本发明涉及风力发电控制技术领域，特别涉及一种风电变流器的闭环控制装置
背景技术：
风力发电以其无污染和可再生性，日益受到世界各国的重视，风能也成为保持增长最快的能源。风能资源是清洁的可再生能源，风力发电是新能源中技术最成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式之一。世界上很多国家，已经充分认识到风电在调整能源结构、缓解环境污染等方面的重要性，对风电的开发给予了高度的重视。
风电变流器是将风力发电机输出的电压幅值、频率变化的电能转换为恒压、恒频的交流电能的装置，是风力发电系统中的一个重要部件。因此，研制适用于风电转换的高可靠性、高效率、控制及供电性能良好的风力发电变流系统，是风力发电技术的研究重点，具有重要的意义。
技术实现要素：
(一)解决的技术问题
为了解决上述问题，本发明提供了一种风电变流器的闭环控制装置，通过对变流器的输出信号进行采样并反馈回波形接近正弦、谐波含量少、功率因数接近1的输入信号，实现了变流器的自适应调节，保证了直流母线电压的稳定，使变流器工作稳定可靠，转换效率高。
(二)技术方案
一种风电变流器的闭环控制装置，包括第一采样单元、第一信号调理单元、第二采样单元、第二信号调理单元、数字处理单元、电平转换单元、igbt驱动单元、隔离保护单元、can通信单元和电源单元；
所述第一采样单元的输入端连接变流器，所述第一采样单元的输出端连接所述第一信号调理单元的输入端，所述第一采样单元采集所述变流器的交流电压和电流信号，输出交流电流信号；所述第一采样单元包括电流传感器、第一和第二运算放大器、第一～第三二极管和第一～第九电阻，其中所述电流传感器选用霍尔电流传感器chb_50a，所述第一和第二运算放大器选用四运算放大器lm324，所述第一二极管为肖特基二极管；
所述第一信号调理单元的输入端连接所述第一采样单元的输出端，所述第一信号调理单元的输出端连接所述数字处理单元的a/d口，所述第一信号调理单元对所述第一采样单元输出的所述交流电流信号进行处理，使其符合所述数字处理单元的所述a/d口对输入信号的要求；所述第一信号调理单元包括第三运算放大器、第四二极管、第十～第十六电阻、第一和第二电容，其中所述第三运算放大器选用四运算放大器lm324，所述第四二极管为肖特基二极管；
所述第二采样单元的输入端连接直流母线，所述第二采样单元的输出端连接所述第二信号调理单元的输入端，所述第二采样单元采集所述直流母线的电压信号，输出直流电流信号；所述第二采样单元和所述第一采样单元具有相同的电路结构；
所述第二信号调理单元的输入端连接所述第二采样单元的输出端，所述第二信号调理单元的输出端连接所述数字处理单元的所述a/d口，所述第二信号调理单元对所述第二采样单元输出的所述直流电流信号进行处理，使其符合所述数字处理单元的所述a/d口对输入信号的要求；所述第二信号调理单元和所述第一信号调理单元具有相同的电路结构；
所述数字处理单元的输入端通过所述a/d口分别连接所述第一信号调理单元和所述第二信号调理单元的输出端，所述数字处理单元的输出端通过pwm口连接所述电平转换单元的输入端，所述数字处理单元对所述第一信号调理单元和所述第二信号调理单元输入的信号进行a/d转换和分析，输出3.3v的pwm脉冲驱动信号；
所述电平转换单元的输入端连接所述数字处理单元的所述pwm口，所述电平转换单元的输出端连接所述igbt驱动单元的输入端，所述电平转换单元将所述3.3v的pwm脉冲驱动信号转换为5v的pwm脉冲驱动信号，使其符合所述igbt驱动单元对输入信号的要求；
所述igbt驱动单元的输入端连接所述电平转换单元的输出端，所述igbt驱动单元的输出端连接所述隔离保护单元的输入端，所述igbt驱动单元对所述5v的pwm脉冲驱动信号进行功率放大；所述igbt驱动单元包括igbt驱动器、igbt管、第五～第十二极管、第三～第五电容和第十七～第十九电阻，其中所述igbt驱动器选用快速型igbt驱动专用模块exb841；
所述隔离保护单元的输入端连接所述igbt驱动单元的输出端，所述隔离保护单元的输出端连接所述变流器，所述隔离保护单元将数字控制电路部分与所述变流器进行隔离，同时保护所述igbt驱动单元；所述igbt驱动单元通过所述隔离保护单元将放大的pwm信号反馈给所述变流器，实现对所述变流器的自适应调节；
所述can通信单元的输入端连接所述数字处理单元的can口，所述can通信单元的输出端连接plc工控机，所述数字处理单元通过所述can通信单元将采集的数据上传给所述plc工控机，同时所述plc工控机通过所述can通信单元对所述变流器的自适应调节过程进行控制；
所述电源单元为系统其他各单元提供工作电压，所述电源单元包括电源、第一和第二稳压器、电感、第十一二极管、第六～第十电容和第二十电阻，其中所述电源为dc±15v，所述第一稳压器选用降压开关型集成稳压器lm2576s，所述第二稳压器选用单输出低压差稳压器tps7333qp。
进一步的，所述数字处理单元选用数字处理器tms320lf2407a。
进一步的，所述电平转换单元选用电平转换芯片74hct。
进一步的，所述隔离保护单元选用光耦隔离器tlp521。
进一步的，所述can通信单元选用通用can隔离收发器ctm8251at。
(三)有益效果
本发明提供了一种风电变流器的闭环控制装置，通过对变流器的输出信号进行采样并反馈回波形接近正弦、谐波含量少、功率因数接近1的输入信号，实现了变流器的自适应调节，保证了直流母线电压的稳定，使变流器工作稳定可靠，转换效率高，其结构简单，系统功耗低，检测精度高，响应速度快，稳定性和可靠性好，控制方便，能够很好的满足双馈风力发电系统的要求。
附图说明
图1为本发明所涉及的一种风电变流器的闭环控制装置的系统结构框图。
图2为本发明所涉及的一种风电变流器的闭环控制装置的采样单元电路原理图。
图3为本发明所涉及的一种风电变流器的闭环控制装置的信号调理单元电路原理图。
图4为本发明所涉及的一种风电变流器的闭环控制装置的igbt驱动单元电路原理图。
图5为本发明所涉及的一种风电变流器的闭环控制装置的can通信单元电路原理图。
图6为本发明所涉及的一种风电变流器的闭环控制装置的电源单元电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明所涉及的实施例做进一步详细说明。
如图1所示，一种风电变流器的闭环控制装置，包括第一采样单元、第一信号调理单元、第二采样单元、第二信号调理单元、数字处理单元、电平转换单元、igbt驱动单元、隔离保护单元、can通信单元和电源单元。
第一采样单元的输入端连接变流器，第一采样单元的输出端连接第一信号调理单元的输入端，第一采样单元采集变流器的交流电压和电流信号，输出交流电流信号。如图2所示，第一采样单元包括电流传感器u1、运算放大器u2a和u2b、二极管d1～d3和电阻r1～r9，其中电流传感器u1选用霍尔电流传感器chb_50a，运算放大器u2a和u2b选用四运算放大器lm324，二极管d1为肖特基二极管。霍尔电流传感器chb_50a的工作原理为霍尔磁补偿，额定电流为50a，匝数比为1：1000，工作电压为±15v。
第一信号调理单元的输入端连接第一采样单元的输出端，第一信号调理单元的输出端连接数字处理单元的a/d口，第一信号调理单元对第一采样单元输出的交流电流信号进行处理，使其符合数字处理单元的a/d口对输入信号的要求。如图3所示，第一信号调理单元包括运算放大器u2c、二极管d4、电阻r10～r16、电容c1和c2，其中运算放大器u2c选用四运算放大器lm324，二极管d4为肖特基二极管。第一采样单元输出的电流信号首先经过一个功率电阻r10转换为相应的电压信号，再经电阻r12和电容c1组成的rc滤波后与一直流电压给定信号相加后经lm324比例放大，与直流电压给定信号叠加的目的是使输入的电流信号经过直流偏置后在0～3.3v之间变化，满足数字处理单元的a/d口对输入信号的要求，rc滤波及比例放大是为了减小干扰。
第二采样单元的输入端连接直流母线，第二采样单元的输出端连接第二信号调理单元的输入端，第二采样单元采集直流母线的电压信号，输出直流电流信号；第二采样单元和所述第一采样单元具有相同的电路结构。
第二信号调理单元的输入端连接第二采样单元的输出端，第二信号调理单元的输出端连接数字处理单元的a/d口，第二信号调理单元对第二采样单元输出的直流电流信号进行处理，使其符合数字处理单元的a/d口对输入信号的要求；第二信号调理单元和第一信号调理单元具有相同的电路结构。同样的，第二信号调理单元将第二采样单元采集的直流母线电压信号进行直流偏置后也在0～3.3v之间变化，满足数字处理单元的a/d口对输入信号的要求。
数字处理单元的输入端通过a/d口分别连接第一信号调理单元和第二信号调理单元的输出端，数字处理单元的输出端通过pwm口连接电平转换单元的输入端，数字处理单元对第一信号调理单元和第二信号调理单元输入的信号进行a/d转换和分析，输出3.3v的pwm脉冲驱动信号。数字处理单元选用数字处理器tms320lf2407a，兼dsp的高运算速度和单片机的强控制能力，集成了16通道10位500ns的高性能a/d转换器，can2.0模块等，具有2个16位通用定时器，8个16位pwm通道，可以实现三相反相器控制、pwm的中心或边缘校正等，功能十分强大，大大简化了外部硬件电路的设计。
电平转换单元的输入端连接数字处理单元的pwm口，电平转换单元的输出端连接igbt驱动单元的输入端，电平转换单元将3.3v的pwm脉冲驱动信号转换为5v的pwm脉冲驱动信号，使其符合igbt驱动单元对输入信号的要求，电平转换单元选用电平转换芯片74hct。
igbt驱动单元的输入端连接电平转换单元的输出端，igbt驱动单元的输出端连接隔离保护单元的输入端，igbt驱动单元对5v的pwm脉冲驱动信号进行功率放大。如图4所示，igbt驱动单元包括igbt驱动器u3、igbt管q1、二极管d5～d10、电容c3～c5和电阻r17～r19，其中igbt驱动器u3选用快速型igbt驱动专用模块exb841。二极管d5起保护作用，避免exb841的cvm脚承受过电压，通过二极管d7检测是否过电流，二极管d8是为了改变exb841过流保护起控点，以降低过高的保护阈值从而解决过流保护阈值太高的问题，电阻r17、电容c5和二极管d6接+15v电压以保证exb841的供电电压稳定，二极管d9和d10避免igbt管q1的栅极和射极出现过电压，电阻r19防止igbt管q1误导通。
隔离保护单元的输入端连接igbt驱动单元的输出端，隔离保护单元的输出端连接变流器，隔离保护单元将数字控制电路部分与变流器进行隔离，同时保护igbt驱动单元；igbt驱动单元通过隔离保护单元将放大的pwm信号反馈给所述变流器，实现对变流器的自适应调节。隔离保护单元选用光耦隔离器tlp521。
can通信单元的输入端连接数字处理单元的can口，can通信单元的输出端连接plc工控机，数字处理单元通过can通信单元将采集的数据上传给plc工控机，同时plc工控机通过can通信单元对变流器的自适应调节过程进行控制。如图6所示，can通信单元选用通用can隔离收发器ctm8251at，采集的数据通过can隔离收发器u4发送到can总线上。ctm8251at的主要功能是将can控制器的逻辑电平转换为can总线的差动电平，同时还具有对can控制器与can总线之间的隔离作用，隔离电源可达dc2500v。数字处理单元通过串口与ctm8251at连接，ctm8251at的can_h脚接can总线高数据位，can_l脚接低数据位。plc根据数字处理单元的应答信号读取can总线上的数据，同时通过can总线将控制指令发送给数字处理单元。
电源单元为系统其他各单元提供工作电压，电源单元包括电源、稳压器u5和u6、电感l1、二极管d11、电容c6～c10和电阻r20，电源为dc±15v，稳压器u5选用降压开关型集成稳压器lm2576s，稳压器u6选用单输出低压差稳压器tps7333qp。系统供电电源为dc±15v，由于电流传感器和can隔离收发器需要5v电源，而tms320lf2407a的工作电压是3.3v，因此需要将±15v变换为5v和3.3v。使用lm2576s作为±15v/5v的转换芯片，使用tps7333qp作为5v/3.3v的转换芯片。lm2576s输入范围7～40v，输出为5v，输出最大电流为3a。tps7333qp输入范围3.77～10v，输出为3.3v，输出最大电流为500ma。
本发明提供了一种风电变流器的闭环控制装置，通过对变流器的输出信号进行采样并反馈回波形接近正弦、谐波含量少、功率因数接近1的输入信号，实现了变流器的自适应调节，保证了直流母线电压的稳定，使变流器工作稳定可靠，转换效率高，其结构简单，系统功耗低，检测精度高，响应速度快，稳定性和可靠性好，控制方便，能够很好的满足双馈风力发电系统的要求。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。