，使得I_a＞I_a ^*+ΔI；I_a＜I_a ^*-ΔI。

其中，I_a＞I_a ^*+ΔI等价于V1＞V1^*；I_a＜I_a ^*-ΔI等价于V1＜V2^*。

ΔI为并网电流允许的波动偏差，具体数值取决于设计要求。

以A相为例，当电网未出现异常时，I_a满足以下要求：I_a ^*-ΔI＜I_a＜I_a ^*+ΔI，即V2^*＜V1＜V1^*，第一比较器U1和第二比较器U2均输出低电平，从而第一D触发器D1和第二D触发器D2的Q输出端均为低电平，其输出端均为高电平；使得第三逻辑与门电路Y3输出高电平(需要说明的是，初始情况下，SVPWM控制器300的RC1输出高电平)，此时第一逻辑与门电路Y1和第二逻辑与门电路Y2的输出分别取决于SVPWM控制器300的输出信号PWM1和PWM2，所以第一开关管V10和第二开关管V11的开通、关断完全由SVPWM控制器300控制，即A相电流完全由SVPWM控制器300控制。

通过以上分析可知，当电网正常工作时，并网电流由SVPWM控制实现，电流滞环控制不起作用。

当电网出现异常时，若I_a ^*+ΔI＜I_a，第一比较器U1输出高电平，第二比较器U2输出低电平，第一D触发器D1和第二D触发器D2的Q输出端分别输出高电平和低电平，第一D触发器D1和第二D触发器D2的输出端分别输出低电平和高电平，所以第三逻辑与门电路Y3输出低电平，此时第一逻辑与门电路Y1和第二逻辑与门电路Y2的输出均为低电平，此时SVPWM控制器300输出的驱动信号PWM1和PWM2被封锁，第一逻辑或门电路H1和第二逻辑或门电路H2的输出信号取决于第一D触发器D1和第二D触发器D2的Q输出端的信号，所以上桥臂开关管V10关断、下桥臂开关管V11开通，从而迫使A相电流减小。

反之，若I_a ^*-ΔI＞I_a，则第一比较器U1输出低电平，第二比较器U2输出高电平，第一D触发器D1和第二D触发器D2的Q输出端分别输出低电平和高电平，第一D触发器D1和第二D触发器D2的输出端分别输出高电平和低电平，所以第三逻辑与门电路Y3输出低电平，此时第一逻辑与门电路Y1和第二逻辑与门电路Y2的输出均为低电平；此时SVPWM控制器300输出的驱动信号PWM1和PWM2仍然被封锁，第一逻辑或门电路H1和第二逻辑或门电路H2的输出信号取决于第一D触发器D1和第二D触发器D2的Q输出端的信号，所以V10开通、V11关断，从而迫使A相电流增大。

由于电网异常发生时，SVPWM控制器300可以通过RC0检测到电流滞环与逻辑控制电路是否动作，RC0为低电平时表明电流环滞与逻辑控制电路开始工作，此时SVPWM控制器300通过控制RC1输出电平由高电平变为低电平使第三逻辑与门电路Y3输出为低电平，在SVPWM控制器300定时的设定时间(例如1秒)结束后，即电流滞环与逻辑控制电路工作设定时间后，SVPWM控制器300控制RC1的输出由低电平再变为高电平。当并网电流正常后，即第一D触发器D1和第二D触发器D2的输出端输出也均高电平，这时第一逻辑与门电路Y1和第二逻辑与门电路Y2的输出信号分别取决于SVPWM控制器300输出的驱动信号PWM1、PWM2，表明SVPWM控制器300的控制程序重新切换到正常情况下的SVPWM控制模式，从而有效限制了并网电流的突变，进而可以获得高品质的并网电流。

需要说明的是，由于电网正常情况下，电流滞环与逻辑控制电路不工作，只有电网发生异常情况时才会工作，从SVPWM控制模式切换到电流滞环控制后，只是封锁了SVPWM控制器输出的PWM信号，SVPWM控制器内部的控制程序仍在运行，实时计算，SVPWM控制器输出的PWM占空比仍在不断更新，从而从电流滞环控制平稳切换到SVPWM控制提供了前提，从而实现这两种控制方法之间的平稳切换。

需要说明的是，图2仅是以A相为例进行介绍的，B相和C相的结构与A相相同，在此不再赘述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims

1.一种并网电流的控制装置，其特征在于，包括：电流滞环与逻辑控制电路、空间矢量脉宽调制SVPWM控制器、A相电流传感器、B相电流传感器和C相电流传感器；

所述电流滞环与逻辑控制电路控制所述并网的三相电流在允许范围内，则SVPWM控制器根据采集的三相电流输出PWM驱动信号给逆变器中的各个开关管，控制各个开关管的开关状态；

2.根据权利要求1所述的并网电流的控制装置，其特征在于，所述电流滞环与逻辑控制电路包括三相控制电路，其中，每相控制电路包括：第一比较器、第二比较器、第一D触发器、第二D触发器、第一逻辑与门电路、第二逻辑与门电路、第三逻辑与门电路、第一逻辑或门电路、第二逻辑或门电路；

所述第一比较器的正输入端连接采集的并网的相电流对应的电压信号，第一比较器的负输入端连接指令电流对应的第一电压信号；

所述第二比较器的正输入端连接所述指令电流对应的第二电压信号，第二比较器的负输入端连接所述采集的并网的相电流对应的电压信号；

第一D触发器的Q输出端和第二D触发器的Q输出端分别连接第三逻辑与门电路的两个输入端，SVPWM控制器控制信号的输出端连接所述第三逻辑与门电路的另一个输入端；

3.根据权利要求2所述的并网电流的控制装置，其特征在于，

所述第一比较器的正输入端连接采集的并网的相电流对应的电压信号，具体为：

电流传感器采集的并网的相电流经过第一电阻转换为电压信号后连接第一比较器的正输入端；

所述第二比较器的负输入端连接所述采集的并网的相电流对应的电压信号，具体为：

电流传感器采集的并网的相电流经过第一电阻转换为电压信号后连接第二比较器的负输入端。

4.根据权利要求2所述的并网电流的控制装置，其特征在于，所述第一比较器的负输入端连接指令电流对应的第一电压信号，具体为：

所述指令电流通过依次串联的第二电阻和第三电阻接地；

5.根据权利要求2所述的并网电流的控制装置，其特征在于，所述第二比较器的正输入端连接所述指令电流对应的第二电压信号，具体为：

所述指令电流通过依次串联的第四电阻和第五电阻接地；

6.根据权利要求2所述的并网电流的控制装置，其特征在于，所述第一D触发器的置位引脚和D输入端通过第一上拉电阻连接VCC；

7.根据权利要求1所述的并网电流的控制装置，其特征在于，所述设定时间为1秒。