CN202602162U - 一种基于plc控制架构的风电变流器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于PLC控制架构的风电变流器，包括排列在一起的并网柜、控制柜和变流柜，并网柜中安装有并网总开关，所述变流柜中安装有IGBT功率变换模块组，控制柜中安装有人机交互界面及与人机交互界面连接的PLC控制单元，所述PLC控制单元与并网总开关、IGBT功率变换模块组相连接，所述PLC控制单元包括PLC中央处理器模块及与PLC中央处理器模块连接的通讯模块、数字量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块、编码器输入模块、PWM调制输出模块。本实用新型提高了变流器控制模块的通用性，简化研发人员工作的复杂性；降低了风力发电变流器故障影响范围。

Description

一种基于PLC控制架构的风电变流器

技术领域

本实用新型涉及风电新能源技术领域，具体是一种基于PLC控制架构的风电变流器。

背景技术

随着风力发电设备在国内装机量的不断攀升以及风力发电机组设备容量的不断扩大，风力发电变流器的技术和要求的发展也在不断更新和提高。

变流器除了需要主电路部件(有整流、逆变、直流变换等)外，还需要有控制部分。控制部分接受来自风机主控系统的通讯信号；计算IGBT驱动信号脉冲并发送；控制发电机转矩；监测电网以及发电机实时参数；对变流器执行自我保护等等方面的功能。

变流器的控制系统对于变流器的运行起着至关重要的作用。目前国内主流风力发电变流器控制系统多采用嵌入式系统，由DSP+FPGA+外围采集控制系统等部件组成的构架来实现对风力发电变流器对各部件的控制和数据的采集和处理。嵌入式系统相对成本较低、针对性强、应用广泛，但是其通用性不高、不易维护、故障影响范围大。

发明内容

本实用新型提供一种基于PLC控制架构的风电变流器，提高了变流器控制模块的通用性，简化研发人员工作的复杂性；降低了风力发电变流器故障影响范围。

一种基于PLC控制架构的风电变流器，包括排列在一起的并网柜、控制柜和变流柜，并网柜中安装有并网总开关，所述变流柜中安装有IGBT功率变换模块组，控制柜中安装有人机交互界面及与人机交互界面连接的PLC控制单元，所述PLC控制单元与并网总开关、IGBT功率变换模块组相连接，所述PLC控制单元包括PLC中央处理器模块及与PLC中央处理器模块连接的通讯模块、数字量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块、编码器输入模块、PWM调制输出模块。

如上所述的基于PLC控制架构的风电变流器，所述PLC控制单元还包括供电电源模块，所述供电电源模块用于将工频交流电源转换为直流电源提供给PLC中央处理器模块、通讯模块、数字量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块、编码器输入模块、PWM调制输出模块。

如上所述的基于PLC控制架构的风电变流器，所述PWM调制输出模块用于将所述PLC中央处理器模块计算出的调制波信号转换为光信号发送给IGBT功率变换模块组的驱动板，IGBT驱动板通过接收到的光信号进行IGBT模块的通断控制。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型采用PLC控制架构，提高了变流器控制可靠性，采用广泛运用于恶劣环境和工业环境下的PLC模块，更能满足风力发电变流器在野外环境的工作状态；

2、提高了变流器控制模块的通用性，特别是与风力发电机组主控制系统可以采用同一开发平台，简化研发人员工作的复杂性；

3、降低风力发电变流器故障影响范围，在单一模块故障时，可以进行单一模块的检修和更换，加快运行、维护效率，降低维护成本；

4、采用标准PLC模块化设计，为生产、调试、贮存等方面的标准化、统一化提供支持；

5、PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。

附图说明

图1是本实用新型基于PLC控制架构的风电变流器的结构示意图；

图2是本实用新型PLC控制单元的电路框图。

图中：1-并网总开关，2-人机交互界面，3-PLC控制单元，4-IGBT功率变换模块组，31-供电电源模块，32-PLC中央处理器模块，33-通讯模块，34-数字量输入/输出模块，35-模拟量输入/输出模块，36-编码器输入模块，37-PWM调制输出模块。

具体实施方式

下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本实用新型基于PLC控制架构的风电变流器连接在风机发电机和电网之间，请参考图1，所述基于PLC控制架构的风电变流器包括排列在一起的并网柜、控制柜和变流柜，其中并网柜中安装有并网总开关1及断路器、接触器、互感器、熔断器等电路开关、保护元器件，主要负责变流器与电网相连，控制柜中安装有人机交互界面2及与人机交互界面2连接的PLC控制单元3，还有空气开关、温度传感器等元器件，负责变流器的控制和状态检测，所述变流柜中安装有IGBT功率变换模块组4、滤波器、电容器等大型功率器件，负责电能量的转换和控制。

请继续参考图2，所述PLC控制单元3包括供电电源模块31、PLC中央处理器模块32、通讯模块33、数字量输入/输出模块34、模拟量输入/输出模块35、编码器输入模块36、PWM调制输出模块37。

所述供电电源模块31，用于将工频交流电源转换为稳定的直流电源提供给各PLC模块组，即所述供电电源模块31将转换成的直流电源提供给PLC中央处理器模块32、通讯模块33、数字量输入/输出模块34、模拟量输入/输出模块35、编码器输入模块36、PWM调制输出模块37等，可以是串联的形式，也可以是图2所示的并行方式。

所述PLC中央处理器模块32是风力发电变流器控制系统的核心部分，通讯模块33、数字量输入/输出模块34、模拟量输入/输出模块35、编码器输入模块36、PWM调制输出模块37分别与所述PLC中央处理器模块32连接，变流器控制的核心算法、调制模式、温度控制、通讯反馈、硬件保护均由其控制和计算。本实用新型可将设计好的变流器控制程序灌入其存储器上，通过读取存储器上的程序进行计算来控制PWM调制输出模块37发送相应的光脉冲给IGBT功率变换模块组4进行电流控制，最终实现有功功率和无功功率的控制目的。

所述通讯模块33可以采用CANBus、Profibus、RS485、Ethernet等多种通讯协议，其主要负责与风力发电机组上位机(即风力发电机组主控系统)进行变流器基本状态、发电机机组状态、电网参数、功率要求等数据交换和开机、关机等控制信号的通讯。

所述数字量输入/输出模块34用于采集变流器各开关量信号的输入与输出，例如：并网断路器状态、并网接触器状态、散热风扇开关状态、加热器开关状态等，以实现对变流器的控制。

所述模拟量输入/输出模块35用于采集变流器各模拟量量信号的输入与输出，例如：电网电流、电网电压、发电机电流、发电机电压、温度信号、湿度信号等，以实现对变流器的控制。

所述编码器输入模块36用于采集发电机转速编码器的信号。编码器为绝对值编码器，每旋转一个角度将都只发送一个唯一的编码值给编码器接收模块，由编码器输入模块36将接收到的编码值发送给所述PLC中央处理器模块32。

所述PWM调制输出模块37用于将所述PLC中央处理器模块32计算出的调制波信号转换为光信号发送给IGBT功率变换模块组4的驱动板，IGBT驱动板通过接收到的光信号进行IGBT模块的通断控制，最终实现功率控制的功能。

所述PLC控制单元3安装在控制柜内，与各控制部件(例如并网总开关1、人机交互界面2、IGBT功率变换模块组4等等)相连接。通过所述PLC控制单元3的连接，变流器各传感器检测到的输入量通过数字量、模拟量输入模块接入，将电流、电压、频率、转速、有功功率、无功功率等数据传送给所述PLC中央处理器模块32进行处理和计算，再经过数字量、模拟量输出单元将开机、关机、充电等控制信号以及电流、电压、IGBT开关频率等数据传送至并网控制开关、加热控制开关、散热控制开关以及IGBT功率控制模块组等各个控制部件，完成整套控制逻辑，这样完成了整个风力发电变流器的整套功能。

风力发电变流器的主要功能就是控制风力发电机组：在并网时通过检测电网电压、频率进而控制风力发电机发出电压、电流、频率进行匹配，在冲击最小情况下进行并网，从而能够平稳减小风力发电机组并网对电网的冲击；在运行时能够根据风力发电机组主控制系统的要求，保证功率输出随风速变化而变化，并对有功功率和无功功率进行调节使输入电网的功率因数符合要求；在低电压穿越时保证风力发电机组在能源局标准的要求内正常运行不脱网。这些通过本实用新型的PLC中央处理器模块32的计算都能完满的实现。

不同于以往的基于嵌入式控制系统的变流器其结构一般为DSP作为中央计算处理单元，FPGA作为辅助处理单元，数字量输入与输出、模拟量输入与输出以及其他数据采集系统和控制信号均接入到PCB线路板接口上，本实用新型变流器的控制结构基于PLC控制系统，其中央计算单元由PLC中央处理器模块32的CPU单元全部完成，计算速度快，精度高，稳定性好；数字量输入与输出、模拟量输入与输出以及其他数据采集系统和控制信号接入对应信号模块，最终由编程软件完成逻辑功能定义，省去了接线逻辑的繁琐工作。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于PLC控制架构的风电变流器，包括排列在一起的并网柜、控制柜和变流柜，并网柜中安装有并网总开关(1)，所述变流柜中安装有IGBT功率变换模块组(4)，其特征在于：控制柜中安装有人机交互界面(2)及与人机交互界面(2)连接的PLC控制单元(3)，所述PLC控制单元(3)与并网总开关(1)、IGBT功率变换模块组(4)相连接，所述PLC控制单元(3)包括PLC中央处理器模块(32)及与PLC中央处理器模块(32)连接的通讯模块(33)、数字量输入/输出模块(34)、模拟量输入/输出模块(35)、编码器输入模块(36)、PWM调制输出模块(37)。

2.如权利要求1所述的基于PLC控制架构的风电变流器，其特征在于：所述PLC控制单元(3)还包括供电电源模块(31)，所述供电电源模块(31)用于将工频交流电源转换为直流电源提供给PLC中央处理器模块(32)、通讯模块(33)、数字量输入/输出模块(34)、模拟量输入/输出模块(35)、编码器输入模块(36)、PWM调制输出模块(37)。

3.如权利要求1所述的基于PLC控制架构的风电变流器，其特征在于：所述PWM调制输出模块(37)用于将所述PLC中央处理器模块(32)计算出的调制波信号转换为光信号发送给IGBT功率变换模块组(4)的驱动板，IGBT驱动板通过接收到的光信号进行IGBT模块的通断控制。

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