CN107546830A - 一种基于dsp的一体化变桨控制的超级电容充电器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于DSP的一体化变桨控制的超级电容充电器，它包括整流器、DC‑DC变换器、电机驱动器、超级电容器、DSP控制器。本发明是基于DSP的基础上提出的一体化变桨控制器的超级电容充电器，采用一块DSP控制器对变桨电机和超级电容器进行控制，对超级电容器进行精确地充放电管理，提高了超级电容充电器的能量利用率，降低了成本。

Description

一种基于DSP的一体化变桨控制的超级电容充电器

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，尤其涉及一种用于风电的超级电容充电器。

背景技术

变桨控制系统是风力发电机组的重要组成部分，传统的电动变桨系统多采用蓄电池作为备用电源，但蓄电池存在充电时间长、循环寿命短，维护成本高等一系列弊端。而本发明中将超级电容器代替蓄电池作为风力变桨控制系统的备用电源，它可以显著延长备用电源的使用寿命、增强变桨系统的可靠性，乃至提高风力机的可靠性及发电利用时间。变桨电机与超级电容器分别使用不同的控制器控制电机驱动器和DC-DC变换器，则需要对其控制时钟信号进行同步，控制器之间需要相互通讯，将会占用大量通讯资源，使整个控制器结构也较为复杂，控制精度也不高。而采用一块DSP控制变桨电机和超级电容充电器能够更好地提高控制精度，减少通讯所占资源，可以有效地保证变桨在突然断电等突发情况下，保证桨叶的安全。

发明内容

本发明的目的是为了提出一种基于DSP的一体化变桨控制的超级电容充电器装置，采用一块DSP同时控制超级电容器以及变桨电机可以节约成本，提高控制精度，进一步保证风机出现故障时，超级电容器及时给变桨电机提供电源，使桨叶正常工作，保障变桨系统的可靠性。

本发明具体采用以下技术方案：

一种基于DSP的一体化变桨控制的超级电容充电器，包括整流器、DC-DC变换器、电机驱动器、超级电容器、DSP控制器；其特征在于：

所述整流器连接在电网和所述DC-DC变换器之间，所述DC-DC变换器连接在所述整流器和所述超级电容器之间，所述电机驱动器连接在所述整流器输出端和变桨电机之间，所述DSP控制器的输出与所述DC-DC变换器和所述电机驱动器相连接，用来控制所述DC-DC变换器和所述电机驱动器；

PLC控制器通过CAN通讯向所述DSP控制器发送变桨电机的使能信号、位置给定、速度信号以及超级电容器的标准电压值；

当实时监测到的直流母线电压信号高于设定阈值上限，以及实时监测到的超级电容器电压信号小于标准电压值时，则PLC控制器通过DSP控制器控制DC-DC变换器对超级电容器进行充电，采用恒定电流的充电方式对其进行充电，直到超级电容电压等于设定的标准值；

当实时监测到的直流母线电压信号低于设定阈值下限时，则超级电容器进行放电，所述DSP控制器立即向所述DC-DC变换器发出关断指令，所述超级电容器通过DC-DC变换器直接放电给所述直流母线，由超级电容器继续给所述变桨电机继续供电，以完成所述变桨电机的顺桨。

本发明进一步包括以下优选方案：

所述的DC-DC变换器包括可控功率管IGBT、第一二极管D_IGBT、第二二极管D_link、第三二极管D、串联电感L、滤波电容C_filter；可控功率管IGBT与第一二极管D_IGBT反并联，可控功率管IGBT的发射极E与第三二极管D的阴极相连接，串联电感L串联于滤波电容C_filter的正端和第三二极管D的阴极之间，第二二极管D_link的阴极与可控功率管IGBT的集电极C以及直流母线U_DC的正端相连接，第二二极管D_link的阳极与滤波电容C_filter的正端相连接，滤波电容C_filter的负端和第三二极管D的阳极以及直流母线U_DC的负端相连接，所述超级电容器SC并联于滤波电容C_filter两端，通过电流传感器实时监测充电电流的大小。

所述整流器和DC-DC变换器之间的直流母线的电压设定阈值上限为450v，直流母线的电压设定阈值下限为300v，所述超级电容器的标准高电压值为450v，所述超级电容器的标准低电压值为400v，所述超级电容器的标准电压值在标准高电压与标准低电压之间。

所述的DSP控制器包括模拟量输入端、PWM输出端、I/O端、第一输出缓冲电路、第二输出缓冲电路、第一信号调理电路、第二信号调理电路、光电耦合电路、CAN、收发电路；

其中变桨电机位置和转速信号、变桨电机电流信号通过第一信号调理电路接入到DSP控制器的模拟量输入端，所述直流母线电压信号、超级电容器的电压信号和充电电流信号通过第二信号调理电路接入到DSP控制器的模拟量输入端；

PWM输出端通过第一输出缓冲电路连接所述电机驱动器，控制变桨电机，通过第二输出缓冲电路连接所述DC-DC变换器的可控功率管IGBT，控制开关管的开通与关断；

I/O端口通过光电耦合隔离电路与外接接口数字输入端DI、数字输出端DO相连接；

CAN通过收发电路连接到PLC的CAN总线上。

所述DSP控制器根据第一信号调理电路接收到的电机位置和转速信号、电机电流信号，完成电机矢量控制算法，通过第一缓冲电路输出PWM，实现变桨系统的控制，根据第二信号调理电路接收到的超级电容器电压以及充电电流，通过电流控制环获得DC-DC变换器的控制信号，通过第二缓冲电路来控制DC-DC变换器闭合，从而实现对变桨电机以及超级电容器的控制。

本申请具有以下有益的效果：

采用本发明的超级电容充电器，对超级电容器进行了精确地充放电管理，保持稳定的充电电流对超级电容器进行充电。采用一块DSP控制器对变桨电机和超级电容器同时进行控制，提高了控制精度，可以有效地保证变桨在突然断电等突发情况下，能够保证桨叶的安全。同时DSP控制器对超级电容器以及电感电流进行实时检测，对超级电容器进行过压和过流保护，进一步提高了充电系统的稳定性。

附图说明

图1是本发明基于DSP的一体化变桨控制的超级电容充电器的结构框图；

图2是DC-DC转换器的主电路原理图；

图3是DSP控制器的接口示意图。

具体实施方式

下面根据说明书附图，对本发明的技术方案进一步详细说明。如图1所示，为一体化变桨控制的超级电容充电器模块框图。一体化变桨控制的超级电容充电器包括整流器、DC-DC变换器、电机驱动器、超级电容器、DSP控制器。所述DC-DC变换器串接于所述整流器部分与所述超级电容器之间，其开通与关断状态由所述DSP控制器控制。所述电机驱动器连接在所述整流器和变桨电机之间，所述DSP控制器的输出与所述DC-DC变换器和所述电机驱动器相连接。

PLC控制器通过所述CAN通讯向所述DSP控制器发送变桨电机的使能信号、位置信号、速度信号以及超级电容器的标准值。通过判断直流母线电压的大小来确定电网电压是否正常，如果直流母线电压高于设定阈值上限以及实时监测到的超级电容器电压信号小于标准值时，则启动超级电容器充电程序进行充电，所述DSP控制器通过CAN通讯接收PLC控制器下发的超级电容器标准电压的指令，所述DSP控制器根据采集到的超级电容器电压以及充电电流，利用电流环控制，最终得到所述DC-DC变换器的控制信号，控制开关管的导通与关断；当实时监测到的超级电容器电压信号小于标准低电压时，则采用恒定大电流对超级电容器进行恒流限压充电，控制电压，保证恒流输出，采用大电流以节省充电时间，保证高效率；当实时监测到的超级电容器电压信号大于标准低电压且小于超级电容器的标准电压时，则采用恒压浮充，小电流充电可以使超级电容器在断电瞬间的电压回落减小，有效地促进超级电容器内部电荷的均化过程，提高了实际充入超级电容器的内部的有效电量，更大程度上发挥超级电容器的容量。如果实时监测到的直流母线电压信号低于设定阈值下限时，则超级电容器进行放电，所述DSP控制器立即向所述DC-DC变换器发出关断指令，此时所述超级电容器会直接放电给所述直流母线，由超级电容器继续给所述变桨电机继续供电，以完成所述变桨电机的顺桨。

如图2所示为超级电容充电器的主电路原理图。所述的DC_DC变换器包括可控功率管IGBT、第一二极管D_IGBT、第二二极管D_link、第三二极管D、串联电感L、滤波电容C_filter。可控功率管IGBT与第一二极管D_IGBT反并联，可控功率管IGBT的发射极E与第三二极管D的阴极相连接，串联电感L串联于滤波电容C_filter的正端和第三二极管D的阴极之间，第二二极管D_link的阴极与可控功率管IGBT的集电极C以及直流母线U_DC的正端相连接，第二二极管D_link的阳极与滤波电容C_filter的正端相连接，滤波电容C_filter的负端和第三二极管D的阳极以及直流母线U_DC的负端相连接，所述超级电容器SC并联于滤波电容C_filter两端，通过电流传感器实时监测充电电流的大小，超级电容器直接通过所述第二二极管D_link进行放电。

所述直流母线的电压设定阈值上限为450v，直流母线的电压设定阈值下限为300v，所述超级电容器的标准高电压为450v，所述超级电容器的标准低电压为400v，所述超级电容器的标准电压值在标准高电压与标准低电压之间。

图3所示为DSP控制电路的原理框图，包括模拟量输入端、PWM输出端、I/O端、输出缓冲电路、信号调理电路、光电耦合电路、CAN、收发电路，其中变桨电机位置和转速信号、变桨电机电流信号通过第一信号调理电路接入到DSP控制器的模拟量输入端，所述直流母线电压信号、超级电容器的电压信号和充电电流信号通过第二信号调理电路接入到DSP控制器的模拟量输入端，PWM输出端通过第一输出缓冲电路连接所述电机驱动器，控制变桨电机，通过第二输出缓冲电路连接所述DC-DC变换器的可控功率管IGBT，控制开关管的开通与关断。I/O端口通过光电耦合隔离电路与外接接口数字输入端DI，数字输出端DO相连接，实现变桨系统逻辑控制与保护功能；CAN通过收发电路连接到PLC的CAN总线上，实现DSP控制器与PLC之间的通讯。

所述DSP控制器根据第一信号调理电路接收的变桨电机位置信号、电机电流信号，完成电机矢量控制算法，通过第一缓冲电路实现变桨系统的控制，根据第二信号调理电路接收到的超级电容器电压以及充电电流，通过电流控制环获得DC-DC变换器的控制信号，通过第二缓冲电路来控制DC-DC变换器闭合，从而实现对变桨电机以及超级电容器的控制。

以上所述仅为用以解释本发明的较佳实施例，并非企图据以对本发明做任何形式上的限制，因此，凡有在相同的创作精神下所作有关本发明的任何修饰或变更，皆仍应包括在本发明意图保护的范畴。

Claims (5)

1.一种基于DSP的一体化变桨控制的超级电容充电器，包括整流器、DC-DC变换器、电机驱动器、超级电容器、DSP控制器；其特征在于：

所述整流器连接在电网和所述DC-DC变换器之间，所述DC-DC变换器连接在所述整流器和所述超级电容器之间，所述电机驱动器连接在所述整流器输出端和变桨电机之间，所述DSP控制器的输出与所述DC-DC变换器和所述电机驱动器相连接，用来控制所述DC-DC变换器和所述电机驱动器；

PLC控制器通过CAN通讯向所述DSP控制器发送变桨电机的使能信号、位置给定、速度信号以及超级电容器的标准电压值；

当实时监测到的直流母线电压信号高于设定阈值上限，以及实时监测到的超级电容电压信号小于标准电压值时，则PLC控制器通过DSP控制器控制DC-DC变换器对超级电容器进行充电，采用恒定电流的充电方式对其进行充电，直到超级电容器电压等于设定的标准值；

当实时监测到的直流母线电压信号低于设定阈值下限时，则超级电容器进行放电，所述DSP控制器立即向所述DC-DC变换器发出关断指令，所述超级电容器通过DC-DC变换器直接放电给所述直流母线，由超级电容器继续给所述变桨电机继续供电，以完成所述变桨电机的顺桨。

2.根据权利要求1所述的基于DSP的一体化变桨控制的超级电容充电器，其特征是：

所述的DC-DC变换器包括可控功率管IGBT、第一二极管D_IGBT、第二二极管D_link、第三二极管D、串联电感L、滤波电容C_filter；可控功率管IGBT与第一二极管D_IGBT反并联，可控功率管IGBT的发射极E与第三二极管D的阴极相连接，串联电感L串联于滤波电容C_filter的正端和第三二极管D的阴极之间，第二二极管D_link的阴极与可控功率管IGBT的集电极C以及直流母线U_DC的正端相连接，第二二极管D_link的阳极与滤波电容C_filter的正端相连接，滤波电容C_filter的负端和第三二极管D的阳极以及直流母线U_DC的负端相连接，所述超级电容器SC并联于滤波电容C_filter两端，通过电流传感器实时监测充电电流的大小。

3.根据权利要求1所述的基于DSP的一体化变桨控制的超级电容充电器，其特征是：

所述整流器和DC-DC变换器之间的直流母线的电压设定阈值上限为450v，直流母线的电压设定阈值下限为300v，所述超级电容的标准高电压值为450v，所述超级电容器的标准低电压值为400v，所述超级电容器的标准电压值在标准高电压与标准低电压之间。

4.根据权利要求1所述的基于DSP的一体化变桨控制的超级电容充电器，其特征是：

所述的DSP控制器包括模拟量输入端、PWM输出端、I/O端、第一输出缓冲电路、第二输出缓冲电路、第一信号调理电路、第二信号调理电路、光电耦合电路、CAN、收发电路；

其中变桨电机位置和转速信号、变桨电机电流信号通过第一信号调理电路接入到DSP控制器的模拟量输入端，所述直流母线电压信号、超级电容器的电压信号和充电电流信号通过第二信号调理电路接入到DSP控制器的模拟量输入端；

PWM输出端通过第一输出缓冲电路连接所述电机驱动器，控制变桨电机，通过第二输出缓冲电路连接所述DC-DC变换器的可控功率管IGBT，控制开关管的开通与关断；

I/O端口通过光电耦合隔离电路与外接接口数字输入端DI、数字输出端DO相连接；

CAN通过收发电路连接到PLC的CAN总线上。

5.根据权利要求4所述的基于DSP的一体化变桨控制的超级电容充电器，其特征是：

所述DSP控制器根据第一信号调理电路接收到的电机位置和转速信号、电机电流信号，完成电机矢量控制算法，通过第一缓冲电路输出PWM，实现变桨系统的控制，根据第二信号调理电路接收到的超级电容器电压以及充电电流，通过电流控制环获得DC-DC变换器的控制信号，通过第二缓冲电路来控制DC-DC变换器闭合，从而实现对变桨电机以及超级电容器的控制。