CN201956699U - 双馈风力发电机的变流装置控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种双馈风力发电机组的变流装置控制系统，属于风力发电领域，由可编程逻辑控制器PLC模块、触摸显示屏、网络接口模块、数据采集控制模块连接构成，可编程逻辑控制器PLC模块与触摸显示屏相连接，网络接口模块的一端与可编程逻辑控制器PLC模块相连接，该网络接口模块的另一端与风力发电机组控制及变桨系统相连接，该数据采集控制模块同时与网侧功率模块、转子侧功率模块相连接。本实用新型采用模块化设计，通过对各种转速信号、数字量信号、模拟信号的采集和分析处理实现了对电流内环及功率外环的双闭环控制，同时实现了数据的集中采集、故障预报及诊断等功能，具有网络接口丰富、抗干扰能力强、控制精度高、测量速度快和人机界面友好等特点。

Description

双馈风力发电机的变流装置控制系统

技术领域

本实用新型属于风力发电领域，尤其是一种双馈风力发电机的变流装置控制系统。

背景技术

目前，兆瓦级变速变桨双馈并网型风力发电机组代表了国内风电机组整机发展的主流方向，而双馈变流装置是兆瓦级双亏风电机组中的核心部件之一，是实现双馈式异步风力发电机组在风速大范围变化情况下的恒压恒频并网发电运行的重要组成部分。现有大功率双馈变流装置控制系统多采用双处理器或双数字信号处理器（DSP)架构，处理器间通过双口随机存取存储器（RAM）或串行通信方式连接，控制系统的各功能板平面布置，多采用分立元件的驱动板加绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块构成功率输出电路，功率变换电路与控制系统之间通过线路远距离连接。这种结构造成以下不足：1.双中央处理器（CPU）结构造成易出故障、协同控制复杂；2.各控制板抗电磁干扰能力差、连线复杂；3.分立元件构成的控制板或驱动板参数匹配困难、使用器件多、易出故障；4.过多的分立元件造成生产、调试、维护的高成本；5.缺乏网络接口，难以实现远程故障诊断和数据交换换，难以适应不同整机厂商接口要求；6.没有大容量的存储介质，不能长期保存测量数据，难以实现故障分析、预报。

发明内容

本实用新型的目的在于弥补现有技术不足，提出一种双馈风力发电机的变流装置控制系统，该变流装置控制系统采用模块化设计，具有网络接口丰富、抗干扰能力强、控制精度高、测量速度快的特点，实现了对电流内环及功率外环的双闭环控制，以及对数据的集中采集、故障预报及诊断功能。

本实用新型的双馈风力发电机的变流装置控制系统，是由可编程逻辑控制器PLC、触摸显示屏、网络接口模块、数据采集控制模块连接构成。可编程逻辑控制器PLC模块与触摸显示屏相连接，可编程逻辑控制器PLC模块与网络接口模块的一端相连接，该网络接口模块的另一端与风电机组控制及变桨系统相连接，可编程逻辑控制器PLC模块还与数据采集控制模块相连接，该数据采集控制模块同时与网侧功率模块、转子侧功率模块相连接。

作为本实用新型的进一步改进，所述的数据采集控制模块由数字信号处理器DSP与A/D转换模块、可编程逻辑控制器PLC接口模块、数字量信号输入输出模块、转速测量模块、脉冲宽度调制PWM模块、存储器模块相连接构成， A/D转换模块的输入端与模拟信号变换模块的的输出端相连接。

作为本实用新型的进一步改进，所述的可编程逻辑控制器PLC接口模块为控制器局域网络总线CAN接口模块、RS485通信接口模块、RS232通信接口模块中的一种或多种。

作为本实用新型的进一步改进，所述的模拟信号变换模块由定子线电压传感器、主电网线电压传感器、网侧逆变器相电流传感器、电网相电流传感器、直流母线电压传感器、转子电流传感器、电压信号调理电路、低通滤波电路、电流信号调理电路的连接构成，低通滤波器的输入端分别连接到定子线电压传感器、主电网线电压传感器、网侧逆变器相电路传感器、电网相电流传感器、转子电流传感器，电压信号调理电路和电流信号调理电路分别与低通滤波器的两个输出端相连接，电流信号调理电路和电压信号调理电路的输出端连接到A/D转换模块，该A/D转换模块为16位或32位多路并行模数转换器。

作为本实用新型的进一步改进，所述的数字量信号输入输出模块由数字量信号光电隔离电路、数字量信号整形滤波电路构成，数字量信号经数字量信号整形滤波电路及数字量信号光电隔离电路后与数字信号处理器DSP相连接，数字信号处理器DSP的输出信号经过数字量信号光电隔离电路后与网侧功率模块及转子侧功率模块相连接。

作为本实用新型的进一步改进，所述的转速测量模块由编码器驱动电路、编码器电压变换电路、编码器整形滤波电路、编码器光电隔离电路、编码器依次连接构成，发电机转子的转轴与编码器的输入端直接相连，数字信号处理器DSP的正交编码脉冲接口与编码器驱动电路的输出端相连接。

作为本实用新型的进一步改进，所述的脉冲宽度调制PWM模块由转子侧光电隔离电路、网侧光电隔离电路、可编程器件连接构成，数字信号处理器DSP及过流、过压保护信号分别与脉冲宽度调制PWM模块的两个输入端相连接，转子侧光电隔离电路、网侧光电隔离电路的输入端分别与脉冲宽度调制PWM模块的两个输出端相连接，转子侧功率模块、网侧功率模块通过光纤或其他通讯传输线缆分别与转子侧光电隔离电路、网侧光电隔离电路的输出端相连接。

作为本实用新型的进一步改进，所述的网路接口模块为传输控制协议/因特网互联协议模块、InterBus模块、DeviceNet模块、CANopen模块、Profibus模块、Sercos模块中的一种或多种。

作为本实用新型的进一步改进，所述的网侧功率模块、转子侧功率模块均为绝缘栅双极型晶体管模块。

本实用新型的积极效果和优点是：

1.本变流器装置控制器采用模块设计，其将可编程逻辑控制器PLC、触摸显示屏、复杂可编程逻辑器件CPLD、数字信号处理器DSP及存储器模块有机的地结合起来，通过各种数字量信号、模拟信号、转速信号的采集和分析处理实现了对电流内环及功率外环的双闭环控制，同时可以使用多种网络接口与风机控制及变桨系统进行远程数据交换，实现对数据的集中采集、故障预报和诊断等功能，具有控制方式灵活、数据记录准确、人机界面友好、维护简单的特点；

2.本变流装置控制系统采用32位浮点高速数字信号处理器DSP结合16位多路并行模数转换器的数据采集方式，避免了小信号采样时误差较大的的缺陷，易于实现发电机的PI多环路调节和矢量控制，可在全功率范围内实现精确、快速的控制，实现了发电机定子电压和电网电压的精确同步，降低了发电机并网时对电网的冲击，有效抑制谐波，提高输出电能的质量；

3.本变流控制装置的脉冲宽度调制PWM模块采用新一代可编程器件COLD，在数字信号处理器DSP的控制下能够精准控制脉冲宽度调制PWM脉冲，并结合过压、过流保护信号，能够有效、迅速地保护和控制功率模块；

4.本变流装置控制系统采用模块化设计，各个模块均采用插卡式结构并使用背板连接方式安装在标准的4U工控机箱内，减少了模块间的连接电缆，提高了可靠性，同时便于生产、调试和维修等；

5.本变流装置控制系统的网侧功率模块及转子侧功率模块与数据采集控制模块采用光纤或其他通讯传输线缆进行信号传输，使变流装置在断态电压临界上升率（dv/dt）和大通态电流临界上升率（di/dt）工况下稳定可靠工作；

6.本实用新型采用模块化设计，通过对各种数字量信号、模拟信号、转速信号的采集和分析处理，实现了对电流内环功及率外环的双闭环控制，同时实现了数据的集中采集、故障预报和诊断等功能，具有网络接口丰富、测量速度快、控制精度高、抗干扰能力强、人机界面友好等特点。

附图说明

图1是双馈风力发电机的变流装置控制系统的原理框图；

图2是模拟信号变换模块的原理框图；

图3是脉冲宽度调制(PWM)模块的原理框图；

图4是转速测量模块的眼里框图；

图5是数字量输入输出模块的原理框图；

图6是数据采集控制模块的原理框图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型实施例做进一步详述。

一种双馈风力发电机的变流装置控制系统，如图1中虚线所示，由数据采集控制模块、触摸显示屏、可编程逻辑控制器PLC模块、网络接口模块连接构成。触摸显示屏具有触摸输入及显示输出功能，时候用触摸显示屏能够实现参数输入、修改及各种信息的显示功能，可编程逻辑控制器PLC模块与触摸显示屏相连接，可编程逻辑控制器PLC模块与网络接口模块的一端相连接，发电机组控制及变桨系统与该网络接口模块的另一端相连接；数据采集控制模块还通过通信接口与可编程逻辑控制器PLC模块相连接，该数据采集控制模块输出端与网侧功率模块、转子侧功率模块相连接，在本实施例中，转子侧功率模块、网侧功率模块均采用绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块，为了减少电磁干扰，提高系统工作的可靠性、安全性，功率模块与数据采集控制模块间采用光纤或其他通讯传输线缆连接方式。数据采集控制模块用于采集各种传感器数据、数字量信号数据及转速等数据，并进行分析处理后输出给转子侧功率模块、网侧功率模块，同时，数据采集控制模块与可编程逻辑控制器PLC模块之间能够进行数据通信，实现控制命令数据的传输。

变流装置控制系统中的可编程逻辑控制器PLC模块使用的是处理程序的可编程逻辑控制器PLC器件及内嵌操作系统，数据采集控制模块与可编程逻辑控制器PLC模块一方面进行数据通信，利用无旋转部件的存储介质数及据库技术实时采集、存储、分析数据，另一方面，通过网络接口模块与风电机组控制和变桨系统进行远程数据交换，实现数据集中采集和故障预报、诊断。网络接口模块可以采用多种网络通信协议形式，例如采用传输控制协议/因特网互联协议（TCP/IP）、Profibus、CANopen、InterBus、DeviceNet、Sercos模块的一种或多种与风电机组控制及变桨系统联网通信。

数据采集控制模块中的模拟信号变换模块由电网相电流传感器、主电网线电压传感器、网侧逆变器相电路传感器、定子线电压传感器、转子电流传感器、电压信号调理电路、电流信号调理电路、低通滤波电路连接构成，如图2所示，主电网线电压传感器、电网相电流传感器、定子线电压传感器、网侧逆变器相电路传感器、转子电流传感器连接到低通滤波器的输入端低通滤波器的两个输出端分别与电压信号调理电路和电流信号调理电路相连接，电压信号调理电路和电流信号调理电路的输出端连接到模拟/数字转换（A/D）模块。各电压传感器及电流传感器信号进行低通滤波处理后，分别进入电流信号调理电路和电压信号调理电路，经调理输出的信号能满足模拟/数字转换（A/D）模块的量程范围。模拟/数字转换（A/D）模块采用的是16位多路并行模数转换器，主要作用是将调理电路输出的模拟信号转换为数字信号，转换后的数字信号被送入数字信号处理器DSP中。数字信号处理器DSP对采样后的主电网线电压UL12、UL23，电网线电流IL1、IL2、IL3信号进行abc_to_dq0变换，计算有功功率（P）和无功功率（Q）。有功功率和无功功率给定值由风机的控制系统提供，有功功率（P）值和功功率（Q）值送入功率控制环参与P*值和Q*值比较，差值经功率调节器（PI）运算，输出定子电流有功分量及无功分量的参考值，通过计算可得到转子电流的有功分量和无功分量参考值i*d2和i*q2。转子相电流IR1、IR2和IR3经过abc_to_dq0变换与参考值i*q2和i*d2比较后，差值送入电流调节器，调节后输出电压分量ud2和uq2，该信号经过dq0_to_abc变换得到发电机转子三项控制电压，该电压信号经脉冲宽度调制PWM模块送至转子侧功率模块和网侧功率模块，实现电流内环功及率外环的双闭环控制。

PMW脉冲调制模块由转子侧光电隔离电路、复杂可编程逻辑器件CPLD、网侧光电隔离电路连接构成，如图3所示，脉冲宽度调制PWM模块的两个输入端分别与数字信号处理器DSP和过流、过压保护信号相连接，转子侧光电隔离电路、网侧光电隔离电路的输入端分别与脉冲宽度调制PWM模块的两个输出端相连接，转子侧功率模块、网侧功率模块分别与转子侧光电隔离电路、网侧光电隔离电路的输出端相连接，复杂可编程逻辑器件CPLD能够将数字信号处理器DSP输出的脉冲宽度调制PWM脉冲信号与过压、过流保护信号进行综合性处理，经网侧光电隔离电路、转子侧光电隔离电路后分别经光纤或其他通讯传输线缆输出至网侧功率模块、转子侧功率模块。

由编码器光电隔离电路、编码器整形滤波电路、编码器电压变换电路、编码器驱动电路、编码器依次连接构成转速测量模块，如图4所示，数字信号处理器DSP的正交编码脉冲接口电路输入端与编码器驱动电路的输出端相连接，发电机转子的转轴与编码器直接相连，编码器输出的脉冲信号经过光电隔离后进行整形滤波，滤除干扰信号，经过编码器电压变换电路转换成中央处理器（CPU）模块能够接受的电平，再经过编码器驱动电路送到数字信号处理器DSP的正交编码脉冲接口电路，测量发电机转子的转速与位置。

由数字量信号光电隔离电路、数字量信号整形滤波电路构成数字量信号输入输出模块，如图5所示，数字量信号经数字量信号整形滤波电路和数字量信号光电隔离电路后与数字信号处理器DSP相连接，数字信号处理器DSP的输出信号经数字量信号光电隔离电路后与网侧功率模块及转子侧功率模块相连接。数字量信号主要为停止、启动等开关信号，上述数字量信号经数字量信号光电隔离电路后进入数字信号处理器DSP，数字信号处理器DSP分析处理后将控制信号通过数字量信号光电隔离电路输出至网侧功率模块及转子侧功率模块，实现对网侧功率模及块转子侧功率模块的控制。

变流装置控制系统中的数据采集控制模块采用的是以32位浮点数字信号处理器DSP为核心的标准的4U工控机箱。如图6所示，数据采集控制模块由数字信号处理器DSP与模拟/数字转换（A/D）模块、数字量信号输入输出模块、可编程逻辑控制器PLC接口模块、 脉冲宽度调制PWM模块、转速测量模块、存储器模块连接构成，其中模拟/数字转换（A/D）模块的输出端相连接。数字信号处理器DSP采用32位浮点数字信号处理器DSP，主要完成模拟/数字转换（A/D）采样、运算和控制，是整个控制器的核心，数字信号处理器DSP分别通过模拟/数字转换（A/D）模块、数字量信号输入输出模块、模拟信号变换模块及转速测量模块采集各种数字量信号、模拟信号、发电机转子的转速和位置，经分析处理后由脉冲宽度调制PWM模块送至转子侧功率模块和网侧功率模块实现电流内环及功率外环的双闭环控制。数字信号处理器DSP还能够将分析处理后的数据通过可编程逻辑控制器PLC接口模块与可编程逻辑控制器PLC模块进行数据传输，该可编程逻辑控制器PLC接口模块可以采用RS485、RS232或控制器局域网络总线（CAN）模块方式与可编程逻辑控制器PLC模块相连接，数字信号处理器DSP分析处理后的数据也可以存储到存储器模块中。

Claims (9)

1.双馈风力发电机的变流装置控制系统，其特征是由可编程逻辑控制器PLC、触摸显示屏、网络接口模块、数据采集控制模块连接构成，可编程逻辑控制器PLC模块与触摸显示屏相连接，可编程逻辑控制器PLC模块与网络接口模块的一端相连接，该网络接口模块的另一端与风电机组控制及变桨系统相连接，可编程逻辑控制器PLC模块还与数据采集控制模块相连接，该数据采集控制模块同时与网侧功率模块、转子侧功率模块相连接。

2.如权利要求1所述的双馈风力发电机的变流装置控制系统，其特征在于所述的数据采集控制模块由数字信号处理器DSP与A/D转换模块、可编程逻辑控制器PLC接口模块、数字量信号输入输出模块、转速测量模块、脉冲宽度调制PWM模块、存储器模块相连接构成， A/D转换模块的输入端与模拟信号变换模块的的输出端相连接。

3.如权利要求2所述的双馈风力发电机的变流装置控制系统，其特征在于所述的可编程逻辑控制器PLC接口模块为控制器局域网络总线CAN接口模块、RS485通信接口模块、RS232通信接口模块中的一种或多种。

4.如权利要求2所述的双馈风力发电机的变流装置控制系统，其特征在于所述的模拟信号变换模块由定子线电压传感器、主电网线电压传感器、网侧逆变器相电流传感器、电网相电流传感器、直流母线电压传感器、转子电流传感器、电压信号调理电路、低通滤波电路、电流信号调理电路的连接构成，低通滤波器的输入端分别连接到定子线电压传感器、主电网线电压传感器、网侧逆变器相电路传感器、电网相电流传感器、转子电流传感器，电压信号调理电路和电流信号调理电路分别与低通滤波器的两个输出端相连接，电流信号调理电路和电压信号调理电路的输出端连接到A/D转换模块，该A/D转换模块为16位或32位多路并行模数转换器。

5.如权利要求2所述的双馈风力发电机的变流装置控制系统，其特征在于所述的数字量信号输入输出模块由数字量信号光电隔离电路、数字量信号整形滤波电路构成，数字量信号经数字量信号整形滤波电路及数字量信号光电隔离电路后与数字信号处理器DSP相连接，数字信号处理器DSP的输出信号经过数字量信号光电隔离电路后与网侧功率模块及转子侧功率模块相连接。

6.如权利要求2所述的双馈风力发电机的变流装置控制系统，其特征在于所述的转速测量模块由编码器驱动电路、编码器电压变换电路、编码器整形滤波电路、编码器光电隔离电路、编码器依次连接构成，发电机转子的转轴与编码器的输入端直接相连，数字信号处理器DSP的正交编码脉冲接口与编码器驱动电路的输出端相连接。

7.如权利要求2所述的双馈风力发电机的变流装置控制系统，其特征在于所述的脉冲宽度调制PWM模块由转子侧光电隔离电路、网侧光电隔离电路、可编程器件连接构成，数字信号处理器DSP及过流、过压保护信号分别与脉冲宽度调制PWM模块的两个输入端相连接，转子侧光电隔离电路、网侧光电隔离电路的输入端分别与脉冲宽度调制PWM模块的两个输出端相连接，转子侧功率模块、网侧功率模块通过光纤或其他通讯传输线缆分别与转子侧光电隔离电路、网侧光电隔离电路的输出端相连接。

8.如权利要求1所述的双馈风力发电机的变流装置控制系统，其特征在于所述的网络接口模块为传输控制协议/因特网互联协议模块、InterBus模块、DeviceNet模块、CANopen模块、Profibus模块、Sercos模块中的一种或多种。

9.如权利要求1或5所述的双馈风力发电机的变流装置控制系统，其特征在于所述的网侧功率模块、转子侧功率模块均为绝缘栅双极型晶体管模块。

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