CN101729014A - 双馈风力发电机组中的变换器 - Google Patents

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马成斌
杨文斌
李春
董祖毅
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Abstract

本发明涉及一种双馈风力发电机组中的变换器，包括：一块DSP控制板；还包括：FPGA模块；所述FPGA模块中的数字滤波模块连接对电压、电流信号进行AD采样的AD信号采集模块，FPGA模块中的数字量处理模块连接对一些数字量输入进行采集的DI/DO模块；所述数字量处理模块和数字滤波模块通过FPGA模块中的数据交互模块与DSP控制板进行双向连接；FPGA模块中的网侧PWM输出模块和转子侧PWM输出模块分别与网侧变换器和转子侧变换器相连；本发明的有益效果是：用一块FPGA代替了一块DSP。由于FPGA比DSP价格便宜很多；另外FPGA作为DSP的从设备，与DSP通讯方便快速。

Description

双馈风力发电机组中的变换器
技术领域
本发明涉及一种双馈风力发电机组，尤其涉及该双馈风力发电机组中的变换器。
背景技术
风能是一种清洁环保的可再生能源，也是解决能源问题的重要手段之一。近年来，风力发电的发展不断超越其预期的发展速度，一直保持着世界增长最快能源的地位。随着风电技术的发展，为了进一步降低风电成本，风力发电机组逐步朝着单台大容量方向发展。
双馈风力发电机组通常由叶片、风力机、齿轮箱、传动***、发电机、变换器、偏航***、变桨距***、远程监控***和主控制***等部分组成。叶片、风力机的作用是将风能转换为机械能，通过传动***，由齿轮箱增速，将机械能传递给发电机。发电机采用双馈异步发电机，通过变换器对发电机的转子侧电流的控制从而实现对发电机的励磁控制，实现机械能向电能的转换，同时能实现风力机***的变速恒频控制。机舱与塔架之间安装有偏航***，使机舱对准来风的方向。变桨距***通常在风速超过额定值时，对风力机转速和输出功率进行控制，保证***机械和电气安全。主控制***是风力发电机组的“大脑”，由它自动完成机组的所有工作过程，并提供人机接口和远程监控的接口。
由此可见，双馈风力发电机组是一个十分复杂的***。在整个双馈风力发电机组当中，风电***的变换器是其中的一个非常关键的技术，也是双馈风力发电的技术核心之一。
两电平电压型双PWM变换器是由两个完全相同的两电平电压型三相PWM变换器通过直流母线连接而成，其英文名称为Back-to-Back PMWConverter。由于在变速恒频交流励磁双馈风力发电***的运行过程中，两个PWM变换器的工作状态经常变换，通常不再以它们工作于整流或者逆变的状态来区分它们，而是按照它们的位置分别称之为网侧变换器和转子侧变换器，如图1所示。
在硬件主电路设计方面，在网侧变换器前，用于电容充电的Boost电感被设计成T型谐振式滤波器结构，滤波电容对基波同时起无功补偿的作用。在转子侧变换器后，装有dU/dt滤波器，用于滤除开关频率附件的电压谐波。另外，转子侧设计有双向可控硅控制投切的两相电感(Crowbar)装置，在转子侧加装的Crowbar装置能保护直流侧电容、防止直流侧电压过高而击穿电容，且可用于实现外部短路时的低电压穿透，保证定子侧短时低电压状态下机组不脱网，持续运行，提高机组运行的可靠性。直流电容装有预充电回路，用于机组启动时的直流电容预充电。
而在软件控制***设计方面，这两个PWM变换器各司其职。其中，网侧变换器的任务主要有两个，一是保证其良好的输入特性，即输入电流的波形接近正弦，谐波含量少，功率因数符合要求。因为理论上网侧变换器可获得任意可调的功率因数，这也为整个***的功率因数控制提供了一个途径；二是保证直流母线电压的稳定，直流母线电压的稳定是两个变换器正常工作的前提，而这可以通过对输入电流的有效控制来实现。
在变速恒频双馈风力发电***的运行过程中，由于追踪最大风能的需要，机组的转速时刻处于变化之中，为DFIG提供转差功率的转子侧变换器输入的功率也不断变化。对于电网侧PWM变换器而言，转子侧变换器是一个时变的负载，在某些情况下，可能出现由吸收较大功率到回馈较大功率的负载剧烈变化，而负载的变化会引起直流侧母线电压的波动，从而影响两个PWM变换器的运行性能，进而影响到整个风电机组的性能与安全运行。为了进一步提高电网侧变换器的抗负载扰动能力，满足变速恒频双馈风力发电对转子励磁电流的要求。在电网侧控制***中，一般采用电压、电流双闭环的控制策略，可以有效地提高电网侧PWM变换器抗负载扰动的性能，保证直流母线电压的稳定。
在双PWM变换器中，网侧变换器的功能是控制直流母线电压的稳定和获得良好的输入性能，不直接参与对DFIG乃至整个发电***的控制。DFIG及整个风力发电***的控制都是通过转子侧变换器来实现的。
转子侧变换器的作用也分为两个方面，一是给DFIG的转子提供励磁分量的电流，从而可以调节DFIG定子侧所发出的无功功率；二是通过控制DFIG转子转矩分量的电流控制DFIG定子侧所发出的有功功率，从而使得DFIG运行在风力机的最佳功率曲线上。
为了实现对DFIG有功、无功功率进行有效的控制，转子侧变换器的控制以DFIG的数学模型为基础来进行设计，采用功率、电流双闭环，并对转子电流的转矩分量与励磁分量进行解耦，通过控制转子电流的转矩分量与励磁分量来实现DFIG的有功和无功功率的有效解耦控制，从而实现变速恒频双馈风力发电***的两个目标：最大风能跟踪和无功功率调节。
由此可见，变换器中的控制板是变换器的大脑，变换器的功能将由它来实现。
由图1可见：一般的变换器控制板主要由两块DSP构成，其中DSP1实现网侧PWM变换器的主要功能：即保持直流侧电压的稳定、输入电流正弦和控制输入功率因数；而DSP2则实现转子侧变换器的主要功能：通过对双馈电机的转子电流控制以达到最大风能跟踪的功能。控制板首先通过AD信号采集模块对电压、电流信号进行AD采样，以及DI/DO模块对一些数字量输入进行采集，控制***模块DSP1/2在得到这些数据后进行数字滤波和数字量处理，处理完得到的数据用于算法计算，完成相应的控制算法，其中，一些例如断路器开、关等控制量输出再返回给DI/DO模块从而实现数字量输出，同时，DSP模块也生成PWM脉冲分别通过对IPM的导通和关断的控制来实现网侧变换器和转子侧变换器的功能。而DSP1/2对一些外设的管理可通过CAN总线或以太网完成。另外，还需要在这两块DSP之间实现数据交换，以实现对整个***的协调控制。虽然这种方法有效地实现了变换器的控制功能，但是存在以下两个缺点：
1)双DSP的成本相对较高。
2)双DSP之间的通讯相对比较复杂。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供了一种双馈风力发电机组中的变换器，旨在解决上述的问题。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：一块DSP控制板；还包括：FPGA模块；所述FPGA模块中的数字滤波模块连接对电压、电流信号进行AD采样的AD信号采集模块，FPGA模块中的数字量处理模块连接对一些数字量输入进行采集的DI/DO模块；所述数字量处理模块和数字滤波模块通过FPGA模块中的数据交互模块与DSP控制板进行双向连接；FPGA模块中的网侧PWM输出模块和转子侧PWM输出模块分别与网侧变换器和转子侧变换器相连。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：用一块FPGA代替了一块DSP。由于FPGA比DSP价格便宜很多，这样在产业化过程中，就可以节约大量的成本，有更强的竞争力；另外FPGA作为DSP的从设备，与DSP通讯方便快速。除此之外，由于FPGA具有320个引脚，模数转换芯片、数模转换芯片、SD_CARD、10M/100M乙太网接口、CAN控制器等外设都可以直接接在FPGA上，使控制板功能更加强大。
附图说明
图1是现有技术中变换器模块图；
图2是本发明模块图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
由图2可见：本发明包括：一块DSP控制板；还包括：FPGA模块；所述FPGA模块中的数字滤波模块连接对电压、电流信号进行AD采样的AD信号采集模块，FPGA模块中的数字量处理模块连接对一些数字量输入进行采集的DI/DO模块；所述数字量处理模块和数字滤波模块通过FPGA模块中的数据交互模块与DSP控制板进行双向连接；FPGA模块中的网侧PWM输出模块和转子侧PWM输出模块分别与网侧变换器和转子侧变换器相连；
在所述的FPGA模块中还包括连接CAN总线或以太网的外设驱动模块。
本发明采用的变换器控制板主要由一块DSP和一块FPGA构成。控制板首先通过AD信号采集模块对电压、电流信号进行AD采样，以及DI/DO模块对一些数字量输入进行采集，FPGA模块在得到这些数据后进行数字滤波和数字量处理，处理完得到的数据通过数据通讯传给DSP，DSP得到需要的数据通过算法计算完成相应的控制算法，生成各IPM导通时间及导通序列，并将这些数据反传给FPGA，FPGA得到导通时间及导通序列后经过SVPWM算法来生成PWM脉冲分别通过对IPM的导通和关断的控制来实现网侧变换器和转子侧变换器的功能。同样，一些例如断路器开、关等控制量输出再返回经过DI/DO模块的处理来实现数字量输出。而对一些外设的管理可通过CAN总线或以太网由FPGA完成。
本发明采用了一种基于32位浮点数数字处理芯片(DSP)与超大规模现场可编程逻辑门阵列(FPGA)组合而成的风电变换器调节板，如图2所示。主要由32位浮点数DSP与FPGA组合而成。还包括24路16位模数转换芯片、4路12位数模转换芯片、SD_CARD、10M/100M乙太网接口、CAN控制器、光电编码器输入电路、10路PWM光纤输入、8组差分PWM光纤输出、WatchDog电路、16路光电隔离输入输出电路等辅助外部设备。全部电路集成在一块6层印刷电路板上；可进行32位浮点数运算的数字处理芯片DSP作为风电变换器调节板的CPU，其20位地址总线和32位数字总线构成了调节板的并行总线，挂在该总线上的器件包括超大规模现场可编程逻辑门阵列FPGA；其中FPGA作为调节板的主要器件，通过逻辑控制6片数模转换芯片AD7656，对24路模拟电压、电流信号进行AD转换，转换结果经过FPGA内通过编程构造的二阶滤波器后存储在内部寄存器中，DSP通过20位地址总线和32位数字总线对AD转换结果进行读取，并在DSP内进行计算，获得空间矢量算法(SVPWM)所需要的导通矢量及相应的导通时间，DSP仍通过并行总线将导通矢量及相应的导通时间写入FPGA内编程构成的SVPWM发生器中，由FPGA根据计数值发出IPM触发信号；DSP和FPGA作为调节板的两个主要器件，完成了风电变换器调节板的主要功能，将DSP和FPGA通过并行总线相连并进行功能划分，由FPGA完成AD转换、DA转换、DI/DO控制，16位DI输入信号通过光电隔离读入调节板外的设备节点，16位DO输出信号通过光电隔离控制调节板外的节点。同时FPGA还实现与板外的其它设备进行通讯，包括10M/100M乙太网通讯、CAN通讯以及RS232/RS485标准异步串行通讯三种方式。DSP主要完成控制算法，他们之间的数据交换通过DSP EMIF口20位地址总线和32位数字总线完成。
由于FPGA比DSP价格便宜很多，这样在产业化过程中，就可以节约大量的成本，使我们的控制板有更强的竞争力。另外FPGA作为DSP的从设备，与DSP通讯方便快速。除此之外，由于FPGA具有320个引脚，模数转换芯片、数模转换芯片、SD_CARD、10M/100M乙太网接口、CAN控制器等外设都可以直接接在FPGA上，使控制板功能更加强大。

Claims (2)

1.一种双馈风力发电机组中的变换器，包括：一块DSP控制板；其特征在于还包括：FPGA模块；所述FPGA模块中的数字滤波模块连接对电压、电流信号进行AD采样的AD信号采集模块，FPGA模块中的数字量处理模块连接对一些数字量输入进行采集的DI/DO模块；所述数字量处理模块和数字滤波模块通过FPGA模块中的数据交互模块与DSP控制板进行双向连接；FPGA模块中的网侧PWM输出模块和转子侧PWM输出模块分别与网侧变换器和转子侧变换器相连。
2.根据权利要求1所述的双馈风力发电机组中的变换器，其特征在于：在所述的FPGA模块中还包括连接CAN总线或以太网的外设驱动模块。
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