一种风力发电软并网控制器的研究与设计

2015-01-13甘敬松

化工自动化及仪表 2015年4期

甘敬松

(中船重工(武汉)凌久电气有限公司，武汉 430205)

软并网是定桨距风力发电机所采用的并网方式，具体步骤是：当发电机转速达到同步转速的90%时，进入软并网工作状态，发电机接触器首先闭合，软并网控制器得电，PLC对软并网控制器进行复位并解除其锁定信号，三相主电路上的3组反并联晶闸管受软并网控制器的控制被触发导通，导通角随着发电机与同步转速的接近而增大；当发电机转速完全达到同步转速时晶闸管完全打开，转速超过同步转速进入发电状态，此时软并网控制器将晶闸管的工作状态反馈至PLC，PLC发出命令接通旁路接触器，软并网装置被旁路开关短路从而退出运行，机组完成整个并网过程，进入稳定运行状态。同时，为了保证切入过程中对电网的冲击电流较小，若切入电流大于限流范围，则晶闸管导通角不再增大，当电流开始下降后，导通角逐渐打开直至完全开启。如果电流过大或者维持时间过长，软并网控制器将输出故障信号至PLC，进而进行系统脱网控制[1]。

1 软并网控制器总体结构①

软并网控制器作为具体的执行机构完成并网和脱网功能。笔者设计了一套基于1MW定桨距机组的软并网控制器，系统框图如图1所示。

软并网控制器主要由3组反并联的晶闸管和相应的控制电路组成，总体结构如图2所示，包含以下几个部分：

a. 3组反并联晶闸管及其相应RC阻容吸收回路；

图1 软并网控制器系统框图

b. 由单片机STM32F103R8T6构成的主控部分，产生晶闸管驱动脉冲信号；

c. 由脉冲变压器构成的晶闸管驱动电路；

d. 由DC开关电源模块等组成的电源部分，提供系统所需的正负15.0、5.0、3.3V电压；

e. 由IIC接口的24C04组成的数据存储单元和数码管组成的显示部分；

f. DI/DO接口，负责接收PLC发出的指令和向PLC发送信息；

g. 由线性光耦HCNR200组成的导通角接收电路；

h. 由全波精密整流电路组成的电流反馈电路；

i. 电压、频率、相序检测电路，提供基本的保护功能；

j. 电压和电流过零点检测电路，提供触发脉冲基准和续流角检测。

图2 软并网控制器总体结构

2 主要硬件电路

2.1 驱动电路部分

单片机的移相触发信号经过光耦隔离送至脉冲变压器的原边，经过功率放大送至晶闸管的门极从而实现晶闸管的导通控制。一共具有六路驱动电路，图3所示为其中的一路。

2.2 导通角接收部分

通过PLC发送0～10V的电压信号至软并网控制器，0～180°导通角和0～10V的电压信号一一对应，通过0～10V的接收转换电路送至单片机的A/D，从而实现移相触发控制。

导通角接收部分采用线性光耦隔离电路，精密线性光耦HCNR200为电流驱动型器件，其LED的最大工作电流为40mA，运算放大器的选取必须保证其输出电流有足够的驱动能力驱动LED二极管，具体电路如图4所示[2]。

图3 驱动电路

图4 导通角接收电路

2.3 电流反馈信号部分

通过电流互感器采样电机启动过程中的电流信号，达到实时调节和保护的作用。电流反馈电路中的前两级运算放大器构成全波精密整流电路[3]，将电流信号转换成半波正弦电压信号，再经一级电压跟随器送至单片机A/D，如图5所示。

图5 电流反馈信号电路

2.4 电压过零点电路和相序检测部分

经过电阻分压网络后的电压信号经电压跟随和RC滤波之后送比较器构成电压过零点检测电路，如图6所示，同时检测3路过零点信号。

图6 电压过零点检测电路

2.5 电流过零点电路部分

当晶闸管180°全导通时，晶闸管两端的管压降基本为零。利用晶闸管的此种特性，设计如图7所示的检测电流过零点电路，电流过零和电压过零时刻差即为续流角，从而抑制电机启动时刻的振动。

图7 电流过零点检测电路

3 系统软件

软并网控制器的工作流程如图8所示。

软件程序主要由主程序和中断程序组成。

图8 软并网控制器工作流程

主程序在单片机正常复位以后，首先进行单片机硬件初始化工作与各变量的定义，其中单片机硬件初始化包括单片机各外设的时钟使能、I/O端口定义、定时器功能设置、中断设置、ADC设置、DMA设置以及看门狗设置等，该部分程序在执行以后再不执行。然后主程序转移到循环部分，主程序在不被中断打扰的情况下始终在循环内执行，循环部分的程序包括了扫描外围控制板解锁信号、复位信号和数码显示程序。

中断程序用来处理捕获和定时器溢出。晶闸管六路PWM输出的分配就是在中断程序中进行的。一个工频周期为20ms，要平分成6次输出有效电平，时间间隔为10/3ms，每次间隔将包含40个中断周期时间，即通过内部的计数器保证达到相应间隔时间。其脉冲波形如图9所示。