一种多电平变流器控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种多电平变流器控制系统，包括变流器主电路、隔离驱动保护电路、输入滤波器、辅助开关电源、信号采样与调理电路和控制电路；本发明专利技术主要针对风力发电机组变流器控制系统来设计。在对现有控制系统通用方案以及设计需求分析的基础上，本设计采用微处理器芯片与逻辑编程器件相结合的方式来完成多电平变流器控制系统的实现，即负责信号釆集及控制计算，完成矢量运算，将结果发送给通过对编程产生触发脉冲；主要负责波形的产生，从而来控制变流器工作。将原来芯片执行的控制波形的生成功能转移到逻辑编程器件内完成，使处理器能从事更高一级的运算工作和更复杂的控制工作，以便于提高控制系统的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种多电平变流器控制系统
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术采用了模块化设计，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，本专利技术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为本专利技术所述的多电平变流器控制系统的结构框图。图2为本专利技术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专利技术实现的技术手段、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，进一步阐述本专利技术。参见图1，本专利技术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。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多电平变流器控制系统，其特征在于，包括变流器主电路、隔离驱动保护电路、输入滤波器、辅助开关电源、信号采样与调理电路和控制电路；所述变流器主电路包括发电机侧变流器和电网侧变流器，所述发电机侧变流器和电网侧变流器均采用智能功率模块构成电压型多电平变流器的主回路，智能功率模块将驱动保护电路与IGBT模块集成封装在一模块内，并且智能功率模块釆用与逻辑电平兼容的标准化的栅控接口；所述驱动保护电路通过外部的接口电路与控制电路连接，其驱动功能是由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；所述输入滤波器的输入侧安装三相LC滤波器，用于滤除输入电流中由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；输入滤波器的转折频率由滤波电感、电容值决定；所述辅助开关电源包括主电源模块和辅助电源模块，主电源模块和辅助电源模块由半桥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；所述信号采样与调理电路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、定子端交流频率和转子端电压；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、转子电压及定、转子电流进行滤波、整形、隔离；并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；所述控制电路包括DSP芯片和FPGA芯片，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。...

【技术特征摘要】
1.一种多电平变流器控制系统，其特征在于，包括变流器主电路、隔离驱动保护电路、输入滤波器、辅助开关电源、信号采样与调理电路和控制电路；所述变流器主电路包括发电机侧变流器和电网侧变流器，所述发电机侧变流器和电网侧变流器均采用智能功率模块构成电压型多电平变流器的主回路，智能功率模块将驱动保护电路与IGBT模块集成封装在一模块内，并且智能功率模块釆用与逻辑电平兼容的标准化的栅控接口；所述驱动保护电路通过外部的接口电路与控制电路连接，其驱动功能是由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；所述输入滤波器的输入侧安装三相LC滤波器，用于滤除输入电流中由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...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙丛丛，王致杰，王庆泽，胡江，程亚丽，王宇鹏，华英，
申请(专利权)人：上海电机学院，
类型：发明
国别省市：上海,31