專利名稱：雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，尤其涉及該雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī) 組中的變換器。
背景技術(shù)：
風(fēng)能是一種清潔環(huán)保的可再生能源，也是解決能源問(wèn)題的重要手段之 一。近年來(lái)，風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展不斷超越其預(yù)期的發(fā)展速度， 一直保持著世 界增長(zhǎng)最快能源的地位。隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，為了進(jìn)一步降低風(fēng)電成本， 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組逐步朝著單臺(tái)大容量方向發(fā)展。
雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常由葉片、風(fēng)力機(jī)、齒輪箱、傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、 變換器、偏航系統(tǒng)、變槳距系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)和主控制系統(tǒng)等部分組成。 葉片、風(fēng)力機(jī)的作用是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)，由齒輪箱增 速，將機(jī)械能傳遞給發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)采用雙饋異步發(fā)電機(jī)，通過(guò)變換器對(duì) 發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)電流的控制從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能向 電能的轉(zhuǎn)換，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)的變速恒頻控制。機(jī)艙與塔架之間安 裝有偏航系統(tǒng)，使機(jī)艙對(duì)準(zhǔn)來(lái)風(fēng)的方向。變槳距系統(tǒng)通常在風(fēng)速超過(guò)額定 值時(shí)，對(duì)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出功率進(jìn)行控制，保證系統(tǒng)機(jī)械和電氣安全。主 控制系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的"大腦"，由它自動(dòng)完成機(jī)組的所有工作過(guò)程， 并提供人機(jī)接口和遠(yuǎn)程監(jiān)控的接口 。
由此可見(jiàn)，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是一個(gè)十分復(fù)雜的系統(tǒng)。在整個(gè)雙饋風(fēng) 力發(fā)電機(jī)組當(dāng)中，風(fēng)電系統(tǒng)的變換器是其中的一個(gè)非常關(guān)鍵的技術(shù)，也是 雙饋風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)核心之一。兩電平電壓型雙PWM變換器是由兩個(gè)完全相同的兩電平電壓型三相P麗 變換器通過(guò)直流母線連接而成，其英文名稱為Back-to-Back PMW Converter由于在變速恒頻交流勵(lì)磁雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，兩 個(gè)PWM變換器的工作狀態(tài)經(jīng)常變換，通常不再以它們工作于整流或者逆變 的狀態(tài)來(lái)區(qū)分它們，而是按照它們的位置分別稱之為網(wǎng)側(cè)變換器和轉(zhuǎn)子側(cè) 變換器，如圖l所示。
在硬件主電路設(shè)計(jì)方面，在網(wǎng)側(cè)變換器前，用于電容充電的Boost電感 被設(shè)計(jì)成T型諧振式濾波器結(jié)構(gòu)，濾波電容對(duì)基波同時(shí)起無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔谩?br> 在轉(zhuǎn)子側(cè)變換器后，裝有"^4濾波器，用于濾除開(kāi)關(guān)頻率附件的電壓諧波。 另外，轉(zhuǎn)子側(cè)設(shè)計(jì)有雙向可控硅控制投切的兩相電感(Crowbar)裝置，在 轉(zhuǎn)子側(cè)加裝的Crowbar裝置能保護(hù)直流側(cè)電容、防止直流側(cè)電壓過(guò)高而擊 穿電容，且可用于實(shí)現(xiàn)外部短路時(shí)的低電壓穿透，保證定子側(cè)短時(shí)低電壓 狀態(tài)下機(jī)組不脫網(wǎng)，持續(xù)運(yùn)行，提高機(jī)組運(yùn)行的可靠性。直流電容裝有預(yù) 充電回路，用于機(jī)組啟動(dòng)時(shí)的直流電容預(yù)充電。
而在軟件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，這兩個(gè)PWM變換器各司其職。其中，網(wǎng) 側(cè)變換器的任務(wù)主要有兩個(gè)， 一是保證其良好的輸入特性，即輸入電流的 波形接近正弦，諧波含量少，功率因數(shù)符合要求。因?yàn)槔碚撋暇W(wǎng)側(cè)變換器 可獲得任意可調(diào)的功率因數(shù)，這也為整個(gè)系統(tǒng)的功率因數(shù)控制提供了一個(gè) 途徑；二是保證直流母線電壓的穩(wěn)定，直流母線電壓的穩(wěn)定是兩個(gè)變換器 正常工作的前提，而這可以通過(guò)對(duì)輸入電流的有效控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。
在變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，由于追蹤最大風(fēng)能的需 要，機(jī)組的轉(zhuǎn)速時(shí)刻處于變化之中，為DFIG提供轉(zhuǎn)差功率的轉(zhuǎn)子側(cè)變換器 輸入的功率也不斷變化。對(duì)于電網(wǎng)側(cè)P麗變換器而言，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器是一 個(gè)時(shí)變的負(fù)載，在某些情況下，可能出現(xiàn)由吸收較大功率到回饋較大功率 的負(fù)載劇烈變化，而負(fù)載的變化會(huì)引起直流側(cè)母線電壓的波動(dòng)，從而影響兩個(gè)P麗變換器的運(yùn)行性能，進(jìn)而影響到整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的性能與安全運(yùn)行。 為了進(jìn)一步提高電網(wǎng)側(cè)變換器的抗負(fù)載擾動(dòng)能力，滿足變速恒頻雙饋風(fēng)力 發(fā)電對(duì)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的要求。在電網(wǎng)側(cè)控制系統(tǒng)中， 一般采用電壓、電流 雙閉環(huán)的控制策略，可以有效地提高電網(wǎng)側(cè)P麗變換器抗負(fù)載擾動(dòng)的性能， 保證直流母線電壓的穩(wěn)定。
在雙P麗變換器中，網(wǎng)側(cè)變換器的功能是控制直流母線電壓的穩(wěn)定和
獲得良好的輸入性能，不直接參與對(duì)DFIG乃至整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的控制。DFIG 及整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制都是通過(guò)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的作用也分為兩個(gè)方面， 一是給DFIG的轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁分 量的電流，從而可以調(diào)節(jié)DFIG定子側(cè)所發(fā)出的無(wú)功功率；二是通過(guò)控制DFIG 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩分量的電流控制DFIG定子側(cè)所發(fā)出的有功功率，從而使得DFIG 運(yùn)行在風(fēng)力機(jī)的最佳功率曲線上。
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)DFIG有功、無(wú)功功率進(jìn)行有效的控制，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的控 制以DFIG的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用功率、電流雙閉環(huán)，并對(duì)轉(zhuǎn) 子電流的轉(zhuǎn)矩分量與勵(lì)磁分量進(jìn)行解耦，通過(guò)控制轉(zhuǎn)子電流的轉(zhuǎn)矩分量與 勵(lì)磁分量來(lái)實(shí)現(xiàn)DFIG的有功和無(wú)功功率的有效解耦控制，從而實(shí)現(xiàn)變速恒 頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的兩個(gè)目標(biāo)最大風(fēng)能跟蹤和無(wú)功功率調(diào)節(jié)。
由此可見(jiàn)，變換器中的控制板是變換器的大腦，變換器的功能將由它 來(lái)實(shí)現(xiàn)。
由圖1可見(jiàn) 一般的變換器控制板主要由兩塊DSP構(gòu)成，其中DSP1 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)PWM變換器的主要功能即保持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定、輸入電流正 弦和控制輸入功率因數(shù)；而DSP2則實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的主要功能通過(guò)對(duì) 雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流控制以達(dá)到最大風(fēng)能跟蹤的功能?？刂瓢迨紫韧ㄟ^(guò)AD 信號(hào)采集模塊對(duì)電壓、電流信號(hào)進(jìn)行AD采樣，以及DI/DO模塊對(duì)一些數(shù) 字量輸入進(jìn)行采集，控制系統(tǒng)模塊DSP1/2在得到這些數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)字濾波
5和數(shù)字量處理，處理完得到的數(shù)據(jù)用于算法計(jì)算，完成相應(yīng)的控制算法，
其中， 一些例如斷路器開(kāi)、關(guān)等控制量輸出再返回給DI/DO模塊從而實(shí)現(xiàn) 數(shù)字量輸出，同時(shí)，DSP模塊也生成PWM脈沖分別通過(guò)對(duì)IPM的導(dǎo)通和 關(guān)斷的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)變換器和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的功能。而DSP1/2對(duì)一些外 設(shè)的管理可通過(guò)CAN總線或以太網(wǎng)完成。另外，還需要在這兩塊DSP之 間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。雖然這種方法有效地實(shí) 現(xiàn)了變換器的控制功能，但是存在以下兩個(gè)缺點(diǎn)-
1) 雙DSP的成本相對(duì)較高。
2) 雙DSP之間的通訊相對(duì)比較復(fù)雜。 發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型需要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供了一種雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的 變換器，旨在解決上述的問(wèn)題。
為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
本實(shí)用新型包括 一塊DSP控制板；還包括FPGA模塊；所述FPGA 模塊中的數(shù)字濾波模塊連接對(duì)電壓、電流信號(hào)進(jìn)行AD采樣的AD信號(hào)采集 模塊，F(xiàn)PGA模塊中的數(shù)字量處理模塊連接對(duì)一些數(shù)字量輸入進(jìn)行采集的 DI/DO模塊；所述數(shù)字量處理模塊和數(shù)字濾波模塊通過(guò)FPGA模塊中的數(shù) 據(jù)交互模塊與DSP控制板進(jìn)行雙向連接；FPGA模塊中的網(wǎng)側(cè)P麗輸出模 塊和轉(zhuǎn)子側(cè)P麗輸出模塊分別與網(wǎng)側(cè)變換器和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器相連。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是用一塊FPGA代替了一 塊DSP。由于FPGA比DSP價(jià)格便宜很多，這樣在產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中，就可以 節(jié)約大量的成本，有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力；另外FPGA作為DSP的從設(shè)備，與DSP 通訊方便快速。除此之外，由于FPGA具有320個(gè)引腳，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、 數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片、SD—CARD、 10M/100M乙太網(wǎng)接口、 CAN控制器等外設(shè)都 可以直接接在FPGA上，使控制板功能更加強(qiáng)大。

圖1是現(xiàn)有技術(shù)中變換器模塊圖； 圖2是本實(shí)用新型模塊圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述 由圖2可見(jiàn)本實(shí)用新型包括 一塊DSP控制板；還包括FPGA模 塊；所述FPGA模塊中的數(shù)字濾波模塊連接對(duì)電壓、電流信號(hào)進(jìn)行AD采 樣的AD信號(hào)采集模塊，F(xiàn)PGA模塊中的數(shù)字量處理模塊連接對(duì)一些數(shù)字量 輸入進(jìn)行采集的DI/DO模塊；所述數(shù)字量處理模塊和數(shù)字濾波模塊通過(guò) FPGA模塊中的數(shù)據(jù)交互模塊與DSP控制板進(jìn)行雙向連接；FPGA模塊中 的網(wǎng)側(cè)PWM輸出模塊和轉(zhuǎn)子側(cè)P麗輸出模塊分別與網(wǎng)側(cè)變換器和轉(zhuǎn)子側(cè)變 換器相連；
在所述的FPGA模塊中還包括連接CAN總線或以太網(wǎng)的外設(shè)驅(qū)動(dòng)模塊。
本實(shí)用新型采用的變換器控制板主要由一塊DSP和一塊FPGA構(gòu)成。 控制板首先通過(guò)AD信號(hào)采集模塊對(duì)電壓、電流信號(hào)進(jìn)行AD采樣，以及 DI/DO模塊對(duì)一些數(shù)字量輸入進(jìn)行采集，F(xiàn)PGA模塊在得到這些數(shù)據(jù)后進(jìn)行 數(shù)字濾波和數(shù)字量處理，處理完得到的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)通訊傳給DSP， DSP 得到需要的數(shù)據(jù)通過(guò)算法計(jì)算完成相應(yīng)的控制算法，生成各IPM導(dǎo)通時(shí)間 及導(dǎo)通序列，并將這些數(shù)據(jù)反傳給FPGA， FPGA得到導(dǎo)通時(shí)間及導(dǎo)通序列 后經(jīng)過(guò)SVPWM算法來(lái)生成PWM脈沖分別通過(guò)對(duì)IPM的導(dǎo)通和關(guān)斷的控 制來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)變換器和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的功能。同樣， 一些例如斷路器開(kāi)、 關(guān)等控制量輸出再返回經(jīng)過(guò)DI/DO模塊的處理來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字量輸出。而對(duì)一 些外設(shè)的管理可通過(guò)CAN總線或以太網(wǎng)由FPGA完成。
本實(shí)用新型采用了一種基于32位浮點(diǎn)數(shù)數(shù)字處理芯片(DSP)與超大規(guī)模現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列(FPGA)組合而成的風(fēng)電變換器調(diào)節(jié)板，如圖2所 示。主要由32位浮點(diǎn)數(shù)DSP與FPGA組合而成。還包括24路16位模數(shù)轉(zhuǎn) 換芯片、4路12位數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片、SD—CARD、 10M/100M乙太網(wǎng)接口、 CAN 控制器、光電編碼器輸入電路、IO路PWM光纖輸入、8組差分PWM光纖 輸出、WatchDog電路、16路光電隔離輸入輸出電路等輔助外部設(shè)備。全部 電路集成在一塊6層印刷電路板上；可進(jìn)行32位浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算的數(shù)字處理芯 片DSP作為風(fēng)電變換器調(diào)節(jié)板的CPU，其20位地址總線和32位數(shù)字總線 構(gòu)成了調(diào)節(jié)板的并行總線，掛在該總線上的器件包括超大規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)可編程 邏輯門陣列FPGA;其中FPGA作為調(diào)節(jié)板的主要器件，通過(guò)邏輯控制6 片數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片AD7656，對(duì)24路模擬電壓、電流信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn) 換結(jié)果經(jīng)過(guò)FPGA內(nèi)通過(guò)編程構(gòu)造的二階濾波器后存儲(chǔ)在內(nèi)部寄存器中， DSP通過(guò)20位地址總線和32位數(shù)字總線對(duì)AD轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行讀取，并在 DSP內(nèi)進(jìn)行計(jì)算，獲得空間矢量算法(SVPWM)所需要的導(dǎo)通矢量及相應(yīng)的 導(dǎo)通時(shí)間，DSP仍通過(guò)并行總線將導(dǎo)通矢量及相應(yīng)的導(dǎo)通時(shí)間寫入FPGA 內(nèi)編程構(gòu)成的SVPWM發(fā)生器中，由FPGA根據(jù)計(jì)數(shù)值發(fā)出IPM觸發(fā)信號(hào)； DSP和FPGA作為調(diào)節(jié)板的兩個(gè)主要器件，完成了風(fēng)電變換器調(diào)節(jié)板的主 要功能，將DSP和FPGA通過(guò)并行總線相連并進(jìn)行功能劃分，由FPGA完 成AD轉(zhuǎn)換、DA轉(zhuǎn)換、DI/DO控制，16位DI輸入信號(hào)通過(guò)光電隔離讀入 調(diào)節(jié)板外的設(shè)備節(jié)點(diǎn)，16位DO輸出信號(hào)通過(guò)光電隔離控制調(diào)節(jié)板外的節(jié) 點(diǎn)。同時(shí)FPGA還實(shí)現(xiàn)與板外的其它設(shè)備進(jìn)行通訊，包括10M/100M乙太 網(wǎng)通訊、CAN通訊以及RS232/RS485標(biāo)準(zhǔn)異步串行通訊三種方式。DSP主 要完成控制算法，他們之間的數(shù)據(jù)交換通過(guò)DSPEMIF 口 20位地址總線和 32位數(shù)字總線完成。
由于FPGA比DSP價(jià)格便宜很多，這樣在產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中，就可以節(jié)約 大量的成本，使我們的控制板有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。另外FPGA作為DSP的從設(shè)備，與DSP通訊方便快速。除此之外，由于FPGA具有320個(gè)引腳，模 數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片、SD_CARD、 10M/100M乙太網(wǎng)接口、 CAN控
制器等外設(shè)都可以直接接在FPGA上，使控制板功能更加強(qiáng)大。
權(quán)利要求1.一種雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的變換器，包括一塊DSP控制板；其特征在于還包括FPGA模塊；所述FPGA模塊中的數(shù)字濾波模塊連接對(duì)電壓、電流信號(hào)進(jìn)行AD采樣的AD信號(hào)采集模塊，F(xiàn)PGA模塊中的數(shù)字量處理模塊連接對(duì)一些數(shù)字量輸入進(jìn)行采集的DI/DO模塊；所述數(shù)字量處理模塊和數(shù)字濾波模塊通過(guò)FPGA模塊中的數(shù)據(jù)交互模塊與DSP控制板進(jìn)行雙向連接；FPGA模塊中的網(wǎng)側(cè)PWM輸出模塊和轉(zhuǎn)子側(cè)PWM輸出模塊分別與網(wǎng)側(cè)變換器和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的變換器，其特征在于 在所述的FPGA模塊中還包括連接CAN總線或以太網(wǎng)的外設(shè)驅(qū)動(dòng)模塊。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的變換器，包括一塊DSP控制板；還包括FPGA模塊；所述FPGA模塊中的數(shù)字濾波模塊連接對(duì)電壓、電流信號(hào)進(jìn)行AD采樣的AD信號(hào)采集模塊，F(xiàn)PGA模塊中的數(shù)字量處理模塊連接對(duì)一些數(shù)字量輸入進(jìn)行采集的DI/DO模塊；所述數(shù)字量處理模塊和數(shù)字濾波模塊通過(guò)FPGA模塊中的數(shù)據(jù)交互模塊與DSP控制板進(jìn)行雙向連接；FPGA模塊中的網(wǎng)側(cè)PWM輸出模塊和轉(zhuǎn)子側(cè)PWM輸出模塊分別與網(wǎng)側(cè)變換器和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器相連；本實(shí)用新型的有益效果是用一塊FPGA代替了一塊DSP。由于FPGA比DSP價(jià)格便宜很多；另外FPGA作為DSP的從設(shè)備，與DSP通訊方便快速。
文檔編號(hào)H02M1/12GK201294481SQ20082015442
公開(kāi)日2009年8月19日 申請(qǐng)日期2008年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月24日
發(fā)明者春 李, 楊文斌, 董祖毅, 馬成斌 申請(qǐng)人:上海輸配電股份有限公司