一種風力發電軟并網控制器的研究與設計

甘敬松

(中船重工(武漢)凌久電氣有限公司，武漢 430205)

軟并網是定槳距風力發電機所采用的并網方式，具體步驟是：當發電機轉速達到同步轉速的90%時，進入軟并網工作狀態，發電機接觸器首先閉合，軟并網控制器得電，PLC對軟并網控制器進行復位并解除其鎖定信號，三相主電路上的3組反并聯晶閘管受軟并網控制器的控制被觸發導通，導通角隨著發電機與同步轉速的接近而增大；當發電機轉速完全達到同步轉速時晶閘管完全打開，轉速超過同步轉速進入發電狀態，此時軟并網控制器將晶閘管的工作狀態反饋至PLC，PLC發出命令接通旁路接觸器，軟并網裝置被旁路開關短路從而退出運行，機組完成整個并網過程，進入穩定運行狀態。同時，為了保證切入過程中對電網的沖擊電流較小，若切入電流大于限流范圍，則晶閘管導通角不再增大，當電流開始下降后，導通角逐漸打開直至完全開啟。如果電流過大或者維持時間過長，軟并網控制器將輸出故障信號至PLC，進而進行系統脫網控制[1]。

1 軟并網控制器總體結構①

軟并網控制器作為具體的執行機構完成并網和脫網功能。筆者設計了一套基于1MW定槳距機組的軟并網控制器，系統框圖如圖1所示。

軟并網控制器主要由3組反并聯的晶閘管和相應的控制電路組成，總體結構如圖2所示，包含以下幾個部分：

a. 3組反并聯晶閘管及其相應RC阻容吸收回路；

圖1 軟并網控制器系統框圖

b. 由單片機STM32F103R8T6構成的主控部分，產生晶閘管驅動脈沖信號；

c. 由脈沖變壓器構成的晶閘管驅動電路；

d. 由DC開關電源模塊等組成的電源部分，提供系統所需的正負15.0、5.0、3.3V電壓；

e. 由IIC接口的24C04組成的數據存儲單元和數碼管組成的顯示部分；

f. DI/DO接口，負責接收PLC發出的指令和向PLC發送信息；

g. 由線性光耦HCNR200組成的導通角接收電路；

h. 由全波精密整流電路組成的電流反饋電路；

i. 電壓、頻率、相序檢測電路，提供基本的保護功能；

j. 電壓和電流過零點檢測電路，提供觸發脈沖基準和續流角檢測。

圖2 軟并網控制器總體結構

2 主要硬件電路

2.1 驅動電路部分

單片機的移相觸發信號經過光耦隔離送至脈沖變壓器的原邊，經過功率放大送至晶閘管的門極從而實現晶閘管的導通控制。一共具有六路驅動電路，圖3所示為其中的一路。

2.2 導通角接收部分

通過PLC發送0～10V的電壓信號至軟并網控制器，0～180°導通角和0～10V的電壓信號一一對應，通過0～10V的接收轉換電路送至單片機的A/D，從而實現移相觸發控制。

導通角接收部分采用線性光耦隔離電路，精密線性光耦HCNR200為電流驅動型器件，其LED的最大工作電流為40mA，運算放大器的選取必須保證其輸出電流有足夠的驅動能力驅動LED二極管，具體電路如圖4所示[2]。

圖3 驅動電路

圖4 導通角接收電路

2.3 電流反饋信號部分

通過電流互感器采樣電機啟動過程中的電流信號，達到實時調節和保護的作用。電流反饋電路中的前兩級運算放大器構成全波精密整流電路[3]，將電流信號轉換成半波正弦電壓信號，再經一級電壓跟隨器送至單片機A/D，如圖5所示。

圖5 電流反饋信號電路

2.4 電壓過零點電路和相序檢測部分

經過電阻分壓網絡后的電壓信號經電壓跟隨和RC濾波之后送比較器構成電壓過零點檢測電路，如圖6所示，同時檢測3路過零點信號。

圖6 電壓過零點檢測電路

2.5 電流過零點電路部分

當晶閘管180°全導通時，晶閘管兩端的管壓降基本為零。利用晶閘管的此種特性，設計如圖7所示的檢測電流過零點電路，電流過零和電壓過零時刻差即為續流角，從而抑制電機啟動時刻的振動。

圖7 電流過零點檢測電路

3 系統軟件

軟并網控制器的工作流程如圖8所示。

軟件程序主要由主程序和中斷程序組成。

圖8 軟并網控制器工作流程

主程序在單片機正常復位以后，首先進行單片機硬件初始化工作與各變量的定義，其中單片機硬件初始化包括單片機各外設的時鐘使能、I/O端口定義、定時器功能設置、中斷設置、ADC設置、DMA設置以及看門狗設置等，該部分程序在執行以后再不執行。然后主程序轉移到循環部分，主程序在不被中斷打擾的情況下始終在循環內執行，循環部分的程序包括了掃描外圍控制板解鎖信號、復位信號和數碼顯示程序。

中斷程序用來處理捕獲和定時器溢出。晶閘管六路PWM輸出的分配就是在中斷程序中進行的。一個工頻周期為20ms，要平分成6次輸出有效電平，時間間隔為10/3ms，每次間隔將包含40個中斷周期時間，即通過內部的計數器保證達到相應間隔時間。其脈沖波形如圖9所示。

圖9 觸發脈沖波形

4 結束語

基于定槳距機組的軟并網控制器系統自設計完成后，已先后在山西、內蒙古等風場大批量應用，其工作穩定、可靠，可以完全替代進口產品。

[1] 葉杭冶. 風力發電機組的控制技術[M]．北京：機械工業出版社，2002：63～64.

[2] 施云貴，孫玉杰，張桂琴．采用精密線性光電耦合器實現SFP隔離配電器的設計[J]．電測與儀表，2005，42(5)：58～59．

[3] 景海云．精密整流電路的分析與應用[J]．河北建筑工程學院學報，2004，22(3)：97～99．