一种多电平变流器控制系统的制作方法

本发明涉及风力发电机组的并网控制系统，具体的说，特别涉及到一种针对风力发电组变流器控制系统来设计的多电平变流器控制系统。

背景技术：

近年来，随着风力发电技术的日臻成熟，变速恒频双馈风力发电机组的并网控制对变流器控制系统的性能需求也越来越高。实际应用中双馈发电机组的并网控制效果对于电网和发电机的安全运行具有重要的意义，而传统的并网方式已经不能满足风电机组的并网要求。因此，控制多电平变流器被提出，它实现了可变频、调压、调相、低谐波、高稳定性的并网解决方案。

多电平变流器则是由多个电平台阶来合成阶梯波，以逼近正弦输出，电平数越多，所得到的阶梯波电平台阶越多，越接近正弦波，谐波成分越少；从理论上讲，可以通过合成无穷多个电平台阶，最终实现零谐波的输出，但在实际应用中，由于受到硬件条件和控制复杂的制约，通常在满足性能指标的前提下，并不追求过高的电平数。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种多电平变流器控制系统，以解决现有技术中存在的问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种多电平变流器控制系统，包括

变流器主电路：由两套PWM变流器组成，即发电机侧变流器和电网侧变流器。两套变流器均采用智能功率模块(IPM)构成电压型多电平变流器的主回路。IPM模块将具有驱动、保护功能的电路与IGBT模块集成封装在一模块内，并且IPM釆用与逻辑电平兼容的标准化的栅控接口，从而简化了与控制电路相连时接口电路，有的甚至可以直接相连，且扩展性能很好。

隔离、驱动及保护电路：栅极驱动电路和保护电路通过外部的接口电路与控制电路连接。其中的驱动功能是由FPGA产生的固定占空比的PWM控制信号，经光耦隔离电路，实现系统的控制电路与主电路的电气有效隔离；再经由推挽驱动电路送到主电路上各桥臂IGBT开关器件的栅极，向IGBT开关器件提供足够的栅极充、放电电流；同时，保护功能是在变流器主电路发生故障(过流、短路、过热、欠电压等)情况下各故障输出信号通过外接的接口电路传输到PWM发生器，FPGA会关断PWM控制信号输出，从而对IGBT开关器件实施保护。

输入滤波器：输入侧安装三相LC滤波器，尽可能多地滤除输入电流中由IGBT开关器件动作所产生的高频谐波成分，减小对电网侧的高频谐波污染，并提高输入功率因数。因此，考虑多电平变流器的实际需要，其转折频率在电网电压基频(50Hz)和采样频率(即开关频率50KHz)之间选取，并且不能过于接近采样频率。输入滤波器的转折频率由滤波电感、电容值决定。

辅助开关电源：该幵关电源由主电源模块和辅助电源模块两部分组成。这两部分具有类似结构，都由半桥DC-DC变换电路、高频隔离变压器和整流滤波电路构成。主电源模块由变流器三相输入电压源中的一相供电；辅助电源模块由变流器中的直流环节电容储能为弱电控制系统供电。这两个电源模块中的半桥DC-DC变换器的驱动脉冲完全相同，均由同一控制电路提供。电网正常时，只有主电源模块向弱电控制系统供电；电网故障时，由辅助电源模块将直流环节电容储能变换后通过主电源模块中的半桥DC-DC变换器提供给弱电控制系统，以维持弱电控制系统处于工作状态。待电网恢复正常后，系统能够迅速回到稳定工作状态。

信号采样与调理电路：变流器系统中，各电压、电流传感器以及信号调理电路是必不可少的组成部分。这些组成部分都为控制电路提供准确的运行信息，为实现系统的控制提供依据。本系统中要处理的信号有电压信号和光电编码器信号。其中需要采样的信号有发电机转速、电网电压、电网频率、转子位置角、定子端电压、定子端交流频率、转子端电压。信号调理电路对各个电压、电流传感器实时釆集到的电网电压和定子(转子)电压及定子(转子)电流进行滤波、整形、隔离等，以满足控制电路对信号的要求。本发明采用了模块化设计，把系统分成多个信号采样调理模块，对各个被测量信号分别采样调理。各个被测量信号经过信号调理电路，变为DSP所要求的范围内的模拟信号，送至DSP的A/D输入通道进行转换。

控制电路：对于功能要求多的复杂系统，单处理器的运算能力已经不能满足系统控制要求，本发明的变流器控制系统采用多处理器控制方式，核心由DSP芯片和FPGA芯片构成，以DSP芯片和FPGA芯片为核心的控制电路是整个弱电控制系统的关键部件通过利用FPGA运行速度快，集成规模大的特点，可以用FPGA可编程器件来实现全数字化的脉冲发生器的所有功能，使DSP能从事复杂而精确的控制工作。DSP芯片完成对各个被测量信号的采集与控制，FPGA可编程器件负责空间矢量PWM波形的生成。DSP芯片在进行控制计算任务后，会定时更新各桥臂上IPM功率模块的触发信号而后送入FPGA芯片；DSP芯片最新的触发信号宽度会被存入FPGA芯片，发出空间矢量PWM波形，FPGA芯片的工作不受主处理器的影响。FPGA可编程器件可当作数字化的脉冲发生器来完成脉冲产生的功能，这样不但系统在结构上简单，而且稳定性好、控制精度高。FPGA芯片将不依赖于DSP处理器而独立运行，不但减轻了DSP处理器的工作负担，同时也提高了可靠性。

附图说明

图1为本发明所述的多电平变流器控制系统的结构框图。

图2为本发明所述的多电平变流器控制系统的硬件示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参见图1，本发明所述的一种多电平变流器控制系统，包括

变流器主电路：由两套PWM变流器组成，即发电机侧变流器和电网侧变流器。两套变流器均采用智能功率模块(IPM)构成电压型多电平变流器的主回路。IPM模块将具有驱动、保护功能的电路与IGBT模块集成封装在一模块内，并且IPM釆用与逻辑电平兼容的标准化的栅控接口，从而简化了与控制电路相连时接口电路，有的甚至可以直接相连，且扩展性能很好。

隔离、驱动及保护电路：栅极驱动电路和保护电路通过外部的接口电路与控制电路连接。其中的驱动功能是由FPGA产生的固定占空比的PWM控制信号，经光耦隔离电路，实现系统的控制电路与主电路的电气有效隔离；再经由推挽驱动电路送到主电路上各桥臂IGBT开关器件的栅极，向IGBT开关器件提供足够的栅极充、放电电流；同时，保护功能是在变流器主电路发生故障(过流、短路、过热、欠电压等)情况下各故障输出信号通过外接的接口电路传输到PWM发生器，FPGA会关断PWM控制信号输出，从而对IGBT开关器件实施保护。

输入滤波器：输入侧安装三相LC滤波器，尽可能多地滤除输入电流中由IGBT开关器件动作所产生的高频谐波成分，减小对电网侧的高频谐波污染，并提高输入功率因数。因此，考虑多电平变流器的实际需要，其转折频率在电网电压基频(50Hz)和采样频率(即开关频率50KHz)之间选取，并且不能过于接近采样频率。输入滤波器的转折频率由滤波电感、电容值决定。

辅助开关电源：该幵关电源由主电源模块和辅助电源模块两部分组成。这两部分具有类似结构，都由半桥DC-DC变换电路、高频隔离变压器和整流滤波电路构成。主电源模块由变流器三相输入电压源中的一相供电；辅助电源模块由变流器中的直流环节电容储能为弱电控制系统供电。这两个电源模块中的半桥DC-DC变换器的驱动脉冲完全相同，均由同一控制电路提供。电网正常时，只有主电源模块向弱电控制系统供电；电网故障时，由辅助电源模块将直流环节电容储能变换后通过主电源模块中的半桥DC-DC变换器提供给弱电控制系统，以维持弱电控制系统处于工作状态。待电网恢复正常后，系统能够迅速回到稳定工作状态。

信号采样与调理电路：变流器系统中，各电压、电流传感器以及信号调理电路是必不可少的组成部分。这些组成部分都为控制电路提供准确的运行信息，为实现系统的控制提供依据。本系统中要处理的信号有电压信号和光电编码器信号。其中需要采样的信号有发电机转速、电网电压、电网频率、转子位置角、定子端电压、定子端交流频率、转子端电压。信号调理电路对各个电压、电流传感器实时釆集到的电网电压和定子(转子)电压及定子(转子)电流进行滤波、整形、隔离等，以满足控制电路对信号的要求。本发明采用了模块化设计，把系统分成多个信号采样调理模块，对各个被测量信号分别采样调理。各个被测量信号经过信号调理电路，变为DSP所要求的范围内的模拟信号，送至DSP的A/D输入通道进行转换。

控制电路：对于功能要求多的复杂系统，单处理器的运算能力已经不能满足系统控制要求，本发明的变流器控制系统采用多处理器控制方式，核心由DSP芯片和FPGA芯片构成，以DSP芯片和FPGA芯片为核心的控制电路是整个弱电控制系统的关键部件通过利用FPGA运行速度快，集成规模大的特点，可以用FPGA可编程器件来实现全数字化的脉冲发生器的所有功能，使DSP能从事复杂而精确的控制工作。DSP芯片完成对各个被测量信号的采集与控制，FPGA可编程器件负责空间矢量PWM波形的生成。DSP芯片在进行控制计算任务后，会定时更新各桥臂上IPM功率模块的触发信号而后送入FPGA芯片；DSP芯片最新的触发信号宽度会被存入FPGA芯片，发出空间矢量PWM波形，FPGA芯片的工作不受主处理器的影响。FPGA可编程器件可当作数字化的脉冲发生器来完成脉冲产生的功能，这样不但系统在结构上简单，而且稳定性好、控制精度高。FPGA芯片将不依赖于DSP处理器而独立运行，不但减轻了DSP处理器的工作负担，同时也提高了可靠性。

参见图2，本设计方案以TI公司TMS320F28335DSP芯片和Altera公司EPIC6Q240C8NFPGA芯片为核心，通过相应的外围电路，对各种信号(如：电压、电流等)进行采集和运算处理，并实现PWM控制信号的产生，PWM脉冲放大输出以及控制信号的输入输出等功能。控制系统硬件结构如图2所示。围绕该DSP+FPGA核心单元，控制系统的硬件部分还包括：DSP最小系统，信号隔离与调理电路，A/D转换电路、光电码盘接口电路以及开关量信号处理电路等。

控制单元：本控制电路以TI公司TMS320F28335DSP芯片和Altera公司EP1C6Q240C8NFPGA芯片为核心单元，该单元中DSP处理器主要完成信号釆样及控制计算，FPGA芯片用来实现脉冲发生器。DSP处理器在完成控制计算后，定时刷新每相桥臂上功率开关管(IGBT)的触发脉冲宽度，并送至FPGA芯片:FPGA芯片存储有处理器最新刷新的脉冲宽度并发出PWM脉冲信号，而PWM脉冲信号就是用来控制主电路上功率开关管(IGBT)的通断时间的，其正常工作不受DSP处理器的影响。

DSP最小系统：通常情况下，DSP芯片不能独立工作，要想使其运行，必须对其供电，并提供时钟、复位等信号。欲组成一个能正常工作的系统，还需设计JTAG接口来实现程序的烧录；此外，因数据处理量较大，一般要扩展RAM存储器,通过这些基本的外围电路就构成了一个最基本DSP系统,可称为最小系统。

信号检测与调理电路：对本设计而言，既有模拟I/O又有数字I/O，针对提高抗噪声等干扰问题，模拟量与数字量之间需要相互隔离。信号调理电路主要完成模拟信号(电流、电压等)和数字信号的采集、处理，为系统的闭环控制和故障报警保护提供必须信号。这部分为检测量的输入与控制量的输出提供硬件接口。

A/D转换电路：主要用来将模拟信号转化为DSP芯片能用的数字信号。它包括模拟转换单元和数字转换单元两个部分，其中模拟转换单元主要包括前端模拟多路复用器、采样/保持电路、转换内核、电压调节器等。

光电码盘接口电路：本系统中发电机转子速度和位置信号是通过安装在发电机轴上的光电编码盘来实现检测。当电机转动时输出脉冲，电路中用到芯片74LVC16245对脉冲信号反向整形，再将信号送至DSP芯片的捕获端口，利用捕获单元的计数功能得到转子的转速和位置。本接口电路还设计了转速的旋钮给定以及给定转速与实际转速的数码管显示。

开关量信号处理电路：IPM模块保护时和控制并网投切时，都用到输入输出开关量。IPM模块的故障信号是作为开关量输入至DSP芯片；输出开关量主要是用来驱动输出继电器，以显示本机装置的运行状态。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。