双馈型风力发电系统及其变流器的控制系统的制作方法

本实用新型涉及风力发电中变频器的技术领域，尤其涉及双馈型风力发电系统中变流器的控制系统，以及包括该控制系统的双馈型风力发电系统。

背景技术：

风力发电并网变流器是一种运用现代高科技技术，集成现代控制理论，微电子技术及现代电力电子变换技术等交叉学科的高新技术产品，是把风能转化为电能并入电网的纽带，既能对电网输送风力发电的有功分量，又能连结、调节电网端无功分量，起到无功补偿的作用。双馈型风力发电系统主要包括风轮机、齿轮箱、双馈发电机、变流器、变压器、电网等。当风吹动风轮机转动时，风轮机将其捕获的风能转化为机械能再通过齿轮箱传递到双馈发电机，双馈发电机将机械能转化为电能，再经变流器及变压器将其并入电网。通过系统控制器及变流器对桨叶、双馈发电机进行合理的控制使整个系统实现风能最大捕获。双馈异步发电机的定子与转子两侧都可以馈送能量，由于转子侧是通过变频器接入的低频电流起到了励磁作用，因此又名交流励磁发电机。

变流器通过对双馈发电机的转子进行励磁，使得双馈发电机的定子侧输出电压的幅值、频率和相位与电网相同，实现风力发电机软并网，减小并网冲击电流对电机和电网造成的不利影响。在变流器的控制中重点是对于机侧模块和网侧模块的控制。现阶段变流器的控制系统主要是各变流器厂家自行设计硬件电路，主要采用的设计方案为:

1、采用以DSP为核心，外围器件包括Canopen或Profibus通讯芯片，IO芯片，AI与AO模块芯片，将这些芯片设计在一块或多块集成电路板上，通过特殊编程实现对外围信号的读取及控制。

2、采用西门子Simotion控制器及自行设计的硬件电路板。

技术实现要素：

本实用新型的目的之一是提供双馈型风力发电系统及其变流器的控制系统，该控制系统能够提高通用性，缩短开发周期、提高控制的同步性。

本实用新型的一个方面提供了双馈型风力发电系统中变流器的控制系统，包括：

一可编程逻辑控制器，其包括：

一CPU模块，

一数字量输入模块，其用于获取双馈型风力发电系统的一主断路器、一保护开关和一安全链中的一个或多个的状态，

一数字量输出模块，其用于控制双馈型风力发电系统的至少一外围设备的启动停止，

一电流输入模块，其用于采集变流器的一水冷系统的压力，和

一温度输入模块，其用于采集双馈型风力发电系统的温度；

一变流器机侧模块，其与CPU模块通过Profinet IRT通讯，并从CPU模块获得一频率值和一转速值，用于控制双馈型风力发电系统的一双馈发电机的励磁电流，调节双馈发电机的输出功率；和

一变流器网侧模块，其与CPU模块通过Profinet IRT通讯，并从CPU模块获得电压值，用于稳定双馈型风力发电系统的变流器的直流电压，调节网侧功率因数。该控制系统能够提高通用性，缩短开发周期、提高控制的同步性。

在控制系统的一种示意性的实施方式中，变流器机侧模块包括复数个第一子控制模块，CPU模块与每一第一子控制模块通过Profinet IRT通讯，以实现对复数个第一子控制模块的同步控制；

变流器网侧模块包括复数个第二子控制模块，CPU模块与每一第二子控制模块通过Profinet IRT通讯，以实现对复数个第二子控制模块的同步控制。这样能够提高稳定直流电压，控制功率因素的能力，也能够提高控制励磁电流，调节功率输出的能力。

在控制系统的另一种示意性的实施方式中，第一子控制模块和第二子控制模块均为IGBT模块。

本实用新型的另一个方面提供了双馈型风力发电系统，包括上述的控制系统。该控制系统能够提高通用性，缩短开发周期、提高控制的同步性。

在双馈型风力发电系统的一种示意性的实施方式中，还包括一主控系统，其与CPU模块通过Profinet IRT通讯，并向CPU模块发送一转矩值，CPU模块根据转矩值生成频率值和转速值。主控系统与变流器的控制系统之间的通讯的实时性及稳定性得到提高。

附图说明

下文将以明确易懂的方式通过对优选实施例的说明并结合附图来对本实用新型上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明，其中：

图1是本实用新型的实施例提供的双馈型风力发电系统的结构示意图；

图2是本实用新型的实施例提供的变流器的控制系统和主控系统的连接结构示意图。

标号说明：

10 风轮机

20 齿轮箱

30 双馈发电机

40 变流器

41 可编程逻辑控制器

410 CPU模块

411 数字量输入模块

412 数字量输出模块

413 电流输入模块

414 温度输入模块

42 变流器机侧模块

420 第一子控制模块

43 变流器网侧模块

430 第二子控制模块

50 变压器

60 电网

70 主控系统

100 双馈型风力发电系统

具体实施方式

为了对实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本实用新型的具体实施方式，在各图中相同的标号表示相同的部分。

下面讨论的各图以及被用来描述在该专利文档中的本公开的原理的各种实施例仅以说明的方式并且无论如何不应该被解释成限制本公开的范围。本领域技术人员将会理解，可以在任何适当布置的设备中实施本公开的原理。将参考示例性非限制实施例来描述本申请的各种创新教导。

在本文中，“示意性”表示“充当实例、例子或说明”，不应将在本文中被描述为“示意性”的任何图示、实施方式解释为一种更优选的或更具优点的技术方案。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本实用新型相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地示出了其中的一个，或仅标出了其中的一个。

图1是本实用新型的实施例提供的双馈型风力发电系统的结构示意图。图2是本实用新型的实施例提供的变流器的控制系统和主控系统的连接结构示意图。结合图1和图2可以看出，该双馈型风力发电系统100包括：一风轮机10、一齿轮箱20、一双馈发电机30、一变流器40、一变压器50、一电网60和一主控系统70。该变流器40包括变流器的控制系统(图中未标识)，以及水冷系统，风扇、加热器等外围设备(图中未画出)等。

该控制系统包括：

一可编程逻辑控制器(即PLC)41，其包括：

一CPU模块410，

一数字量输入模块411，其用于获取双馈型风力发电系统100的一主断路器、一保护开关和一安全链(图中未画出)中的一个或多个的状态，

一数字量输出模块412，其用于控制双馈型风力发电系统100的至少一外围设备(例如：风扇，加热器等)的启动停止，

一电流输入模块413，其用于采集变流器40的一水冷系统的压力，和

一温度输入模块414，其用于采集双馈型风力发电系统100的温度；

一变流器机侧模块42，其与CPU模块41通过Profinet IRT通讯，并从CPU模块41获得一频率值和一转速值，用于控制双馈型风力发电系统100的一双馈发电机30的励磁电流，调节双馈发电机30的输出功率；和

一变流器网侧模块43，其与CPU模块41通过Profinet IRT通讯，并从CPU模块41获得电压值，用于稳定双馈型风力发电系统100的变流器40的直流电压，调节网侧功率因数。

在一个示意性的实施方式中，主控系统70与CPU模块410通过Profinet IRT通讯，并向CPU模块410发送一转矩值，CPU模块410根据转矩值生成频率值和转速值。主控系统70从一转速传感器(图中未画出)得到转速值并转换为该转矩值后发送给CPU模块410。CPU模块410根据该转矩值给变流器机侧模块42输出该频率值和转速值，变流器机侧模块42根据该频率值和转速值输出该励磁电流，进而调节双馈发电机的输出功率。另外，CPU模块410向变流器网侧模块43输出电压值，变流器网侧模块43根据该电压值向变流器40的直流母线(图中未画出)输出直流电压，以控制该变流器40的直流电压，进而调节网侧功率因数。这样就同时实现了双馈发电机输出功率的控制以及网侧功率因数。另外，CPU模块410与变流器机侧模块42、变流器网侧模块43均通过Profinet IRT通讯，实现同步控制。使用可编程逻辑控制器，通用性好，开发周期短。

在一个示意性的实施方式中，可编程逻辑控制器41采用的西门子S7-1518控制器，其支持Profinet IRT通讯，通讯速度能到达250微秒，能够满足变流器内设备控制同步需求。西门子S7-1518控制器支持ODK方式，可将C语言开发的动态链接库运行在控制器中，满足客户的核心控制算法的跨平台和保护需求。

另外，数字量输入模块、数字量输出模块及模拟量模块(电流输入模块、温度输入模块)对控制柜内的开关信号及温度等信号采集并控制柜内设备的运行。

在一个示意性的实施方式中，变流器机侧模块42包括复数个第一子控制模块420，CPU模块410与每一第一子控制模块420通过Profinet IRT通讯，以实现对复数个第一子控制模块420的同步控制；变流器网侧模块43包括复数个第二子控制模块430，CPU模块410与每一第二子控制模块430通过Profinet IRT通讯，以实现对复数个第二子控制模块430的同步控制。第一子控制模块420能够控制双馈型风力发电系统100的双馈发电机30的励磁电流，调节双馈发电机30的输出功率。每一第二子控制模块430能够稳定双馈型风力发电系统100的变流器40的直流电压，调节网侧功率因数。CPU模块410与每一第一子控制模块420直接电连接或间接电连接。CPU模块410与每一第二子控制模块430直接电连接或间接电连接。在一个示意性的实施方式中，第一子控制模块和第二子控制模块均为IGBT模块。变流器网侧模块43包含复数个第二子控制模块430，能够提高稳定直流电压，控制功率因素的能力。而变流器机侧模块42包含复数个第一子控制模块420，能够提高控制励磁电流，调节功率输出的能力。CPU模块410通过Profinet IRT通讯与变流器机侧模块42及变流器网侧模块43进行数据交换，从而控制变流器机侧模块42及变流器网侧模块43协同工作；同时完成变流器40对功率模块(图中未画出)的同步控制，实现多个IGBT模块之间的控制同步，将双馈发电机30输出功率转换为50Hz的工频电能输出到电网60。

在一个示意性的实施方式中，变流器机侧模块42、变流器网侧模块43与可编程逻辑控制器41的通讯采用Profinet RT通讯，变流器的控制系统和主控系统70之间采用Profinet通讯，变流器的控制系统作为主控系统70的智能子站。完成变流器的控制系统和主控系统70之间的通讯，实现主控系统70对变流器的控制系统的同步控制。主控系统70将控制指令以及转矩给定值等信号发送给变流器的控制系统，并接收变流器40反馈的双馈发电机30的实际转矩和变流器40的状态字反馈等信号。在一个示意性的实施方式中，变流器的控制系统中还配备有Proifbus接口，如主控系统70不支持Profinet通讯，可采用Profibus通讯，并不需要单独添加模块。在一个示意性的实施方式中，还包括存储器(图中未画出)，其支持CSV文件的存储，便于保存故障记录。

综上所述，本实用新型的实施例提供的变流器的控制系统具有以下有益效果中的一个或多个：

1.在同步控制上采用Profinet IRT等时同步功能，保证控制的精确性。

在现有的设计中系统的同步采用硬件中断的方式，同步的时间为程序中计算，而本系统中的设计采用Profinet IRT等时同步的功能，可计算出各部分的运行时间，数据传送时间，从而自动控制其设备同步，保证了同步控制的精确性及实时性。

2.与主控采用Profinet RT通讯，通讯实时性及稳定性更佳。

在现有的设计中主控系统与变流器的通讯采用Profibus或Canopen通讯，本申请中采用Profinet RT通讯，提高通讯的实时性及稳定性。Profibus或Canopen通讯易受环境的干扰。

3.灵活的硬件接口，IO模块化，可根据设计进行增减。

本申请使用通用的CPU模块及通用的IO模块，硬件模块均经过了实验的验证，减少开发周期，自行设计的电路板需要经过长时间的开发及验证。IO模块可配置可根据实际配置随意更改，现有的系统中采用集成电路设计，IO数量固定，如增加IO点需重新设计电路。兼顾嵌入式系统开发和开放式控制器的双重优点。

4.通用的开发环境，支持传统PLC语言，同时支持高级语言编程，易于实现复杂的控制算法。

5.支持CSV文件的存储，便于保存故障记录。

利用文件存储功能，编写程序当故障发生时将故障记录下来并存储为CSV文件保存到系统的SD卡中。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施方式描述的，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本实用新型的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本实用新型的保护范围，凡未脱离本实用新型技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本实用新型的保护范围之内。