基于DSP的参与二次调频的双馈型风力发电机交流励磁控制系统及其工作方法

(一)技术领域：

本发明属于风力发电机交流励磁控制技术领域，尤其是一种基于DSP的参与二次调频的双馈型风力发电机交流励磁控制系统及其工作方法。

(二)背景技术：

随着风力发电事业的迅猛发展，风力发电机组的单机容量和风力发电场的规模日益增大，由于风电注入而引起的电能质量问题和电力系统稳定性问题日益引起关注，并且传统的风力发电机控制系统缺乏对电力系统进行二次调频的能力，寻求解决上述问题的有效途径之一是研制新型的风力发电机交流励磁控制系统。目前已研究的双馈型风力发电机交流励磁控制系统存在灵敏度不高、抗干扰能力差、实时性不好、硬件电路复杂、可靠性低等缺点；更重要的是传统控制系统不能自动参与电力系统的二次调频任务。传统控制系统在控制性能上难以满足现代大容量风力发电机的要求。因此，发明新型风力发电机交流励磁控制系统是非常重要的。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种基于DSP的参与二次调频的双馈型风力发电机交流励磁控制系统，它结合高性能的DSP信号处理器，可较好的克服上述传统控制系统的缺点，不但能实现高功率因数输出，最大限度利用风能资源；而且能稳定机端电压，提高电能质量；在参与电力系统二次调频的同时，提高电力系统的稳定性；它是一种速度快、精度高的控制系统。

本发明的技术方案：一种基于DSP的参与二次调频的双馈型风力发电机交流励磁控制系统，其特征在于它包括信号调理模块、中央数据处理模块、功率管驱动模块、变换器模块和状态监控及故障处理模块五部分组成，所说的信号调理模块的输入端连接变换器模块的输出端，信号调理模块的输出端连接中央数据处理模块的输入端；所说的中央数据处理模块的输出端连接功率管驱动模块的输入端，并与风力发电机的桨距控制系统和控制面板双向连接；所说的功率管驱动模块的输出端连接变换器模块各个IGCT门极输入端和状态监控及故障处理模块的输入端；所说的状态监控及故障处理模块的输入端连接变换器模块的输出端和功率管驱动模块的输出端，其输出端连接中央数据处理模块的输入端。

上述所说的信号调理模块由电压、电流交流采样前端电路、频率方波变换电路、转速反馈接口电路、风速采集接口电路构成；所说的交流采样前端电路将采集的电压、电流信号处理后送入中央数据处理模块的A/D模块输入端；所说的频率方波变换电路将电压信号变换为方波信号输入到中央数据处理模块的捕捉模块输入端；所说的转速反馈接口电路将光电编码器输出的信号经过处理后送到中央数据处理模块的捕捉模块输入端；所说的风速采集接口电路将风速传感器信号经过处理后送到中央数据处理模块的捕捉模块输入端。

上述所说的中央数据处理模块主要由DSP芯片、CAN总线接口、电源管理电路、晶振电路、数据总线驱动电路、串行通信接口电路构成；电源管理模块的输出给DSP芯片；晶振电路的时钟信号输出给DSP芯片；数据总线驱动电路输出给DSP芯片，完成数据缓冲和电平转换；串行通信接口电路实现与风力发电机桨距控制系统的双向连接，实现桨距角的调节；CAN总线接口实现与控制面板的双向连接；中央数据处理模块中DSP芯片的应用使得系统不但能实时快速地实现各种数字信号处理算法，而且简化了控制系统的电路，提高了抗干扰能力；通过中央数据处理模块对各个模块的协调控制实现二次调频的功能。

上述所说的功率管驱动模块由光电隔离电路、功率放大电路、隔离电源电路、IGCT过流检测电路构成。功率管驱动模块将输入的空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)信号经光电隔离、三极管放大，然后提供给变换器模块；当检测到IGCT过流时，IGCT过流检测电路输出报警信号到状态监控及故障处理模块。

上述所说的变换器模块由转子侧变换器、电网侧变换器、直流侧、IGCT缓冲电路、过压、欠压检测传感器和过流、过热检测传感器构成；电网侧变换器的输入端连接电网，输出端连接直流侧的输入端；直流侧的输出连接转子侧变换器的输入端；转子侧变换器的输出端连接风力发电机转子绕组；所说的转子侧变换器由6个IGCT单元构成三相桥式电路；电网侧变换器由6个IGCT单元构成三相桥式电路。来自功率管驱动模块的控制信号控制IGCT的通断，产生所需的三相交流励磁电源，实现对发电机定子电压、转速、功率等量的调节控制。而且通过对转子侧变换器和电网侧变换器的控制实现转子侧电能与电网电能的双向流动，实现双馈功能。

上述所说的状态监控及故障处理模块由直流侧过压、欠压检测电路、直流侧过流、过热检测电路、交流电源缺相检测电路、IGCT过流检测通道构成；其中直流侧过压、欠压检测电路的输入端连接直流侧的过压、欠压检测传感器的输出端；直流侧过流、过热检测电路输入端连接过流、过热检测传感器的输出端；交流电源缺相检测电路输入端连接电压互感器输出端；IGCT过流检测通道输入端连接功率管驱动模块IGCT过流检测电路的输出端；上述六部分的输出作为报警信号送入中央数据处理模块的输入端，激活相应信号处理子程序，执行对变换器模块的封锁功能。

一种基于DSP的参与二次调频的双馈型风力发电机交流励磁控制系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

1)外部传感器对系统所需要的信号进行采集，这些信号包括电网电压、风速、风力发电机的转速、和电网的频率信号；采集到的信号由信号调理模块进行放大、整形和变换，输出中央数据处理模块可接受的信号；

2)中央数据处理模块对采集到的信号进行识别、判断和数据处理，并发出对系统进行调节的指令。从功率流向来讲，当转速低于同步速时，电网向转子绕组输入电功率；当转速高于同步速时，转子绕组向电网供电，实现转子侧功率的双向流动，进而实现双馈功能；

3)在2)执行的同时，状态监控及故障处理模块接收来自电压互感器的传输的信号，对电网电压缺相与否进行判断；通过接收直流侧的过压、欠压检测传感器的信号和接收直流侧过流、过热检测传感器的信号以及IGCT过流检测信号，对系统变换器模块的运行状态包括IGCT过流、直流侧欠压、过压、过流、过热进行监控；当发生异常工作状态时，状态监控及故障处理模块都会输出报警信号给中央数据处理模块；中央数据处理模块激活相应信号处理子程序，执行对变换器模块的封锁；

4)通过信号调理模块的频率方波变换电路，对电网的频率信号进行同步频率采样，中央数据处理模块对其进行识别、判断后可直到外部电网的功率缺额情况。当检测到的频率低于电网额定频率的某一阀值时，说明电网发生大的功率缺额，这时中央数据处理模块就会对系统的运行情况进行检测并汇总，在风速适合的情况下，当系统处于停机状态时，中央数据处理模块就会激活相应子程序，使系统开始运行，直至最高功率因数输出；当系统虽然处于运行状态，但未达到最高功率因数输出时，中央数据处理模块就会激活相应子程序，使系统在最高功率因数状况下运行。

上述所说的步骤2)中具体包括以下步骤：

①当风速低于额定风速时，中央数据处理模块按照“定子磁场定向的矢量控制策略”计算出功率电路的触发角，给出空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)触发脉冲信号，空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)脉冲信号经功率管驱动模块放大，放大后的信号触发变换器模块中转子侧变换器和电网侧变换器的相关IGCT单元，控制风力发电机转子侧输入励磁电压的频率、幅值相位、相序，达到调节电磁转矩和无功输出的目的，实现低风速工况下的最佳叶尖速比控制即最大限度的利用风能；此时，电网向转子输入电功率；

②当风速高于额定风速，中央数据处理模块按照“定子磁场定向的矢量控制策略”计算出功率电路的触发角，给出空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)触发脉冲信号，空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)脉冲信号经功率管驱动模块放大，放大后的信号触发变换器模块中转子侧变换器和电网侧变换器的相关IGCT单元，控制风力发电机转子侧输入励磁电压的频率、幅值相位、相序，达到调节电磁转矩和无功输出的目的。同时，中央数据处理模块通过串行通信接口电路，对桨距调节系统发出控制信号，通过桨距调节的方法除去多余的能量；此时，转子向电网输入电功率。

本发明的工作原理：信号调理模块对来自外部的信号包括电网电压互感器和电流感器的电信号、风速信号、转速信号、频率信号进行处理后送入中央数据处理模块。中央数据处理模块运行相应的程序对输入的信号和数据进行处理。当风速低于额定风速时中央数据处理模块按照“定子磁场定向的矢量控制策略”计算出功率电路的触发角，给出空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)触发脉冲信号，空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)脉冲信号经功率管驱动模块放大后触发变换器模块中的相关IGCT单元，控制风力发电机转子侧输入励磁电压的频率、幅值相位、相序，达到调节电磁转矩和无功输出的目的，实现低风速工况下的最佳叶尖速比控制即最大限度的利用风能；当风速高于额定风速时中央数据处理电路按照“定子磁场定向的矢量控制策略”计算出功率电路的触发角，给出SVPWM触发脉冲信号，SVPWM控制脉冲信号经功率管驱动模块放大后触发变换器模块中的相关IGCT单元，控制风力发电机转子侧输入励磁电压的频率、幅值相位、相序，达到调节电磁转矩和无功输出的目的，并且通过串行通信接口电路，对桨距调节系统发出控制信号，通过桨距调节的方法除去多余的能量。从功率流向来讲，当转速低于同步速时，电网向转子绕组馈入电功率；当转速高于同步速时，转子绕组向电网供电。当电网电压缺相、IGCT单元过流、直流侧欠压、过压、过流、过热时，状态监控及故障处理模块都会输出报警信号给中央数据处理模块，中央数据处理模块激活相应信号处理子程序，执行对变换器模块的封锁。本发明中的参与二次调频原理是：当外部电网发生大的功率缺额时，整个电网的频率降低，交流励磁控制系统的信号调理模块中的频率方波变换电路，通过同步频率采样，将这一情况反馈给中央数据处理模块，通过调用相应子程序对功率输出及时做出调整。

本发明的优越性和技术效果在于：①采用DSP组成控制系统，硬件电路简单、输出触发脉冲安全可靠、实时控制精度高，提高系统的稳定性和可靠性；②利用DSP芯片的高速、高精度数据计算处理能力，克服普通单片机因处理速度限制而引起的控制滞后和精度缺陷，使整个控制系统具有很好的调节性能和灵敏性；③应用基于“定子磁场定向的矢量控制策略”，实现风力发电机的变速恒频控制及有功、无功的独立调节控制，在稳定电压的同时提高有功功率输出，提高电网的电能质量。④二次调频功能使风力发电机自动参与电力系统的频率调节，特别是适用于无人值守运行的场合，提高电力系统的稳定性。⑤集当前电力电子技术、微电子技术和软件编程于一身，应用最新电机控制理论，改善了风力发电机的运行性能。

(四)附图说明：

附图1为本发明所涉基于DSP的参与二次调频的双馈型风力发电机交流励磁控制系统及其工作方法中的系统整体结构示意图。

附图2为本发明所涉基于DSP的参与二次调频的双馈型风力发电机交流励磁控制系统及其工作方法中的系统内信号调理模块结构示意图。

附图3为本发明所涉基于DSP的参与二次调频的双馈型风力发电机交流励磁控制系统及其工作方法中的系统内中央数据处理模块结构示意图。

附图4为本发明所涉基于DSP的参与二次调频的双馈型风力发电机交流励磁控制系统及其工作方法中的系统内功率管驱动模块结构示意图。

附图5为本发明所涉基于DSP的参与二次调频的双馈型风力发电机交流励磁控制系统及其工作方法中的系统内变换器模块的结构示意图。

附图6为本发明所涉基于DSP的参与二次调频的双馈型风力发电机交流励磁控制系统及其工作方法中的系统内状态监控及故障处理模块的结构示意图。