專利名稱：一種基于dsp的變速恒頻雙饋風力發(fā)電機矢量控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于風電系統(tǒng)穩(wěn)定性控制技術領域，尤其是一種基于DSP的雙饋風力發(fā)電機矢量控制系統(tǒng)。
背景技術：
隨著世界環(huán)境日趨惡化，風力發(fā)電作為一種重要的可再生能源，越來越受到人們的廣泛關注，風電并網(wǎng)迅猛發(fā)展。與常規(guī)發(fā)電機組相比，風力發(fā)電機組具有顯著的特點(1) 風速的隨機性和不確定性決定風電功率具有隨機性和不確定性；( 陸地風電場距離主電網(wǎng)和負荷中心較遠，多與薄弱的地方電力系統(tǒng)相聯(lián)；(3)異步風力發(fā)電機組運行時從電網(wǎng)吸收無功功率。風力發(fā)電最終的目的是并網(wǎng)，投入運行，在風力發(fā)電的諸多問題中，變速恒頻雙饋風力發(fā)電機的控制也成為一項關鍵技術之一。雙饋發(fā)電機是一種繞線式異步電機， 具有高階非線性強耦合的特點，直接對其進行控制難度很大，通過矢量變換可以簡化電機模型，使異步電機控制變得如直流電機控制一樣方便。但是發(fā)電機在運行中由于磁路飽和將會引起電感的變化，溫升將會引起電阻的變化，這給依賴電機參數(shù)的矢量控制帶來了困難。同時，商業(yè)化的機組如果每臺發(fā)電機都需要測量其參數(shù)并且修改控制器，這將會帶來額外的成本。所以設計一種自身不需要電機參數(shù)的控制算法或者能夠辨識發(fā)電機參數(shù)的控制方法變得非常必要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于設計一種有效的變速恒頻雙饋風力發(fā)電機控制系統(tǒng)，它將高性能的模糊參數(shù)自整定控制系統(tǒng)應用到有功無功解耦控制當中，不僅保持了常規(guī)控制系統(tǒng)原理簡單、使用方便、魯棒性較強等優(yōu)點，而且具有更大的靈活性、適應性、控制精度更好。本發(fā)明的技術方案一種基于DSP的變速恒頻雙饋風力發(fā)電機矢量控制系統(tǒng)，包括雙饋異步發(fā)電機，其特征在于它包括檢測電路模塊和控制單元；其中所述檢測電路包括電流檢測單元、電壓檢測單元和轉(zhuǎn)速檢測單元組成；所述控制單元的輸入端分別與電流檢測單元、電壓檢測單元和轉(zhuǎn)速檢測單元的輸出端連接，其輸出端與雙饋異步發(fā)電機的輸入端連接；所述檢測電路模塊的輸入端接收雙饋異步發(fā)電機發(fā)出的電壓、電流及轉(zhuǎn)速信號。所述電流檢測電路是由電阻Rl、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電阻R6、電容 Cl、運算放大器U1、運算放大器U2、二極管Dl和二極管D2構成；所述電阻Rl的一端接收采集的電流信號，另一端連接運算放大器Ul的正向輸入端；所述電容Cl連接在運算放大器 Ul的正向輸入端與地之間；所述電阻R5并聯(lián)在電阻Rl接收信號的一端與地之間；所述運算放大器Ul的負向輸入端于其輸出端短接；所述電阻R2的一端接地，另一端連接運算放大器U2的負向輸入端；所述電阻R3的一端連接運算放大器Ul的輸出端，另一端連接運算放大器U2的正向輸入端；所述電阻R4 —端連接3. 3V的基準電壓，另一端連接運算放大器U2 的正向輸入端；所述電阻R6并聯(lián)在運算放大器U2的正向輸入端和輸出端之間；所述運算放大器U2的連接控制單元的輸入端；所述二極管Dl和二極管D2構成限幅電路，中間點與運算放大器U2的輸出端連接；所述二極管Dl的負極連接3. 3V的基準電壓，正極與二極管 D2的負極連接；所述二極管D2的正極接地。所述電壓檢測電路包括電網(wǎng)三相輸入電壓檢測和直流母線電壓檢測兩部分；它是由電壓霍爾傳感器JPl、運算放大器、電阻R1、電阻RPl、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電容Cl、 二極管Dl構成；所述電阻Rl的一端用來接收采集的原邊電流信號，并經(jīng)過Rl變?yōu)殡妷盒盘枺硪欢撕碗妷夯魻杺鞲衅鞯恼龢OTH+連接；所述電壓霍爾傳感器LM8-P的負極TH-和正極TH+共同構成差分信號采集端，兩個電源接口分別接+15V和-15V的基準電壓，輸出端 M和雙極性運算放大器HA-0P07的正極連接；所述電阻RPl —端和電壓霍爾傳感器的輸出端M連接，另一端接地；所述電容Cl 一端和電壓霍爾傳感器LM8-P輸出端連接，另一端接地，和電阻RPl共同構成濾波電路；所述電阻R3 —端和雙極運算放大器HA-0P07的負極連接，一端接地；所述電阻R4和HA-0P07正極并聯(lián)，構成輸入電壓調(diào)零電路；所述電阻R2—端和雙極運算放大器HA-0P07負極連接，一端和HA-0P07的輸出端連接；所述二極管Dl —端和運算放大器HA-0P07輸出端連接，一端接地，構成限幅電路，將輸出限制在0-5V之間；所述運算放大電路HA-0P07的輸出端經(jīng)限幅后直接和DSP的A/D單元連接。所述電壓霍爾傳感器采用萊姆(LEM)公司的LM8-P電壓霍爾傳感器。所述運算放大器采用雙極性運算放大器集成電路HA-0P07。所述控制單元采用TI公司的DSP芯片TMS320F2812。本發(fā)明的工作原理整個系統(tǒng)采用交-直-交變壓變頻電路，主電路由整流、濾波、 逆變?nèi)齻€部分組成，完成強電的交流-直流-交流的轉(zhuǎn)換功能；控制電路以DSP為核心，包括系統(tǒng)檢測電路以及其他外圍電路。DSP識別霍爾傳感器反饋回來的電信號以及光電脈沖編碼器反饋回來的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角信號，通過控制矢量算法，計算出相應SVPWM空置量，通過驅(qū)動電路來驅(qū)動IPM模塊。電流檢測電路就是把網(wǎng)側輸入的三相交流電轉(zhuǎn)換成DSP能識別的數(shù)字信號。在實際系統(tǒng)中采用零磁通式霍爾電流傳感器，工作電壓為士 12V，輸入輸出比為1000 1。IinA 為霍爾電流傳感器所采集到的電流信號，由于霍爾輸出的是弱電流信號，因此需將電流信號經(jīng)R5轉(zhuǎn)化成電壓信號，因為電流反饋具有較大的噪音紋波，需再經(jīng)過由電阻Rl和電容Cl 組成的低通濾波電路進行濾波處理，又由于霍爾傳感器輸出的是正負雙向電流信號，而DSP 中的轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍為0 士3. 3伏，因此需要電平偏移電路，電平偏移電路有兩個 LF353組成，R2為下拉電阻，R4為上拉電阻，R6用來調(diào)節(jié)偏移的電平量。然后用+3. 3V電壓基準把正負電壓信號變換為能處理的單極性電壓信號，為了防止電壓過高或過低，輸出端采用由二極管Dl和D2構成的限幅電路。電壓的檢測采用的是萊姆(LEM)公司的LM8-P電壓霍爾傳感器，可以用于測量直流、交流和脈沖電壓。原邊檢測到的電流經(jīng)過電阻Rl轉(zhuǎn)換成電壓量，并通過RPl和Cl組成的濾波電路進行濾波處理，然后通過雙極性運算放大器集成電路HA-0P07，并適當調(diào)節(jié)運算放大器的可調(diào)電阻R2，將輸出限制在0 — 5V之間，接到DSP的A/D單元。其中HA-OPO7電路中由R4和+15V電壓組成的上半部分電路是輸入失調(diào)電壓調(diào)零電路，因此該方法具有非常低的輸入失調(diào)電壓，能很好的滿足該控制系統(tǒng)的設計要求。速度檢測電路可以實時的檢測雙饋風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，當轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速的時候，可根據(jù)速度檢測電路檢測到的數(shù)據(jù)，結合最大風能捕捉技術，有控制電路發(fā)出控制信號，實現(xiàn)最大功率跟蹤控制。當轉(zhuǎn)速高于額定轉(zhuǎn)速的時候，可適當?shù)恼{(diào)節(jié)槳距和槳距角，降低風力機和發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，從而有效的保護系統(tǒng)的安全有效運行。速度檢測信號的精度直接決定了控制系統(tǒng)的精度，因此采用一種較精確的測速方法對于整個矢量控制系統(tǒng)非常重要。本系統(tǒng)采用光電編碼器作為速度傳感器，利用M/T法檢測電機速度。步驟如下步驟1 求準確的測速時間。設高頻時鐘脈沖的頻率為&，則準確的測速時間為T。 =M2/f0。步驟2 檢測Τ。時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個數(shù)Ml。步驟3 檢測T。時間內(nèi)的高頻時鐘脈沖個數(shù)M2。步驟4 求雙饋異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速。發(fā)電機的轉(zhuǎn)速計算公式為η = ^mlUfm2由上面計算步驟可見，把M法和T法結合起來，即檢測Τ。時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個數(shù)Ml，又檢測同一時間間隔內(nèi)的高頻時鐘脈沖個數(shù)Μ2，用來計算轉(zhuǎn)速，稱為Μ/Τ法測速。采用Μ/Τ法測速應保證高頻時鐘脈沖計數(shù)器與旋轉(zhuǎn)編碼輸出脈沖計數(shù)器同時開啟與關閉減少誤差，Τ。為實際檢測時間，Τ。在上升沿，允許測速，但兩個計數(shù)器并不立即開始計數(shù)，待到編碼器輸出脈沖前沿到達時，兩個計數(shù)器開始計數(shù)。在Τ。的下降沿，將關閉計數(shù)， 同樣也等到編碼器輸出脈沖前沿到達時，才真正關閉兩個計數(shù)器。因此，實際檢測時間不是常數(shù)，它隨著轉(zhuǎn)速變化而變化。本系統(tǒng)采用Μ/Τ法，用光電編碼器檢測電機的轉(zhuǎn)速，將檢測到速度信號經(jīng)過光耦輸入到DSP的正交編碼器的QEP1、QEP2。本發(fā)明的優(yōu)越性在于1、利用高性能數(shù)字信號處理芯片實現(xiàn)雙饋風力發(fā)電機控制系統(tǒng)的控制，很大程度上提高控制的速度和精度，使整個控制系統(tǒng)具有很好的調(diào)節(jié)性能和可靠性；2、采用電流、電壓和速度檢測電路組成控制系統(tǒng)，硬件電路簡單、輸出觸發(fā)脈沖安全可靠、實時控制精度高，可較大提高裝置的穩(wěn)定性和可靠性；3、該系統(tǒng)響應速度快、調(diào)節(jié)性能好，可以更好的從多個指標出發(fā)控制雙饋風力發(fā)電機的各項指標；4、具有廣闊的市場應用前景。


圖1為本發(fā)明所涉一種基于DSP的變速恒頻雙饋風力發(fā)電機矢量控制系統(tǒng)的整體結構圖。圖2為本發(fā)明所涉一種基于DSP的變速恒頻雙饋風力發(fā)電機矢量控制系統(tǒng)中電流檢測電路的結構框圖。圖3為本發(fā)明所涉一種基于DSP的變速恒頻雙饋風力發(fā)電機矢量控制系統(tǒng)中電壓檢測電路的結構框圖。圖4為本發(fā)明所涉一種基于DSP的變速恒頻雙饋風力發(fā)電機矢量控制系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速檢測電路M/T法測速原理。
具體實施例方式實施例一種基于DSP的變速恒頻雙饋風力發(fā)電機矢量控制系統(tǒng)(見圖1)，包括雙饋異步發(fā)電機，其特征在于它包括檢測電路模塊和控制單元；其中所述檢測電路包括電流檢測單元、電壓檢測單元和轉(zhuǎn)速檢測單元組成；所述控制單元的輸入端分別與電流檢測單元、電壓檢測單元和轉(zhuǎn)速檢測單元的輸出端連接，其輸出端與雙饋異步發(fā)電機的輸入端連接；所述檢測電路模塊的輸入端接收雙饋異步發(fā)電機發(fā)出的電壓、電流及轉(zhuǎn)速信號。所述電流檢測電路(見圖2)是由電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電阻 R6、電容Cl、運算放大器U1、運算放大器U2、二極管Dl和二極管D2構成；所述電阻Rl的一端接收采集的電流信號，另一端連接運算放大器Ul的正向輸入端；所述電容Cl連接在運算放大器Ul的正向輸入端與地之間；所述電阻R5并聯(lián)在電阻Rl接收信號的一端與地之間； 所述運算放大器Ul的負向輸入端于其輸出端短接；所述電阻R2的一端接地，另一端連接運算放大器U2的負向輸入端；所述電阻R3的一端連接運算放大器Ul的輸出端，另一端連接運算放大器U2的正向輸入端；所述電阻R4 —端連接3. 3V的基準電壓，另一端連接運算放大器U2的正向輸入端；所述電阻R6并聯(lián)在運算放大器U2的正向輸入端和輸出端之間；所述運算放大器U2的連接控制單元的輸入端；所述二極管Dl和二極管D2構成限幅電路，中間點與運算放大器U2的輸出端連接；所述二極管Dl的負極連接3. 3V的基準電壓，正極與二極管D2的負極連接；所述二極管D2的正極接地。所述電壓檢測電路(見圖幻包括電網(wǎng)三相輸入電壓檢測和直流母線電壓檢測兩部分；它是由電壓霍爾傳感器JP1、運算放大器、電阻R1、電阻RP1、電阻R2、電阻R3、電阻 R4、電容Cl、二極管Dl構成；所述電阻Rl的一端用來接收采集的原邊電流信號，并經(jīng)過Rl 變?yōu)殡妷盒盘?，另一端和電壓霍爾傳感器的正極TH+連接；所述電壓霍爾傳感器LM8-P的負極TH-和正極TH+共同構成差分信號采集端，兩個電源接口分別接+15V和-15V的基準電壓，輸出端M和雙極性運算放大器HA-0P07的正極連接；所述電阻RPl —端和電壓霍爾傳感器的輸出端M連接，另一端接地；所述電容Cl 一端和電壓霍爾傳感器LM8-P輸出端連接， 另一端接地，和電阻RPl共同構成濾波電路；所述電阻R3 —端和雙極運算放大器HA-0P07 的負極連接，一端接地；所述電阻R4和HA-0P07正極并聯(lián)，構成輸入電壓調(diào)零電路；所述電阻R2 —端和雙極運算放大器HA-0P07負極連接，一端和HA-0P07的輸出端連接；所述二極管Dl—端和運算放大器HA-0P07輸出端連接，一端接地，構成限幅電路，將輸出限制在0-5V 之間；所述運算放大電路HA-0P07的輸出端經(jīng)限幅后直接和DSP的A/D單元連接。所述電壓霍爾傳感器(見圖3)采用萊姆(LEM)公司的LM8-P電壓霍爾傳感器。所述運算放大器(見圖2、圖幻采用雙極性運算放大器集成電路HA-0P07。所述控制單元(見圖1)采用TI公司的DSP芯片TMS320F2812。
權利要求
1.一種基于DSP的變速恒頻雙饋風力發(fā)電機矢量控制系統(tǒng)，包括雙饋異步發(fā)電機，其特征在于它包括檢測電路模塊和控制單元；其中所述檢測電路包括電流檢測單元、電壓檢測單元和轉(zhuǎn)速檢測單元組成；所述控制單元的輸入端分別與電流檢測單元、電壓檢測單元和轉(zhuǎn)速檢測單元的輸出端連接，其輸出端與雙饋異步發(fā)電機的輸入端連接；所述檢測電路模塊的輸入端接收雙饋異步發(fā)電機發(fā)出的電壓、電流及轉(zhuǎn)速信號。
2.根據(jù)權利要求1中所述一種基于DSP的變速恒頻雙饋風力發(fā)電機矢量控制系統(tǒng)，其特征在于所述電流檢測電路是由電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電阻R6、電容 Cl、運算放大器U1、運算放大器U2、二極管Dl和二極管D2構成；所述電阻Rl的一端接收采集的電流信號，另一端連接運算放大器Ul的正向輸入端；所述電容Cl連接在運算放大器 Ul的正向輸入端與地之間；所述電阻R5并聯(lián)在電阻Rl接收信號的一端與地之間；所述運算放大器Ul的負向輸入端于其輸出端短接；所述電阻R2的一端接地，另一端連接運算放大器U2的負向輸入端；所述電阻R3的一端連接運算放大器Ul的輸出端，另一端連接運算放大器U2的正向輸入端；所述電阻R4 —端連接3. 3V的基準電壓，另一端連接運算放大器U2 的正向輸入端；所述電阻R6并聯(lián)在運算放大器U2的正向輸入端和輸出端之間；所述運算放大器U2的連接控制單元的輸入端；所述二極管Dl和二極管D2構成限幅電路，中間點與運算放大器U2的輸出端連接；所述二極管Dl的負極連接3. 3V的基準電壓，正極與二極管 D2的負極連接；所述二極管D2的正極接地。
3.根據(jù)權利要求1中所述一種基于DSP的變速恒頻雙饋風力發(fā)電機矢量控制系統(tǒng)，其特征在于所述電壓檢測電路包括電網(wǎng)三相輸入電壓檢測和直流母線電壓檢測兩部分；它是由電壓霍爾傳感器JPl、運算放大器、電阻R1、電阻RPl、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電容Cl、 二極管Dl構成；所述電阻Rl的一端用來接收采集的原邊電流信號，并經(jīng)過Rl變?yōu)殡妷盒盘?，另一端和電壓霍爾傳感器的正極TH+連接；所述電壓霍爾傳感器LM8-P的負極TH-和正極TH+共同構成差分信號采集端，兩個電源接口分別接+15V和-15V的基準電壓，輸出端 M和雙極性運算放大器HA-0P07的正極連接；所述電阻RPl —端和電壓霍爾傳感器的輸出端M連接，另一端接地；所述電容Cl 一端和電壓霍爾傳感器LM8-P輸出端連接，另一端接地，和電阻RPl共同構成濾波電路；所述電阻R3 —端和雙極運算放大器HA-0P07的負極連接，一端接地；所述電阻R4和HA-0P07正極并聯(lián)，構成輸入電壓調(diào)零電路；所述電阻R2—端和雙極運算放大器HA-0P07負極連接，一端和HA-0P07的輸出端連接；所述二極管Dl —端和運算放大器HA-0P07輸出端連接，一端接地，構成限幅電路，將輸出限制在0-5V之間；所述運算放大電路HA-0P07的輸出端經(jīng)限幅后直接和DSP的A/D單元連接。
4.根據(jù)權利要求3中所述一種基于DSP的變速恒頻雙饋風力發(fā)電機矢量控制系統(tǒng)，其特征在于所述電壓霍爾傳感器采用萊姆(LEM)公司的LM8-P電壓霍爾傳感器。
5.根據(jù)權利要求2和3中所述一種基于DSP的變速恒頻雙饋風力發(fā)電機矢量控制系統(tǒng)，其特征在于所述運算放大器采用雙極性運算放大器集成電路HA-0P07。
6.根據(jù)權利要求1中所述一種基于DSP的變速恒頻雙饋風力發(fā)電機矢量控制系統(tǒng)，其特征在于所述控制單元采用TI公司的DSP芯片TMS320F2812。
全文摘要
一種基于DSP的變速恒頻雙饋風力發(fā)電機矢量控制系統(tǒng)，它包括檢測電路模塊和控制單元；其優(yōu)越性在于1、提高控制的速度和精度，具有很好的調(diào)節(jié)性能和可靠性；2、采用電流、電壓和速度檢測電路組成控制系統(tǒng)，硬件電路簡單、輸出觸發(fā)脈沖安全可靠、實時控制精度高，可較大提高裝置的穩(wěn)定性和可靠性；3、該系統(tǒng)響應速度快、調(diào)節(jié)性能好，可以更好的從多個指標出發(fā)控制雙饋風力發(fā)電機的各項指標；4、具有廣闊的市場應用前景。
文檔編號H02P21/14GK102324888SQ20111026557
公開日2012年1月18日 申請日期2011年9月8日 優(yōu)先權日2011年9月8日
發(fā)明者周雪松, 李季, 李小雙, 賈麗英, 馬幼捷 申請人:天津理工大學