CN204205923U - 风电变流控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种风电变流控制系统，该控制系统包括：母板；主控板，通过管脚插针固定在所述母板正面的管脚插座上；多个插件板，通过管脚插针固定在所述母板反面的管脚插座上。本实用新型解决了现有技术中无法对风电变流进行集中式的控制的技术问题，模块化的设计还可以最大程度地保证各个插件板电路的利用率，大大提高了硬件配置的灵活性和安全性，降低了复杂PCB板的布局难度的问题，缩短了产品二次开发的周期。

Description

风电变流控制系统

技术领域

本实用新型涉及电路控制技术领域，特别涉及一种风电变流控制系统。

背景技术

目前，对新能源的发电与并网主要通过变流器的控制来实现，新能源发电技术逐渐向机械部件简单化和电力电子控制部件复杂化的方向发展，从而对变流器的容量以及可靠性提出了更高的要求，并且交-直-交等变流器拓扑结构在变流器领域也得到了广泛的应用。

然而，如何对风电变流进行集中式的控制，目前尚未提出有效的解决方案。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种风电变流控制系统，以解决现有技术中无法对风电变流进行集中式的控制的技术问题，该控制系统包括：

母板；

主控板，通过管脚插针固定在所述母板正面的管脚插座上；

多个插件板，通过管脚插针固定在所述母板反面的管脚插座上。

在一个实施例中，所述主控板包括：一块DSP板和一块FPGA板，所述主控板通过两个96管脚插针可插拔地固定在所述母板正面的两个96管脚插座上。

在一个实施例中，所述96管脚的分布为3列，每列32个管脚插针，所述96管脚插座的分布为3列，每列32个管脚插孔。

在一个实施例中，所述主控板中的DSP芯片型号为TMS320F2812，FPGA芯片型号为EP4CE115F23C8。

在一个实施例中，所述插件板的大小为：220mm×145mm。

在一个实施例中，所述插件板的数量为11块，分别通过一个96管脚插针可插拔地固定在所述母板反面的一个96管脚插座上。

在一个实施例中，所述插件板包括以下至少之一：电源板、信号调理板、数字输入输出板、脉冲信号输入板、PWM板和保护板。

在一个实施例中，所述电源板用于为其它插件板供电；

所述信号调理板中的每路信号调理电路包括：依次相连的电压跟随电路、放大电路、偏置电路和RC滤波电路，用于传感器传输过来的模拟信号调整为适合AD采样的信号；

所述数字输入输出板中的数字输入电路包括：依次相连的TLP121光耦隔离电路、RC滤波电路和SN74CBTD3384DW电平转换芯片，所述数字输入输出板中的数字输出电路包括：依次相连的74LS244芯片和TLP127光耦隔离电路；

所述脉冲信号输入板包括：依次相连的TLP559光耦隔离电路、RC滤波器和74HC14N电平转换芯片，用于识别输入脉冲信号的电平跳变；

每块所述PWM板包括7路输出电路和2路输入电路，其中，所述7路输出电路中有6路输出PWM波形，1路采用HFBR-1522光纤发送器输出故障封锁信号，所述2路输入电路采用HFBR-2522光纤接收器输入外部故障信号；

所述保护板包括4路过量保护电路和1路相频测量电路，其中，所述过量保护电路用于将输入电气量和阈值进行比较后输出逻辑信号，再通过6n137芯片进行光耦隔离，所述相频测量电路用于将输入的交流信号转换为方波信号，并将所述方波信号输出至6n137光耦隔离电路进行光耦隔离。

在一个实施例中，所述电源板包括：一块AC/DC电路板和一块DC/DC电路板，其中，所述AC/DC电路板用于将交流电转换为直流电，输入至所述DC/DC电路板中，所述DC/DC电路板将所述直流电转换为其它插件板所需的电压。

在一个实施例中，所述信号调理板的个数为2n块，每块调理信号板包括8路调理信号，其中，n为大于等于2的整数。

在本实用新型实施例中，提供了一种风电变流控制系统，其中设置有母板、主控板和插件板，主控板和插件板都通过管脚插入母板的插座中形成了一个完整的模块化的控制系统，从而不仅能够实现对并网型风力发电机组、储能以及开关电源变流器的控制，解决了现有技术中无法对风电变流进行集中式的控制的技术问题，模块化的设计还可以最大程度地保证各个插件板电路的利用率，大大提高了硬件配置的灵活性和安全性，降低了复杂PCB板的布局难度的问题，缩短了产品二次开发的周期。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型的限定。在附图中：

图1是本实用新型实施例的风电变流控制系统的组成结构示意图。

图2是本实用新型实施例的母板正面接口图。

图3是本实用新型实施例的母板背面接口图。

图4是本实用新型实施例的插件板规格图。

图5是本实用新型实施例的电源板A的信号示意图。

图6是本实用新型实施例的电源板B的信号示意图。

图7是本实用新型实施例的信号调理板的信号示意图。

图8是本实用新型实施例的数字输入输出板的信号示意图。

图9是本实用新型实施例的脉冲信号输入板的信号示意图。

图10是本实用新型实施例的PWM板的信号示意图。

图11是本实用新型实施例的保护板的信号示意图。

图12是本实用新型实施例的整体信号示意图。

图13是本实用新型实施例的用于双馈风力发电机控制的示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本实用新型做进一步详细说明。在此，本实用新型的示意性实施方式及其说明用于解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。

在本例中，提供了一种风电变流控制系统，如图1所示，主要包括：

母板101；

主控板102，通过管脚插针固定在所述母板正面的管脚插座上；

多个插件板103，通过管脚插针固定在所述母板反面的管脚插座上。

即，提供了一种基于模块化设计的变流器控制系统，以将复杂电量信号处理电路进行模块化和通用化设计，将每个电量信号处理过程单独设计成模块化的PCB插件板，从而提高电路设计的简单性、配置的灵活性和使用的通用性。

如图1所示，主控板采用“DSP+FPGA”的设计方式，将DSP作为主处理器并与上位PC机通信，FPGA作为协处理器，将主控板的外围电路称为插件板，在本变流器控制系统中，可以设置11个插件板，为了便于信号的测量，将由传感器组成的电路设计为测量板，测量板的个数具体可由信号的多少决定。

在本例中，根据变流器控制系统的整体电路结构和处理信号的功能，对整个硬件平台进行了区域划分，主要包括上述的主控板、母板和多个插件板。

其中，主控板是具有DSP和FPGA芯片的双核主控板，DSP芯片型号可以选定为TMS320F2812，FPGA芯片的型号可以选定为EP4CE115F23C8，主控板可以通过两个96管脚插针固定在母板正面，其中，96管脚分布为3列，每列32管脚。母板规格为：83Δ×140mm(1Δ＝5.08mm)，正面有两个96管脚插座，背面有11个96管脚插座，母板在作为固定主控板和插件板的载体的同时，也作为信号转接的媒介，如图1所示，各信号从插件板输入，经过主控板计算和处理，再从插件板输出到变流器等外部电路。然而，值得注意的是，在本例所涉及的芯片型号、插件板的个数、管脚个数等，都是为了更好地说明本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定，还可以采用其它型号的芯片，或者是其它数量的插件板，其它数量的管脚。如图2所示是母板的正面接口图，有两个96管脚插座，主控板通过这两个插座固定在母板上。如图3所示是母板的背面接口图，有11个96管脚插座，对应11个插件板的固定位置。

在本例中，控制系统中可以设置11块插件板，如图4所示，各插件板规格可以设定为：220mm×145mm，分别通过单个96管脚插针插在母板的背面，其中，这11块插件板可以分为三个大类：电源类、模拟信号类以及数字信号类。下面对这三大类进行具体说明：

1)电源类的插件板

如图1所示，电源类的插件板有：电源板A和电源板B。进一步的，考虑到板载电源模块的大小和电压等级的不同，在本例中，将电源类的插件板分为：AC/DC电路板(电源板A)和DC/DC电路板(电源板B)，其中：

1-1)电源板A插件板可以采用宽电压输入(18V～36V)魏德米勒100W的AC/DC开关电源模块，选用交流EMC滤波器滤除谐波，将220V交流电转换成24V直流电，供电源板B转换；

具体的，如图5所示是电源板A的信号示意图，输入的是220V交流市电，先经过EMC滤波器滤除谐波，再经过宽输入的魏德米勒AC/DC开关电源，将220V交流电变为24V直流电，最后经RC滤波电路后输出给电源板B。

1-2)电源板B插件板可以使用宽电压输入的金升阳20W开关电源模块，将电源板A转换的24V直流电转换为三路电压：5V数字电源、±15V模拟电源、24V开关电源，为其它插件板供电，并可以选用磁珠作为直流滤波器滤除高频干扰。

具体的，如图6所示是电源板B的信号示意图，其输入是电源板A输出的24V直流电，经过EMC滤波器滤波后分别进入四路宽输入的金升阳开关电源模块，分别输出5V数字电源，+15V模拟电源，-15V模拟电源和24V开关电源，分别为各插件板供电。

2)模拟信号类的插件板

如图1所示，模拟信号类的插件板可以有：信号调理板A、信号调理板B、信号调理板C和信号调理板D，且这四块信号调理板的设计均一样，实际使用的时候，信号调理板的个数还可以是6块、8块等，只要是大于等于4的偶数就可以。

模拟信号类的插件板主要用于将传感器传输过来的模拟信号调整为适合AD采样的信号，因此称之为：信号调理板。其中，每块信号调理板均有8路信号调理电路，考虑到在本例中控制系统采样通道最多达到32路，因此需要4块信号调理板即可。每路信号调理电路由电压跟随电路、放大电路和偏置电路组成，使用RC电路进行滤波。

如图7所示是信号调理板的信号示意图，每块信号调理板均有8路信号调理电路。电流传感器测得的电流和电压传感器测得的电压作为信号输入，首先经过RC电路滤除谐波，再经过电压跟随电路、放大电路和偏置电路进行信号的调理，最后再经过RC滤波电路后输入给控制系统以进行AD采样。

3)数字信号类的插件板

如图1所示，数字信号类的插件板可以有：数字输入输出板、脉冲信号输入板、PWM板A、PWM板B以及保护板，其中：

3-1)数字输入输出板，是控制柜的数字信号输入输出口，主要是采集外部继电器开合的开关量，并输出控制开关开合的控制量，用于风机并网开关的控制中。在本例中，数字输入输出板可以分为：数字输入电路和输出电路两部分，其中，数字输入电路总共有8路，每路在输入口采用TLP121进行光耦隔离，再经RC滤波后将信号送入SN74CBTD3384DW电平转换芯片，最终将信号送入所述控制系统，数字输出电路总共有8路，每路输出信号先进入74LS244芯片，再通过TLP127光耦隔离后输出到外围电路。进一步的，数字输入输出板还可以作为PWM的外扩板，当控制柜PWM路数超过12路时，可以使用数字输入输出板另外增加8路。

如图8所示是数字输入输出板的信号示意图，其信号输入部分有8路信号输入电路，数字信号输入后经过RC电路滤波，然后通过光耦隔离后再经过RC滤波电路，最后经过SN74CBTD3384DW电平转换芯片处理后输入给控制系统。信号输出部分也有8路输出电路，其信号处理过程和输入过程相反，控制系统将要输出的信号先经过74LS244N芯片进行处理，然后依次经过RC滤波、光耦隔离和RC滤波后输出。

3-2)脉冲信号输入板，是一种快速的数字输入输出板，它能够快速识别输入脉冲信号的电平跳变，输入给控制系统进行捕获，一般用于电机光电码盘信号的输入，可以计算电机的转子转速以及转子位置。其中，脉冲信号输入板总共有8路输入口，每路输入口均采用RC滤波和TLP559光耦隔离，第1路和第2路互为备用，第3路和第4路互为备用，第5路和第6路互为备用，经过跳线选择互为备用中的一路，第7、8路无跳线，也就是控制系统最多能同时接收5路脉冲信号。经光耦隔离后的脉冲信号进入电平转换芯片74HC14N处理后进入控制系统。

如图9所示是脉冲信号输入板的信号示意图，其中，EXA和/EXA是一对互补信号，经过跳线进行选择，同样，EXB和/EXB是一对互补信号，EXZ和/EXZ是一对互补信号。每路输入电路均一样，输入信号依次通过RC滤波、光耦隔离和RC滤波后输入74HC14N芯片进行处理，最后输入控制系统。

3-3)PWM板，如图1所示，包括：PWM板A和PWM板B，两者设计是相同的，主要作用是作为输出PWM波驱动功率模块，每块PWM插件板有7路输出电路和2路输入电路，其中，7路输出电路中有6路是输出PWM波形，1路输出故障封锁信号，使用光纤发送器HFBR-1522将电信号转换成光信号，可以降低一次系统和二次控制系统之间的串扰。2路输入电路输入的是外部故障信号，用于对PWM输出模块的封锁，使用的是光纤接收器HFBR-2522。

如图10所示是PWM板的信号示意图，每块PWM板有6路PWM输出电路，控制系统将要输出的所有PWM信号先输入给74LS14N芯片，再由74LS14N芯片分别输送给6路电路，每路电路信号均是先通过光耦隔离，再输入光纤发射头，将电信号转换成光信号输出给变流器。

3-4)保护板，用于对整个控制系统的过压、过流进行保护，包括4路过量保护电路和1路相频测量电路，其中，过量保护电路将输入电气量和阈值进行比较后输出逻辑信号，再通过6n137芯片进行光耦隔离后输入控制系统，相频测量电路将输入交流信号变为方波信号，再经过6n137光耦隔离后输入控制系统，以供控制系统计算输入交流信号的频率。

如图11所示是保护板的信号示意图，保护板上有4路过量保护电路和1路相频测量电路，其中，每路过量保护电路输入的信号是三相电压或三相电流，经过过量保护模块后产生过量保护信号，过量保护信号经过光耦隔离后输入给控制系统。相频测量电路的输入信号是三相正弦电压，经过相频测量模块后三路正弦信号被处理为三路脉冲信号，每路脉冲信号均通过光耦隔离后输入给控制系统进行捕获和计算。

如图12所示是风电变流控制系统的整个信号处理的示意图，下面将以图12所示的风电变流控制系统控制如图13所示的DFIG风力发电机为例进行说明，包括：

1)DSP首先发出AD采样指令ADSTART给FPGA，FPGA发送指令给片外采样芯片AD7606，然后电压传感器LV25-P和电流传感器LA100-P分别采集机侧变流器电压电流值、网测变流器电压电流值和直流母线电压值，经过信号调理板后送入到主控板上片外采样芯片AD7606里进行AD转换，最后将转化的采样值送入FPGA中，FPGA再将采样值送入到DSP中，从而完成AD采样。

2)对于DFIG转子的转速、位置测量以及电网电压的频率测量，可以使用测频模块来完成。电机转子上安装有光电码盘，转子旋转时产生方波信号，由脉冲信号输入板采集后经由FPGA送入DSP，利用DSP捕获电路进行信号的捕获，并通过程序算出转子的转速和位置。测量电网电压的频率时，先将电压经过保护板的相频测量电路将正弦信号转变为方波信号，同样由脉冲信号输入板采集后送入FPGA，再送入DSP进行处理并算出频率。

3)DSP获得AD采样值后送入控制程序进行处理，控制程序首先对采样值进行坐标变换以实现解耦，再使用PI程序进行闭环调节以生成指令电压值，最后使用空间矢量脉宽调制SVPWM和DSP的时间管理器EV来生成相应的PWM波。生成的PWM波经由PWM板A和PWM板B转换处理，将电信号转化成光信号后分别驱动网测变流器和机侧变流器，实现DFIG风力发电机的控制。

4)控制系统保护板的输入信号是网测变流器和机侧变流器的电压、电流及直流母线电压，经由保护板上的保护电路来确定是否发生过压或过流的故障情况。如果发生故障，则保护板发出故障封锁信号给PWM板以封锁PWM的输出，同时发出故障封锁信号给DSP的时间管理器以关断PWM的产生。如果使用本控制柜控制单级变流器，则只需要使用一块PWM板，同时AD采样路数也相应减少，对于无需使用的插件板，可以直接从控制柜中拔出，不影响整个控制系统的运行，方便灵活。

在上述实施例中，该风电变流控制系统输出的PWM的路数不受DSP的固定资源的限制，可通过FPGA进行扩展，并且尽量在信号采集、保护、处理等方面提高兼容性、灵活性和通用性，该平台除了应用于风电变流实验以外，还可用于新能源发电、储能、开关电源等电力变换控制领域。此外，由于各功能电路单独设计，可以实现灵活配置与组合，也可用于与RTDS相连接构成数模混合仿真系统。

从以上的描述中，可以看出，本实用新型实施例实现了如下技术效果：提供了一种风电变流控制系统，其中设置有母板、主控板和插件板，主控板和插件板都通过管脚插入母板的插座中形成了一个完整的模块化的控制系统，从而不仅能够实现对并网型风力发电机组、储能以及开关电源变流器的控制，解决了现有技术中无法对风电变流进行集中式的控制的技术问题，模块化的设计还可以最大程度地保证各个插件板电路的利用率，大大提高了硬件配置的灵活性和安全性，降低了复杂PCB板的布局难度的问题，缩短了产品二次开发的周期。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型实施例可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种风电变流控制系统，其特征在于，包括：

母板；

主控板，通过管脚插针固定在所述母板正面的管脚插座上；

多个插件板，通过管脚插针固定在所述母板反面的管脚插座上。

2.如权利要求1所述的风电变流控制系统，其特征在于，所述主控板包含一块DSP芯片和一块FPGA芯片，所述主控板通过两个96管脚插针可插拔地固定在所述母板正面的两个96管脚插座上。

3.如权利要求2所述的风电变流控制系统，其特征在于，所述96管脚的分布为3列，每列32个管脚插针，所述96管脚插座的分布为3列，每列32个管脚插孔。

4.如权利要求2所述的风电变流控制系统，其特征在于，所述主控板中的DSP芯片型号为TMS320F2812，FPGA芯片型号为EP4CE115F23C8。

5.如权利要求1至4中任一项所述的风电变流控制系统，其特征在于，所述插件板的大小为：220mm×145mm。

6.如权利要求1至4中任一项所述的风电变流控制系统，其特征在于，所述插件板的数量为11块，分别通过一个96管脚插针可插拔地固定在所述母板反面的一个96管脚插座上。

7.如权利要求1至4中任一项所述的风电变流控制系统，其特征在于，所述插件板包括以下至少之一：电源板、信号调理板、数字输入输出板、脉冲信号输入板、PWM板和保护板。

8.如权利要求7所述的风电变流控制系统，其特征在于：

所述电源板用于为其它插件板供电；

所述信号调理板中的每路信号调理电路包括：依次相连的电压跟随电路、放大电路、偏置电路和RC滤波电路，用于传感器传输过来的模拟信号调整为适合AD采样的信号；

所述数字输入输出板中的数字输入电路包括：依次相连的TLP121光耦隔离电路、RC滤波电路和SN74CBTD3384DW电平转换芯片，所述数字输入输出板中的数字输出电路包括：依次相连的74LS244芯片和TLP127光耦隔离电路；

所述脉冲信号输入板包括：依次相连的TLP559光耦隔离电路、RC滤波器和74HC14N电平转换芯片，用于识别输入脉冲信号的电平跳变；

每块所述PWM板包括7路输出电路和2路输入电路，其中，所述7路输出电路中有6路输出PWM波形，1路采用HFBR-1522光纤发送器输出故障封锁信号，所述2路输入电路采用HFBR-2522光纤接收器输入外部故障信号；

所述保护板包括4路过量保护电路和1路相频测量电路，其中，所述过量保护电路用于将输入电气量和阈值进行比较后输出逻辑信号，再通过6n137芯片进行光耦隔离，所述相频测量电路用于将输入的交流信号转换为方波信号，并将所述方波信号输出至6n137光耦隔离电路进行光耦隔离。

9.如权利要求7所述的风电变流控制系统，其特征在于，所述电源板包括：一块AC/DC电路板和一块DC/DC电路板，其中，所述AC/DC电路板用于将交流电转换为直流电，输入至所述DC/DC电路板中，所述DC/DC电路板将所述直流电转换为其它插件板所需的电压。

10.如权利要求7所述的风电变流控制系统，其特征在于，所述信号调理板的个数为2n块，每块调理信号板包括8路调理信号，其中，n为大于等于2的整数。