CN103424565A

CN103424565A - 一种风电变桨系统位置测量装置和方法

Info

Publication number: CN103424565A
Application number: CN2013103379284A
Authority: CN
Inventors: 李泰�; 曾庆军; 王祺翔; 候小燕; 李春华; 张懿; 赵黎
Original assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Current assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Priority date: 2013-08-06
Filing date: 2013-08-06
Publication date: 2013-12-04

Abstract

本发明涉及一种风电变桨系统位置测量装置和方法，所述装置包括基于FPGA的旋转变压器转角位置检测电路，监控变桨电机的速度与位置；变桨驱动器，控制变桨电机动作；变桨电机，调节对应风轮叶片角度；以及风力发电机组，包含三个风轮叶片。所述方法如下：FPGA产生的信号经励磁电压产生电路产生旋转变压器励磁电压，旋转变压器输出绕组电压经模数转换电路传送到FPGA进行变桨电机转角位置、速度的解算。将得到的计算数据发送给变桨驱动器，进而控制变桨电机动作，调节桨距角。本发明提高了测试装置的稳定性，可靠性，减小了电压的失真度，提高了测试装置的检测精度；FPGA的并行运算提高了装置的解码速度，代替了旋转变压器原有的专用解码芯片，节约了成本。

Description

一种风电变桨系统位置测量装置和方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种风电变桨系统位置测量装置和方法。

背景技术

随着能源危机和环境危机的日益加剧，可再生能源开发和利用受到人们越来越广泛的关注。风电在可再生能源中占据主导地位，风电技术的发展日趋成熟，与我国提倡的可持续发展的经济目标是一致的。

为了提高风能利用率，变桨距技术在风力发电上得到应用，变桨装置重要程度日益增加，风电变桨系统对控制精度的要求逐步提高，这就需要更加精密的监测装置来监控变桨电机的速度与位置。现有的风电变桨系统位置测量装置大多采用测速发电机加编码器或者单纯的旋转变压器，测速发电机的输出模拟信号抗干扰能力强，适应性好，但是测量精度差，且体积较大。旋转变压器其抗干扰能力强，可靠性好，耐冲击震动以及高温，但是其必须使用专有的解码芯片进行解码，成本高、运行速度较慢。

发明内容

鉴于上述现有技术的缺陷，本发明目的是提供一种新型监测精确稳定，适应性强的风电变桨系统测量装置和方法。

为解决上述技术问题，本发明将通过以下技术方案得以实现：

一种风电变桨系统位置测量装置，包括：

基于FPGA的旋转变压器转角位置检测电路，监测变桨电机的速度与位置；

变桨驱动器，与变桨电机相连接，控制变桨电机动作；

变桨电机，与风轮叶片对应连接，调节对应风轮叶片角度；

风轮叶片数量为三个，与风力发电机相连的风轮叶片沿水平轴方向旋转。

所述旋转变压器为正余弦旋转变压器。

所述基于FPGA的旋转变压器转角位置检测电路包括旋转变压器正余弦励磁电压产生电路和基于FPGA的旋转变压器解码电路；所述旋转变压器正余弦励磁电压产生电路：对FPGA产生的方波信号进行放大，经整形滤波后，输出标准正弦电压信号；正弦电压信号经功率放大后输出；所述基于FPGA的旋转变压器解码电路：上述电路输出信号输入到旋转变压器中，旋转变压器输出信号经模数转换后，将数据输送到FPGA中进行解码，再经异步串行模块将转子位置角发送到DSP模块。

所述风电变桨系统连接外部的供电电源，供电电源包括断电时备用的锂电池和超级电容混合电源。

所述风力发电机为水平轴风力发电机组。

一种风电变桨系统位置测量装置的检测方法，包括以下步骤：

将所述FPGA产生的方波信号经运算放大器放大后，通过多个整形滤波电路滤波产生一个标准正弦电压信号，所述标准正弦电压信号再经功率放大电路进行功率放大，输出作为旋转变压器励磁电压信号，旋转变压器经转角位置检测后输出模拟电压信号；通过FPGA采样中断程序，将旋转变压器输出的模拟电压信号进行模数转换，模拟电压信号转换为数字信号，将数字信号经FPGA采样、CORDIC解算得到变桨电机转角位置和速度；将计算所得的变桨电机转角位置、速度值发送到DSP，DSP控制变桨驱动器，变桨驱动器控制变桨电机动作，变桨电机调节桨距角。

与现有技术相比，本发明采用基于FPGA的旋转变压器转角位置检测电路作为风电变桨系统位置测量装置，采用正余弦励磁电压产生电路产生旋转变压器的正余弦励磁电压，提高了测试装置的稳定性，可靠性，减小了电压的失真度，提高了测试装置的检测精度；FPGA的并行运算提高了装置的解码速度，代替了原有的专用旋转变压器解码芯片，降低了成本。

附图说明

图1是本发明风电变桨系统结构示意图。

图2是本发明风电变桨系统转角位置测量流程图。

图3是本发明旋转变压器正余弦励磁电压产生电路图。

图4是本发明基于FPGA的旋转变压器解码装置结构图。

图3中：1、方波信号 2、运算放大器 3、整形滤波电路 4、功率放大电路。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种风电变桨系统位置测量装置，包括，基于FPGA旋转变压器转角位置检测电路，监控变桨电机的速度与位置；变桨驱动器，连接对应变桨电机，控制变桨电机动作；变桨电机，对应连接每个风轮叶片，调节该风轮叶片角度；风力发电机组，风轮叶片数量为三个；以及主控单元，连接和控制每个变桨驱动器。

风电变桨系统位置测量装置，用于监控变桨电机的速度和位置，以供变桨驱动器参考，控制变桨电机动作调整风轮叶片角度。本发明提供的旋转变压器转角位置检测电路是在一片FPGA上实现的。

同时本发明的技术方案还公开了电变桨系统位置测量方法，包括以下步骤：如图2所示，FPGA产生方波信号，经整形滤波及功率放大产生了励磁信号，作为旋转变压器的输入信号。旋转变压器输出绕组电压，经模数转换传送到FPGA的CORDIC算法解码模块进行解算，将计算所得的转角位置、速度值发送到DSP，DSP控制变桨驱动器，变桨驱动器控制变桨电机动作，变桨电机调节桨距角。

如图3所示，所述旋转变压器正余弦励磁电压产生电路采用FPGA内部的定时器定时产生一个中断信号和一个方波信号1，方波信号1必须通过整形滤波才能够得到一个标准的正弦电压信号。四个二阶有源RC低通滤波器级联构成整形滤波电路。方波信号1经运算放大器2放大后，再经过整形滤波电路3产生一个标准正弦电压信号，再经功率放大电路4进行功率放大输出。

如图4所示，基于FPGA的旋转变压器解码电路将输出的正余弦励磁电压如式（1）接入旋转变压器，输出旋转变压器绕组电压如式（2）和（3）。

\{\begin{matrix} E_{0} = E \sin wt - - - (1) \\ E_{\sin} = E \sin wt \sin θ - - - (2) \\ E_{\cos} = E \sin wt \cos - - - (3) \end{matrix}

FPGA的采样中断控制程序控制AD7862对旋转变压器的三路模拟信号进行数模转换，将模拟信号转换为数字信号，之后将数据传送到FPGA内部的硬件算法解码模块解算转子角位置、速度。所用的CORDIC算法迭代方程如式(4)、(5)、(6)。

\{\begin{matrix} x_{i + 1} = x_{i} - d_{i} y_{i} 2^{- i} - - - (4) \\ y_{i + 1} = y_{i} + d_{i} x_{i} 2^{- i} - - - (5) \\ z_{i + 1} = z_{i} - d_{i} \arctan (2^{- i}) - - - (6) \end{matrix}

其中，x、y为输入信号值，d_i为第i次旋转的旋转方向，由y_i控制，

d_{i} = - sgn (y_{i}) = \{\begin{matrix} - 1 & y > 0 \\ 1 & y < 0 \end{matrix},

y＞0为逆时针旋转，y＜0为顺时针旋转。

经过无数次迭代运算，得到最终结果如式(7)、（8)、(9)所示：

\{\begin{matrix} x_{n} = k_{n} \sqrt{x^{2} + y^{2}} - - - (7) \\ y_{n} &RightArrow; 0 - - - (8) \\ z_{n} \approx \arctan (\frac{y}{x}) - - - (9) \end{matrix}

旋转变压器输出信号进行象限修正和角度扩展处理，再使用迭代以及流水线方式解算输出值Z。角度扩展处理即将

[\begin{matrix} \frac{π}{4} & 2 π \end{matrix}]

通过相应的转换变化到了

[\begin{matrix} 0 & \frac{π}{4} \end{matrix}]

内，再将计算的到的角度值进行相应转换得到正确角度值。最后经异步串行模块将转子角位置、速度发送到DSP模块进行相应控制。

Claims

1.一种风电变桨系统位置测量装置，其特征在于包括：

变桨驱动器，与变桨电机相连接，控制变桨电机动作；

变桨电机，与风轮叶片对应连接，调节对应风轮叶片角度；

2.根据权利要求书1中所述的一种风电变桨系统位置测量装置，其特征在于：所述旋转变压器为正余弦旋转变压器。

3.根据权利要求书1中所述的一种风电变桨系统位置测量装置，其特征在于：所述基于FPGA的旋转变压器转角位置检测电路包括旋转变压器正余弦励磁电压产生电路和基于FPGA的旋转变压器解码电路；所述旋转变压器正余弦励磁电压产生电路：对FPGA产生的方波信号进行放大，经整形滤波后，输出标准正弦电压信号；正弦电压信号经功率放大后输出；所述基于FPGA的旋转变压器解码电路：上述电路输出信号输入到旋转变压器中，旋转变压器输出信号经模数转换后，将数据输送到FPGA中进行解码，再经异步串行模块将转子位置角发送到DSP模块。

4.根据权利要求书1中所述的一种风电变桨系统位置测量装置，其特征在于：所述风电变桨系统连接外部的供电电源，供电电源包括断电时备用的锂电池和超级电容混合电源。

5.根据权利要求书1中所述的一种风电变桨系统位置测量装置，其特征在于：所述风力发电机为水平轴风力发电机组。

6.一种基于权利要求1所述的一种风电变桨系统位置测量装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

将所述FPGA产生的方波信号（1）经运算放大器（2）放大后，通过多个整形滤波电路（3）滤波产生一个标准正弦电压信号，所述标准正弦电压信号再经功率放大电路（4）进行功率放大，输出作为旋转变压器励磁电压信号，旋转变压器经转角位置检测后输出模拟电压信号；通过FPGA采样中断程序，将旋转变压器输出的模拟电压信号进行模数转换，模拟电压信号转换为数字信号，将数字信号经FPGA采样、CORDIC解算得到变桨电机转角位置和速度；将计算所得的变桨电机转角位置、速度值发送到DSP，DSP控制变桨驱动器，变桨驱动器控制变桨电机动作，变桨电机调节桨距角。