CN111654060A - 一种风电试验平台变流器控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风电试验平台变流器控制系统，包括处理器、第一信号调理电路、第二信号调理电路、交流电压电流采样电路、第一DSP控制器、第二DSP控制器、第三信号调理电路、第一电平转换隔离输出电路、转子侧IPM驱动及保护电路、第二电平转换隔离输出电路、网侧IPM驱动及保护电路、用于检测电网电压、定子电流、转子电流及转子转速的第一检测系统、用于检测网侧PWM变流器交流侧电压及电流的第二检测系统、用于检测直流母线电压的交流电压电流采样电路，该系统能够使得风电试验平台变流器按照程序完成试验工作。

Description

一种风电试验平台变流器控制系统
技术领域
本发明属于风力发电领域，涉及一种风电试验平台变流器控制系统。
背景技术
进行科学研究，只进行理论分析以及计算机仿真是不全面的，为了充分验证仿真模型是否实用、软件功能是否正确，现实中往往需要搭建物理实验平台进行验证。对于风力发电机组的科学研究同样如此，但是现实中由于条件的限制，通常大多数的实验室不具备的风场机组运行环境，如何在实验室条件下搭建一套模拟实际风况下风力机系统成为目前风电研究者关心的问题。
基于以上原因，在实验室环境下设计了一套18KW双馈风力发电机组实验平台。该平台模拟实际风场环境机组运行特征，可以任意设定风速变化范围，进行风电机组相关实验研究。通过建立随机风速模型，以及依据风轮输出转矩特性的计算公式，利用西门子公司的PLC控制器控制伺服电机，模拟风轮机输出特性，然后通过传动链条带动风机低速轴转动，模拟风力机的实际运行；通过变流器控制双馈电机并网、发电过程；整个试验系统的由主控制器ARM控制，然而现有技术中没有公开各风电试验平台变流器的控制系统，不能使得变流器按照设定的程序完成试验工作。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种风电试验平台变流器控制系统，该系统能够使得风电试验平台变流器按照程序完成试验工作。
为达到上述目的，本发明所述的风电试验平台变流器控制系统包括处理器、第一信号调理电路、第二信号调理电路、交流电压电流采样电路、第一DSP控制器、第二DSP控制器、第三信号调理电路、第一电平转换隔离输出电路、转子侧IPM驱动及保护电路、第二电平转换隔离输出电路、网侧IPM驱动及保护电路、用于检测电网电压、定子电流、转子电流及转子转速的第一检测系统、用于检测网侧PWM变流器交流侧电压及电流的第二检测系统、用于检测直流母线电压的交流电压电流采样电路；
第一检测系统的输出端经第一信号调理电路与第一DSP控制器的输入端相连接，第二检测系统的输出端经第二信号调理电路与第二DSP控制器的输入端相连接，交流电压电流采样电路的输出端经第三信号调理电路与第二DSP控制器的输入端相连接，第一DSP控制器的输出端经第一电平转换隔离输出电路与转子侧IPM驱动及保护电路的控制端相连接，第二DSP控制器的输出端经第二电平转换隔离输出电路与网侧IPM驱动及保护电路的控制端相连接，第一DSP控制器与第二DSP控制器相连接，处理器与第一DSP控制器及第二DSP控制器相连接。
还包括开关量输入端、第一开关量输出端、第二开关量输出端及开关量输入隔离电路，其中，开关量输入端经开关量输入隔离电路与第一DSP控制器相连接，第一开关量输出端与第一DSP控制器相连接，第二开关量输出端与第二DSP控制器相连接。
第一DSP控制器与第二DSP控制器之间通过CAN总线相连接。
处理器通过CAN总线与第一DSP控制器及第二DSP控制器相连接。
第一DSP控制器及第二DSP控制器的型号均为TMS320F2812。
还包括用于对第一DSP控制器及第二DSP控制器进行供电的电源管理芯片TPS73HD301。
还包括用于为第一DSP控制器及第二DSP控制器提供时钟信号的晶振电路以及用于对第一DSP控制器及第二DSP控制器进行复位的复位电路。
还包括用于第一DSP控制器及第二DSP控制器与外界仿真器连接的JTAG接口以及用于检测变频器报警信号的温度刹车信号电路，其中，温度刹车信号电路与开关量输入端相连接。
第一电平转换隔离输出电路及第二电平转换隔离输出电路中的功率器件均为IGBT模块，所述IGBT模块的型号为FP75R12KE3，第一电平转换隔离输出电路中IGBT模块的温度输出端与第一DSP控制器相连接；第二电平转换隔离输出电路中IGBT模块的温度输出端与第二DSP控制器相连接。
还包括用于对IGBT模块进行过流保护的过流保护电路，变频器直流母线上设置有直流电压过压保护电路。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的风电试验平台变流器控制系统在具体操作时，第一DSP控制器通过第一检测系统采集电网电压、定子电压、转子电流及转子转速信息，根据采集到的电网电压、定子电压、转子电流及转子转速信息产生转子侧PWM逆变器脉冲信号，然后通过第一电平转换隔离输出电路进行电平转换及信号隔离处理后输入到转子侧IPM驱动及保护电路中；第二DSP控制器通过第二检测系统采集网侧PWM变换器交流侧电压及电流信息，再根据采集到的网侧PWM变换器交流侧电压及电流信息产生网侧PWM逆变器脉冲信号，然后进行电平转换处理及信号隔离处理后输入到网侧IPM驱动及保护电路中，继而使得风电试验平台变流器按照程序完成试验工作，操作方便、简单，实用性极强。
附图说明
图1为风电试验平台的结构示意图；
图2为本发明的结构示意图。
其中，1为第一检测系统、2为第一信号调理电路、3为第一DSP控制器、4为开关量输入端、5为开关量输入隔离电路、6为第二DSP控制器、7为第二检测系统、8为第二信号调理电路、9为交流电压电流采样电路、10为第三信号调理电路、11为第一电平转换隔离输出电路、12为转子侧IPM驱动及保护电路、13为第一开关量输出端、14为第二电平转换隔离输出电路、15为网侧IPM驱动及保护电路、16为第二开关量输出端。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图2，本发明所述的风电试验平台变流器控制系统包括处理器、第一信号调理电路2、第二信号调理电路8、交流电压电流采样电路9、第一DSP控制器3、第二DSP控制器6、第三信号调理电路10、第一电平转换隔离输出电路11、转子侧IPM驱动及保护电路12、第二电平转换隔离输出电路14、网侧IPM驱动及保护电路15、用于检测电网电压、定子电流、转子电流及转子转速的第一检测系统1、用于检测网侧PWM变流器交流侧电压及电流的第二检测系统7、用于检测直流母线电压的交流电压电流采样电路9；第一检测系统1的输出端经第一信号调理电路2与第一DSP控制器3的输入端相连接，第二检测系统7的输出端经第二信号调理电路8与第二DSP控制器6的输入端相连接，交流电压电流采样电路9的输出端经第三信号调理电路10与第二DSP控制器6的输入端相连接，第一DSP控制器3的输出端经第一电平转换隔离输出电路11与转子侧IPM驱动及保护电路12的控制端相连接，第二DSP控制器6的输出端经第二电平转换隔离输出电路14与网侧IPM驱动及保护电路15的控制端相连接，第一DSP控制器3与第二DSP控制器6相连接，处理器与第一DSP控制器3及第二DSP控制器6相连接。
本发明还包括开关量输入端4、第一开关量输出端13、第二开关量输出端16及开关量输入隔离电路5，其中，开关量输入端4经开关量输入隔离电路5与第一DSP控制器3相连接，第一开关量输出端13与第一DSP控制器3相连接，第二开关量输出端16与第二DSP控制器6相连接；第一DSP控制器3与第二DSP控制器6之间通过CAN总线相连接；处理器通过CAN总线与第一DSP控制器3及第二DSP控制器6相连接，通过处理器控制变频器的起、停、监控等。
第一DSP控制器3及第二DSP控制器6的型号均为TMS320F2812。
本发明还包括用于对第一DSP控制器3及第二DSP控制器6进行供电的电源管理芯片TPS73HD301，TPS73HD301不但能够提供第一DSP控制器3及第二DSP控制器6的电源，同时还提供第一DSP控制器3及第二DSP控制器6的上电复位信号，即在TPS73HD301上电时，会自动产生一个200ms的低电平复位脉冲，可靠地对第一DSP控制器3及第二DSP控制器6进行复位。
本发明还包括用于为第一DSP控制器3及第二DSP控制器6提供时钟信号的晶振电路以及用于对第一DSP控制器3及第二DSP控制器6进行复位的复位电路，上电复位主要完成DSP控制器内部所有重要状态机初始状态的配置，只有进行了正确的上电复位，DSP控制器才能进入正常运行状态。DSP控制器的上电复位时通过对其引脚/RS施加低电平来实现，晶振电路的时钟晶振选用30MHz。
本发明还包括用于第一DSP控制器3及第二DSP控制器6与外界仿真器连接的JTAG接口以及用于检测变频器报警信号的温度刹车信号电路，其中，温度刹车信号电路与开关量输入端4相连接，JTAG接口还可用来对DSP控制器内128K的Flash编程。温度、刹车信号是变频器报警信号，均为0/5V高低电平信号，将其送给DSP控制器时需要经过光电隔离处理和电平转换处理。
第一电平转换隔离输出电路11及第二电平转换隔离输出电路14中的功率器件均为IGBT模块，所述IGBT模块的型号为FP75R12KE3，其门极驱动电压典型值为±15V，而DSP控制器所提供的最大输出电压为3.3V，故控制器要想对IGBT模块控制就需要经过电平转换电路及门极隔离驱动电路，第一电平转换隔离输出电路11中IGBT模块的温度输出端与第一DSP控制器3相连接；第二电平转换隔离输出电路14中IGBT模块的温度输出端与第二DSP控制器6相连接，以防电流过大烧毁相关器件。
变频器直流母线上设置有直流电压过压保护电路，主要因为IGBT模块集射极耐压及承受反压能力有限，通常在重负荷时线电压小于340V，但是在用电低谷期线电压高达440V，如此大的电压波动范围，极有可能导致直流回路过压，因此必须设置直流电压过压保护电路。
本发明还包括用于对IGBT模块进行过流保护的直过流保护电路。IGBT模块虽然可以承受短时间的过流，但一旦超出安全区，则会永久地损坏，所以需要设置过流保护电路。
根据一般电压型变频器原理，直流母线电容一般用于滤除整流器交流成分和稳定逆变器供电电压。大功率IGBT模块必须采用低感吸收电路。需要说明的是，直流母线电容参数需要选取合适才能起到良好的变频效果，可以借鉴下式作为参考。
C＝0.2Io/(8f×ΔV)
其中，Io为直流母线输出电流；f为整流前，进线电源的频率；ΔV为允许的直流母线电压纹波峰峰值，例如，若想控制电压波动范围在0.5％左右，就将母线电压值乘以0.5％，该值越小，母线电压就越稳。
本发明的具体工作过程为：
第一检测系统1采集电网电压、定子电压、转子电流及转子转速信息，然后经第一信号调理电路2调理后输入到第一DSP控制器3中，第一DSP控制器3根据采集到的电网电压、定子电压、转子电流及转子转速信息产生转子侧PWM逆变器脉冲信号，然后将所述转子侧PWM逆变器脉冲信号经第一电平转换隔离输出电路11进行电平转换及信号隔离处理后输入到转子侧IPM驱动及保护电路12中；
第二检测系统7采集网侧PWM变换器交流侧电压及电流信息，再经第二信号调理电路8调理后输入到第二DSP控制器6中，第二DSP控制器6根据采集到的网侧PWM变换器交流侧电压及电流信息产生网侧PWM逆变器脉冲信号，然后将所述网侧PWM逆变器脉冲信号经第二电平转换隔离输出电路14进行电平转换处理及信号隔离处理后输入到网侧IPM驱动及保护电路15中。

Claims (10)

1.一种风电试验平台变流器控制系统，其特征在于，包括处理器、第一信号调理电路(2)、第二信号调理电路(8)、交流电压电流采样电路(9)、第一DSP控制器(3)、第二DSP控制器(6)、第三信号调理电路(10)、第一电平转换隔离输出电路(11)、转子侧IPM驱动及保护电路(12)、第二电平转换隔离输出电路(14)、网侧IPM驱动及保护电路(15)、用于检测电网电压、定子电流、转子电流及转子转速的第一检测系统(1)、用于检测网侧PWM变流器交流侧电压及电流的第二检测系统(7)、用于检测直流母线电压的交流电压电流采样电路(9)；
第一检测系统(1)的输出端经第一信号调理电路(2)与第一DSP控制器(3)的输入端相连接，第二检测系统(7)的输出端经第二信号调理电路(8)与第二DSP控制器(6)的输入端相连接，交流电压电流采样电路(9)的输出端经第三信号调理电路(10)与第二DSP控制器(6)的输入端相连接，第一DSP控制器(3)的输出端经第一电平转换隔离输出电路(11)与转子侧IPM驱动及保护电路(12)的控制端相连接，第二DSP控制器(6)的输出端经第二电平转换隔离输出电路(14)与网侧IPM驱动及保护电路(15)的控制端相连接，第一DSP控制器(3)与第二DSP控制器(6)相连接，处理器与第一DSP控制器(3)及第二DSP控制器(6)相连接。
2.根据权利要求1所述的风电试验平台变流器控制系统，其特征在于，还包括开关量输入端(4)、第一开关量输出端(13)、第二开关量输出端(16)及开关量输入隔离电路(5)，其中，开关量输入端(4)经开关量输入隔离电路(5)与第一DSP控制器(3)相连接，第一开关量输出端(13)与第一DSP控制器(3)相连接，第二开关量输出端(16)与第二DSP控制器(6)相连接。
3.根据权利要求1所述的风电试验平台变流器控制系统，其特征在于，第一DSP控制器(3)与第二DSP控制器(6)之间通过CAN总线相连接。
4.根据权利要求1所述的风电试验平台变流器控制系统，其特征在于，处理器通过CAN总线与第一DSP控制器(3)及第二DSP控制器(6)相连接。
5.根据权利要求1所述的风电试验平台变流器控制系统，其特征在于，第一DSP控制器(3)及第二DSP控制器(6)的型号均为TMS320F2812。
6.根据权利要求1所述的风电试验平台变流器控制系统，其特征在于，还包括用于对第一DSP控制器(3)及第二DSP控制器(6)进行供电的电源管理芯片TPS73HD301。
7.根据权利要求1所述的风电试验平台变流器控制系统，其特征在于，还包括用于为第一DSP控制器(3)及第二DSP控制器(6)提供时钟信号的晶振电路以及用于对第一DSP控制器(3)及第二DSP控制器(6)进行复位的复位电路。
8.根据权利要求1所述的风电试验平台变流器控制系统，其特征在于，还包括用于第一DSP控制器(3)及第二DSP控制器(6)与外界仿真器连接的JTAG接口以及用于检测变频器报警信号的温度刹车信号电路，其中，温度刹车信号电路与开关量输入端(4)相连接。
9.根据权利要求1所述的风电试验平台变流器控制系统，其特征在于，第一电平转换隔离输出电路(11)及第二电平转换隔离输出电路(14)中的功率器件均为IGBT模块，所述IGBT模块的型号为FP75R12KE3，第一电平转换隔离输出电路(11)中IGBT模块的温度输出端与第一DSP控制器(3)相连接；第二电平转换隔离输出电路(14)中IGBT模块的温度输出端与第二DSP控制器(6)相连接。
10.根据权利要求1所述的风电试验平台变流器控制系统，其特征在于，还包括用于对IGBT模块进行过流保护的过流保护电路，变频器直流母线上设置有直流电压过压保护电路。
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