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：
本發(fā)明涉及一種雙饋風(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，也是解決能源問題的重要手段之一。近年來， 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，通過傳動系統(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)，通過變換器對發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)電流的控制從而實現(xiàn)對發(fā)電機(jī)的勵磁控制，實現(xiàn) 機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)換，同時能實現(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)艙對準(zhǔn)來風(fēng)的方向。變槳距系統(tǒng)通常在風(fēng)速超過額定值時，對風(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 動完成機(jī)組的所有工作過程，并提供人機(jī)接口和遠(yuǎn)程監(jiān)控的接口 。 由此可見，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是一個十分復(fù)雜的系統(tǒng)。在整個雙饋風(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 兩電平電壓型雙P麗變換器是由兩個完全相同的兩電平電壓型三相P麗變換器通 過直流母線連接而成，其英文名稱為Back-to-Back P麗Converter。由于在變速恒頻交流勵 磁雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，兩個P麗變換器的工作狀態(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)計成T 型諧振式濾波器結(jié)構(gòu)，濾波電容對基波同時起無功補(bǔ)償?shù)淖饔?。在轉(zhuǎn)子側(cè)變換器后，裝有 dU/dt濾波器，用于濾除開關(guān)頻率附件的電壓諧波。另外，轉(zhuǎn)子側(cè)設(shè)計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)電壓過高而擊穿電容，且可用于實現(xiàn)外部短路時的低電壓穿透，保證定子側(cè)短時低電壓 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) 組啟動時的直流電容預(yù)充電。 而在軟件控制系統(tǒng)設(shè)計方面，這兩個P麗變換器各司其職。其中，網(wǎng)側(cè)變換器的任
務(wù)主要有兩個， 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。因為理論上網(wǎng)側(cè)變換器可獲得任意可調(diào)的功率因數(shù)，這也為整個系統(tǒng)的
功率因數(shù)控制提供了一個途徑；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
個變換器正常工作的前提，而這可以通過對輸入電流的有效控制來實現(xiàn)。 在變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，由于追蹤最大風(fēng)能的需要，機(jī)組的
3轉(zhuǎn)速時刻處于變化之中，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 于電網(wǎng)側(cè)PWM變換器而言，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器是一個時變的負(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)載的變化會引起直流側(cè)母線電壓的波 動，從而影響兩個P麗變換器的運(yùn)行性能，進(jìn)而影響到整個風(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)載擾動能力，滿足變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電對轉(zhuǎn)子勵磁電 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DFIG乃至整個發(fā)電系統(tǒng)的控制。DFIG及整個風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制 都是通過轉(zhuǎn)子側(cè)變換器來實現(xiàn)的。 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的作用也分為兩個方面，一是給DFIG的轉(zhuǎn)子提供勵磁分量的電流，
從而可以調(diào)節(jié)DFIG定子側(cè)所發(fā)出的無功功率；二是通過控制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。 為了實現(xiàn)對DFIG有功、無功功率進(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)來進(jìn)行設(shè)計，采用功率、電流雙閉環(huán)，并對轉(zhuǎn)子電流的轉(zhuǎn)矩分量與勵磁分量
進(jìn)行解耦，通過控制轉(zhuǎn)子電流的轉(zhuǎn)矩分量與勵磁分量來實現(xiàn)DFIG的有功和無功功率的有
效解耦控制，從而實現(xiàn)變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的兩個目標(biāo)最大風(fēng)能跟蹤和無功功率調(diào)節(jié)。 由此可見，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實現(xiàn)。
由圖l可見一般的變換器控制板主要由兩塊DSP構(gòu)成，其中DSP1實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)P麗變 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 則實現(xiàn)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的主要功能通過對雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流控制以達(dá)到最大風(fēng)能跟蹤的 功能。控制板首先通過AD信號采集模塊對電壓、電流信號進(jìn)行AD采樣，以及DI/D0模塊對 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)字濾波和數(shù)字 量處理，處理完得到的數(shù)據(jù)用于算法計算，完成相應(yīng)的控制算法，其中， 一些例如斷路器開、 關(guān)等控制量輸出再返回給DI/D0模塊從而實現(xiàn)數(shù)字量輸出，同時，DSP模塊也生成P麗脈沖 分別通過對IPM的導(dǎo)通和關(guān)斷的控制來實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)變換器和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的功能。而DSP1/2 對一些外設(shè)的管理可通過CAN總線或以太網(wǎng)完成。另外，還需要在這兩塊DSP之間實現(xiàn)數(shù) 據(jù)交換，以實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。雖然這種方法有效地實現(xiàn)了變換器的控制功能，但 是存在以下兩個缺點(diǎn)
1)雙DSP的成本相對較高。
2)雙DSP之間的通訊相對比較復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問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 決上述的問題。 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的 本發(fā)明包括一塊DSP控制板；還包括FPGA模塊；所述FPGA模塊中的數(shù)字濾波模
塊連接對電壓、電流信號進(jìn)行AD采樣的AD信號采集模塊，F(xiàn)PGA模塊中的數(shù)字量處理模塊連接對一些數(shù)字量輸入進(jìn)行采集的DI/D0模塊；所述數(shù)字量處理模塊和數(shù)字濾波模塊通過 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，本發(fā)明的有益效果是用一塊FPGA代替了一塊DSP。由于FPGA 比DSP價格便宜很多，這樣在產(chǎn)業(yè)化過程中，就可以節(jié)約大量的成本，有更強(qiáng)的競爭力；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是本發(fā)明模塊圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖與具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述 由圖2可見本發(fā)明包括一塊DSP控制板；還包括FPGA模塊；所述FPGA模塊中
的數(shù)字濾波模塊連接對電壓、電流信號進(jìn)行AD采樣的AD信號采集模塊，F(xiàn)PGA模塊中的數(shù) 字量處理模塊連接對一些數(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；
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)動模塊。
本發(fā)明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 AD信號采集模塊對電壓、電流信號進(jìn)行AD采樣，以及DI/DO模塊對一些數(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)通過數(shù)據(jù) 通訊傳給DSP， DSP得到需要的數(shù)據(jù)通過算法計算完成相應(yīng)的控制算法，生成各IPM導(dǎo)通時 間及導(dǎo)通序列，并將這些數(shù)據(jù)反傳給FPGA， FPGA得到導(dǎo)通時間及導(dǎo)通序列后經(jīng)過SVP麗算 法來生成P麗脈沖分別通過對IPM的導(dǎo)通和關(guān)斷的控制來實現(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、關(guān)等控制量輸出再返回經(jīng)過DI/DO模塊的處理來實現(xiàn)數(shù) 字量輸出。而對一些外設(shè)的管理可通過CAN總線或以太網(wǎng)由FPGA完成。
本發(fā)明采用了一種基于32位浮點(diǎn)數(shù)數(shù)字處理芯片(DSP)與超大規(guī)?，F(xiàn)場可編程 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、10路P麗光纖輸入、8組差分P麗 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)模現(xiàn)場可編程邏輯門陣列FPGA;其中FPGA作為調(diào)節(jié)板的主要器件，通過邏 輯控制6片數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片AD7656，對24路模擬電壓、電流信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果經(jīng)過 FPGA內(nèi)通過編程構(gòu)造的二階濾波器后存儲在內(nèi)部寄存器中，DSP通過20位地址總線和32
5位數(shù)字總線對AD轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行讀取，并在DSP內(nèi)進(jìn)行計算，獲得空間矢量算法(SVP麗)所 需要的導(dǎo)通矢量及相應(yīng)的導(dǎo)通時間，DSP仍通過并行總線將導(dǎo)通矢量及相應(yīng)的導(dǎo)通時間寫 入FPGA內(nèi)編程構(gòu)成的SVP麗發(fā)生器中，由FPGA根據(jù)計數(shù)值發(fā)出IPM觸發(fā)信號；DSP和FPGA 作為調(diào)節(jié)板的兩個主要器件，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/D0控制，16位DI輸入信號 通過光電隔離讀入調(diào)節(jié)板外的設(shè)備節(jié)點(diǎn)，16位DO輸出信號通過光電隔離控制調(diào)節(jié)板外的 節(jié)點(diǎn)。同時FPGA還實現(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DSP EMIF 口 20位地址總線和32位數(shù)字總線完成。 由于FPGA比DSP價格便宜很多，這樣在產(chǎn)業(yè)化過程中，就可以節(jié)約大量的成本，使 我們的控制板有更強(qiáng)的競爭力。另外FPGA作為DSP的從設(shè)備，與DSP通訊方便快速。除此 之夕卜，由于FPGA具有320個引腳，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
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)字濾波模塊連接對電壓、電流信號進(jìn)行AD采樣的AD信號采集模塊，F(xiàn)PGA模塊中的數(shù)字量處理模塊連接對一些數(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)動模塊。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種雙饋風(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)字濾波模塊連接對電壓、電流信號進(jìn)行AD采樣的AD信號采集模塊，F(xiàn)PGA模塊中的數(shù)字量處理模塊連接對一些數(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；本發(fā)明的有益效果是用一塊FPGA代替了一塊DSP。由于FPGA比DSP價格便宜很多；另外FPGA作為DSP的從設(shè)備，與DSP通訊方便快速。
文檔編號H02P9/30GK101729014SQ200810201690
公開日2010年6月9日 申請日期2008年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月24日
發(fā)明者李春, 楊文斌, 董祖毅, 馬成斌 申請人:上海輸配電股份有限公司