专利名称：一种具有低电压穿越能力的新型变桨控制装置及控制方法
技术领域：
本发明涉及风力发电变桨控制领域，具体地，涉及一种具有低电压穿越能力的新型变桨控制装置及控制方法。
背景技术：
随着风电机组技术的进步，风电机组单机容量不断增加，风电厂规模不断扩大，风电在电网中所占的比例得到了迅速提高，目前许多国家的风电并网准则都对风电场提过了更高的要求当电网故障或扰动引起风电场并网点的电压跌落时，在电压跌落的范围内，风电机组能够在一定时间范围内持续运行而不脱网，同时加大力度向电网输送无功参与电网的电压控制，并在故障切除后能尽快帮助电力系统恢复稳定运行，也就是说风电机组要具有低电压穿越的能力。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种具有低电压穿越能力的新型变桨控制装置及控制方法，通过检测发电机A、B相定子电流、发电机转子转速、电网电压进行控制器模式的选择和控制，实现在正常模式、紧急停机模式和低电压穿越模式下的变桨控制；且能够保障变桨系统的控制精度，响应速度，可靠性以及风力发电机组的低电压穿越能力，最终提高整个风力发电机组的发电效率和电能质量。为实现上述目的，所采用的技术方案是
一种具有低电压穿越能力的新型变桨控制装置，其外围设备包括轴柜，A、B相电流传感器，电网电压传感器，绝对式、增量式编码器，变桨电机，所述控制装置包括控制器、电源管理模块、存储器模块、通信模块、电流信号调理电路、电压信号调理电路、速度信号调理电路、开关量信号调理电路、SVPWM输出模块、智能功率模块、整流模块、后备电池；所述控制器与所述的电源管理模块、存储器模块、通信模块电连接；所述电流信号调理电路的输入端电连接在所述A、B相电流传感器的输出端，该电流信号调理电路的输出端电连接在所述控制器上；所述电压信号调理电路的输入端电连接在所述电网电压传感器的输出端，该电压信号调理电路的输出端电连接在控制器上；所述速度信号调理电路的输入端电连接在所述绝对式、增量式编码器的输出端，该速度信号调理电路的输出端电连接在控制器上；所述开关量信号调理电路与所述的控制器、轴柜中的开关量信号电连接；所述SVPWM输出模块分别电连接在所述智能功率模块和控制器上；电网电压通过所述整流模块与所述智能功率模块实现电连接；所述后备电池与所述控制器和智能功率模块分别电连接；所述的智能功率模块电连接于所述的变桨电机。所述电流信号调理电路为4路电流输入信号的调理电路。所述电压信号调理电路为3路电压输入信号的调理电路。所述速度信号调理电路为2路速度输入信号的调理电路。所述述开关量信号调理电路为8路开关量输入信号的调理电路。
所述控制器采用DSP和FPGA的双处理器架构。 同时本发明的技术方案还公开了一种具有低电压穿越能力的新型变桨控制装置的控制方法，包括以下步骤
所述电流信号调理电路将通过A、B相电流传感器的发电机A、B相定子电流信号经滤波放大处理后输出给控制器；
所述速度信号调理电路将通过所述绝对式、增量式编码器的发电机转子转速信号经滤波放大处理后输出给控制器；
所述电压信号调理电路将通过所述电网电压传感器的电网电压信号经滤波放大处理后输出给控制器；
控制器将所述的发电机A、B相定子电流信号、发电机转子转速信号、电网电压信号转换为数字信号；之后，该控制器判断
所述发电机A、B相定子电流信号是否大于2倍的额定电流且持续时间超过了 40ms ； 所述发电机转子转速信号是否大于I. I倍的额定转速且持续时间超过了 40ms ；
如果所述发电机A、B相定子电流信号大于2倍的额定电流且持续时间超过了 40ms，或者所述发电机转子转速信号大于I. I倍的额定转速且持续时间超过了 40ms，则所述控制器进入紧急停机模式，按照给定的顺桨速度，采用基于矢量变换和SVPWM的三闭环控制，实现顺桨；否则该控制器判断所述的电网电压是否跌落；
如果所述的电网电压没有跌落，则控制器进入正常模式，采用基于矢量变换和SVPWM的三闭环控制，按照给定的正常模式下的变桨速度，实现变桨控制；否则控制器判断所述的电网电压跌落是否低于规定的电压轮廓曲线；
如果所述的电网电压跌落低于规定的电压轮廓曲线，则所述控制器进入紧急停机模式，按照给定的顺桨速度，采用基于矢量变换和SVPWM的三闭环控制，实现顺桨；否则该控制器进入低电压穿越模式，启动所述后备电源给变桨系统供电，通过对相关的故障进行屏蔽，按照给定的低电压穿越模式下的变桨速度，采用基于矢量变换和SVPWM的三闭环控制，实现变桨控制。基于矢量变换和SVPWM的三闭环控制，采用以下的方法电流信号调理电路将通过A、B相电流传感器的变桨电机A、B相转子电流信号经滤波放大处理后输出给控制器，实现电流内环控制；速度信号调理电路将通过所述绝对式、增量式编码器的变桨电机转子转速信号经滤波放大处理后输出给控制器，实现速度次外环控制和位置外环控制。本发明通过检测发电机定子A、B相电流、发电机的转子转速、电网电压进行控制器模式的选择并执行相应的控制，实现在正常模式、紧急停机模式和低电压穿越模式下的变桨控制；且能够保障变桨系统的控制精度，响应速度，可靠性以及风力发电机组的低电压穿越能力，最终提高整个风力发电机组的发电效率和电能质量。
图I为本发明控制装置结构框图示意 图2为本发明控制方法的流程 图3为本发明所述的规定的电压轮廓曲线。
具体实施例方式以下结合附图对本发明作进一步详细的说明。一种具有低电压穿越能力的新型变桨控制装置，其外围设备包括轴柜，A、B相电流传感器，电网电压传感器，绝对式、增量式编码器，变桨电机，所述变桨控制装置包括控制器，电源管理模块，存储器模块，通信模块，电流信号调理电路，电压信号调理电路，速度信号调理电路，开关量信号调理电路，SVPWM输出模块，智能功率模块，整流模块，后备电池；所述控制器与所述的电源管理模块、存储器模块、通信模块电连接；所述电流信号调理电路的输入端电连接在所述A、B相电流传感器的输出端，该电流信号调理电路的输出端电连接在所述控制器上；所述电压信号调理电路的输入端电连接在所述电网电压传感器的输出端，该电压信号调理电路的输出端电连接在控制器上；所述速度信号调理电路的输入端电连接在所述绝对式、增量式编码器的输出端，该速 度信号调理电路的输出端电连接在控制器上；所述开关量信号调理电路与所述的控制器、轴柜中的开关量信号电连接；所述SVPWM输出模块分别电连接在所述智能功率模块和控制器上；电网电压通过所述整流模块与所述智能功率模块实现电连接；所述后备电池与所述控制器和智能功率模块分别电连接；所述的智能功率模块电连接于所述的变桨电机。其中
所述电流信号调理电路为4路电流输入信号的调理电路，其将通过A、B相电流传感器的发电机的A、B相定子电流信号，变桨电机的A、B相转子电流信号经过滤波和放大处理后输出给控制器的模数转换模块。所述电压信号调理电路为3路电压输入信号的调理电路，其将通过所述电网电压传感器的电网电压信号经过滤波和放大处理后输出给控制器。所述速度信号调理电路为2路速度输入信号的调理电路，其将通过所述绝对式、增量式编码器的发电机的转子速度信号，变桨电机的转子速度信号经过滤波和放大处理后输出给控制器。所述开关量信号调理电路为8路开关量输入信号的调理电路，其将从轴柜输出的开关量信号经过光电隔离自后输出给控制器。所述控制器采用DSP和FPGA的双处理器架构，由DSP和FPGA协同处理，完成整个变桨控制系统控制模式的选择和控制，提高了变桨控制系统的控制精度和实时性，其中DSP和FPGA的地址线、数据线、控制线电连接，可以方便的实现它们之间的信息交互，DSP主要完成电流信号调理电路、电压信号调理电路、速度信号调理电路调理之后的电流信号，电压信号，速度信号的模数转换，并进行判断，实现正常模式、低电压穿越模式、紧急停机模式下的变桨控制；FPGA主要负责轴柜中开关量信号的采集和控制，完成变桨控制系统与风力发电主控之间的相互通信。所述的FPGA采用cyclone II系列电路,是Altera公司从根本上针对低成本进行设计的高性能和低功耗的FPGA，由使用方便的免费Quartus II网络版设计软件、多种知识产权(IP)提供支持，可以迅速实现低成本FPGA方案开发。DSP采用TI的C2000系列，它采用高性能的静态CMOS技术，150MHz振荡频率(6. 67ns指令周期)低功耗设计，高性能的32位CPU，外围中断扩展功能可支持45个外围中断，电机控制外围(EVA和EVB)，12位A/D转换器，16个通道。所述电源管理模块为整个变桨系统提供+5V，+3. 3V，+1. 9V，+15V, -15V，+24V电源；
所述通信模块采用RS232、RS485、profibus_DP、CANopen等通信方式，实现变桨控制系统与风力发电主控之间的相互通信；
所述存储器模块为变桨控制器提供相应的程序和数据存储空间；
同时本发明还公开了一种具有低电压穿越能力的新型变桨控制装置的控制方法，包括以下步骤
所述电流信号调理电路将通过A、B相电流传感器的发电机A、B相定子电流信号经滤波放大处理后输出给控制器；
所述速度信号调理电路将通过所述绝对式、增量式编码器的发电机转子转速信号经滤波放大处理后输出给控制器；
所述电压信号调理电路将通过所述电网电压传感器的电网电压信号经滤波放大处理后输出给控制器；
控制器将所述的发电机A、B相定子电流信号、发电机转子转速信号、电网电压信号转换为数字信号；之后，该控制器判断
所述发电机A、B相定子电流信号是否大于2倍的额定电流且持续时间超过了 40ms ； 所述发电机转子转速信号是否大于I. I倍的额定转速且持续时间超过了 40ms ；
如果所述发电机A、B相定子电流信号大于2倍的额定电流且持续时间超过了 40ms，或者所述发电机转子转速信号大于I. I倍的额定转速且持续时间超过了 40ms，则所述控制器进入紧急停机模式，按照给定的顺桨速度，采用基于矢量变换和SVPWM的三闭环控制，实现顺桨；否则该控制器判断所述的电网电压是否跌落；
如果所述的电网电压没有跌落，则控制器进入正常模式，采用基于矢量变换和SVPWM的三闭环控制，按照给定的正常模式下的变桨速度，实现变桨控制；否则控制器判断所述的电网电压跌落是否低于规定的电压轮廓曲线，保证风电机组在并网点电压跌至20%额定电压时能够保证不脱网连续运行625ms，并且如果风电场并网点电压在发生跌落后3s内能够恢复到额定电压的90%时，风电机组能够不脱网连续运行。如果所述的电网电压跌落低于规定的电压轮廓曲线，则所述控制器进入紧急停机模式，按照给定的顺桨速度，采用基于矢量变换和SVPWM的三闭环控制，实现顺桨；否则该控制器进入低电压穿越模式，启动所述后备电源给变桨系统供电，通过对相关的故障进行屏蔽，按照给定的低电压穿越模式下的变桨速度，采用基于矢量变换和SVPWM的三闭环控制，实现变桨控制。基于矢量变换和SVPWM的三闭环控制，采用以下的方法电流信号调理电路将通过A、B相电流传感器的变桨电机A、B相转子电流信号经滤波放大处理后输出给控制器，实现电流内环控制；速度信号调理电路将通过所述绝对式、增量式编码器的变桨电机转子转速信号经滤波放大处理后输出给控制器，实现速度次外环控制和位置外环控制。最后应说明的是以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种具有低电压穿越能力的新型变桨控制装置，其外围设备包括轴柜，A、B相电流传感器，电网电压传感器，绝对式、增量式编码器，变桨电机，其特征在于所述控制装置包括控制器，电源管理模块，存储器模块，通信模块，电流信号调理电路，电压信号调理电路，速度信号调理电路，开关量信号调理电路，SVPWM输出模块，智能功率模块，整流模块，后备电池；所述控制器与所述的电源管理模块、存储器模块、通信模块电连接；所述电流信号调理电路的输入端电连接在所述A、B相电流传感器的输出端，该电流信号调理电路的输出端电连接在所述控制器上；所述电压信号调理电路的输入端电连接在所述电网电压传感器的输出端，该电压信号调理电路的输出端电连接在控制器上；所述速度信号调理电路的输入端电连接在所述绝对式、增量式编码器的输出端，该速度信号调理电路的输出端电连接在控制器上；所述开关量信号调理电路与所述的控制器、轴柜中的开关量信号电连接；所述SVPWM输出模块分别电连接在所述智能功率模块和控制器上；电网电压通过所述整流模块与所述智能功率模块实现电连接；所述后备电池与所述控制器和智能功率模块分别电连接；所述的智能功率模块电连接于所述的变桨电机。
2.根据权利要求I所述的一种具有低电压穿越能力的新型变桨控制装置，其特征在于所述电流信号调理电路为4路电流输入信号的调理电路。
3.根据权利要求I所述的一种具有低电压穿越能力的新型变桨控制装置，其特征在于所述电压信号调理电路为3路电压输入信号的调理电路。
4.根据权利要求I所述的一种具有低电压穿越能力的新型变桨控制装置，其特征在于所述速度信号调理电路为2路速度输入信号的调理电路。
5.根据权利要求I所述的一种具有低电压穿越能力的新型变桨控制装置，其特征在于所述开关量信号调理电路为8路开关量输入信号的调理电路。
6.根据权利要求I所述的一种具有低电压穿越能力的新型变桨控制装置，其特征在于所述控制器采用DSP和FPGA的双处理器架构。
7.一种具有低电压穿越能力的新型变桨控制装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤 所述电流信号调理电路将通过A、B相电流传感器的发电机A、B相定子电流信号经滤波放大处理后输出给控制器； 所述速度信号调理电路将通过所述绝对式、增量式编码器的发电机转子转速信号经滤波放大处理后输出给控制器； 所述电压信号调理电路将通过所述电网电压传感器的电网电压信号经滤波放大处理后输出给控制器； 控制器将所述的发电机A、B相定子电流信号、发电机转子转速信号、电网电压信号转换为数字信号；之后，该控制器判断 所述发电机A、B相定子电流信号是否大于2倍的额定电流且持续时间超过了 40ms ； 所述发电机转子转速信号是否大于I. I倍的额定转速且持续时间超过了 40ms ； 如果所述发电机A、B相定子电流信号大于2倍的额定电流且持续时间超过了 40ms，或者所述发电机转子转速信号大于I. I倍的额定转速且持续时间超过了 40ms，则所述控制器进入紧急停机模式，按照给定的顺桨速度，采用基于矢量变换和SVPWM的三闭环控制，实现顺桨；否则该控制器判断所述的电网电压是否跌落；如果所述的电网电压没有跌落，则控制器进入正常模式，采用基于矢量变换和SVPWM的三闭环控制，按照给定的正常模式下的变桨速度，实现变桨控制；否则控制器判断所述的电网电压跌落是否低于规定的电压轮廓曲线； 如果所述的电网电压跌落低于规定的电压轮廓曲线，则所述控制器进入紧急停机模式，按照给定的顺桨速度，采用基于矢量变换和SVPWM的三闭环控制，实现顺桨；否则该控制器进入低电压穿越模式，启动所述后备电源给变桨系统供电，通过所述的控制器对相关的故障进行屏蔽，按照给定的 低电压穿越模式下的变桨速度，采用基于矢量变换和SVPWM的三闭环控制，实现变桨控制。
全文摘要
一种具有低电压穿越能力的新型变桨控制装置及控制方法，其外围设备包括轴柜、A、B相电流传感器、电网电压传感器、绝对式、增量式编码器、变桨电机，所述的变桨控制装置包括控制器、电源管理模块、存储器模块、通信模块、电流信号调理电路、电压信号调理电路、速度信号调理电路、开关量信号调理电路、SVPWM输出模块、智能功率模块、整流模块、后备电池；同时提供了一种处理方法，本发明直接接受风机主控发送的控制命令，通过检测发电机A、B相定子电流、发电机转子转速、电网电压进行控制器模式的选择和控制，且能够保障变桨系统的控制精度，响应速度，可靠性以及风力发电机组的低电压穿越能力，最终提高整个风力发电机组的发电效率和电能质量。
文档编号F03D7/00GK102619686SQ20121011216
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月17日 优先权日2012年4月17日
发明者李帅兵, 李晓青, 董海鹰, 郝玉福, 魏占宏 申请人:兰州交通大学