本實用新型涉及風力發(fā)電中變頻器的技術領域，尤其涉及雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)中變流器的控制系統(tǒng)，以及包括該控制系統(tǒng)的雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)。

背景技術：

風力發(fā)電并網(wǎng)變流器是一種運用現(xiàn)代高科技技術，集成現(xiàn)代控制理論，微電子技術及現(xiàn)代電力電子變換技術等交叉學科的高新技術產(chǎn)品，是把風能轉(zhuǎn)化為電能并入電網(wǎng)的紐帶，既能對電網(wǎng)輸送風力發(fā)電的有功分量，又能連結(jié)、調(diào)節(jié)電網(wǎng)端無功分量，起到無功補償?shù)淖饔?。雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)主要包括風輪機、齒輪箱、雙饋發(fā)電機、變流器、變壓器、電網(wǎng)等。當風吹動風輪機轉(zhuǎn)動時，風輪機將其捕獲的風能轉(zhuǎn)化為機械能再通過齒輪箱傳遞到雙饋發(fā)電機，雙饋發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)化為電能，再經(jīng)變流器及變壓器將其并入電網(wǎng)。通過系統(tǒng)控制器及變流器對槳葉、雙饋發(fā)電機進行合理的控制使整個系統(tǒng)實現(xiàn)風能最大捕獲。雙饋異步發(fā)電機的定子與轉(zhuǎn)子兩側(cè)都可以饋送能量，由于轉(zhuǎn)子側(cè)是通過變頻器接入的低頻電流起到了勵磁作用，因此又名交流勵磁發(fā)電機。

變流器通過對雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)子進行勵磁，使得雙饋發(fā)電機的定子側(cè)輸出電壓的幅值、頻率和相位與電網(wǎng)相同，實現(xiàn)風力發(fā)電機軟并網(wǎng)，減小并網(wǎng)沖擊電流對電機和電網(wǎng)造成的不利影響。在變流器的控制中重點是對于機側(cè)模塊和網(wǎng)側(cè)模塊的控制。現(xiàn)階段變流器的控制系統(tǒng)主要是各變流器廠家自行設計硬件電路，主要采用的設計方案為:

1、采用以DSP為核心，外圍器件包括Canopen或Profibus通訊芯片，IO芯片，AI與AO模塊芯片，將這些芯片設計在一塊或多塊集成電路板上，通過特殊編程實現(xiàn)對外圍信號的讀取及控制。

2、采用西門子Simotion控制器及自行設計的硬件電路板。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的之一是提供雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)及其變流器的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)能夠提高通用性，縮短開發(fā)周期、提高控制的同步性。

本實用新型的一個方面提供了雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)中變流器的控制系統(tǒng)，包括：

一可編程邏輯控制器，其包括：

一CPU模塊，

一數(shù)字量輸入模塊，其用于獲取雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)的一主斷路器、一保護開關和一安全鏈中的一個或多個的狀態(tài)，

一數(shù)字量輸出模塊，其用于控制雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)的至少一外圍設備的啟動停止，

一電流輸入模塊，其用于采集變流器的一水冷系統(tǒng)的壓力，和

一溫度輸入模塊，其用于采集雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)的溫度；

一變流器機側(cè)模塊，其與CPU模塊通過Profinet IRT通訊，并從CPU模塊獲得一頻率值和一轉(zhuǎn)速值，用于控制雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)的一雙饋發(fā)電機的勵磁電流，調(diào)節(jié)雙饋發(fā)電機的輸出功率；和

一變流器網(wǎng)側(cè)模塊，其與CPU模塊通過Profinet IRT通訊，并從CPU模塊獲得電壓值，用于穩(wěn)定雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)的變流器的直流電壓，調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)。該控制系統(tǒng)能夠提高通用性，縮短開發(fā)周期、提高控制的同步性。

在控制系統(tǒng)的一種示意性的實施方式中，變流器機側(cè)模塊包括復數(shù)個第一子控制模塊，CPU模塊與每一第一子控制模塊通過Profinet IRT通訊，以實現(xiàn)對復數(shù)個第一子控制模塊的同步控制；

變流器網(wǎng)側(cè)模塊包括復數(shù)個第二子控制模塊，CPU模塊與每一第二子控制模塊通過Profinet IRT通訊，以實現(xiàn)對復數(shù)個第二子控制模塊的同步控制。這樣能夠提高穩(wěn)定直流電壓，控制功率因素的能力，也能夠提高控制勵磁電流，調(diào)節(jié)功率輸出的能力。

在控制系統(tǒng)的另一種示意性的實施方式中，第一子控制模塊和第二子控制模塊均為IGBT模塊。

本實用新型的另一個方面提供了雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)，包括上述的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)能夠提高通用性，縮短開發(fā)周期、提高控制的同步性。

在雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)的一種示意性的實施方式中，還包括一主控系統(tǒng)，其與CPU模塊通過Profinet IRT通訊，并向CPU模塊發(fā)送一轉(zhuǎn)矩值，CPU模塊根據(jù)轉(zhuǎn)矩值生成頻率值和轉(zhuǎn)速值。主控系統(tǒng)與變流器的控制系統(tǒng)之間的通訊的實時性及穩(wěn)定性得到提高。

附圖說明

下文將以明確易懂的方式通過對優(yōu)選實施例的說明并結(jié)合附圖來對本實用新型上述特性、技術特征、優(yōu)點及其實現(xiàn)方式予以進一步說明，其中：

圖1是本實用新型的實施例提供的雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實用新型的實施例提供的變流器的控制系統(tǒng)和主控系統(tǒng)的連接結(jié)構(gòu)示意圖。

標號說明：

10 風輪機

20 齒輪箱

30 雙饋發(fā)電機

40 變流器

41 可編程邏輯控制器

410 CPU模塊

411 數(shù)字量輸入模塊

412 數(shù)字量輸出模塊

413 電流輸入模塊

414 溫度輸入模塊

42 變流器機側(cè)模塊

420 第一子控制模塊

43 變流器網(wǎng)側(cè)模塊

430 第二子控制模塊

50 變壓器

60 電網(wǎng)

70 主控系統(tǒng)

100 雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)

具體實施方式

為了對實用新型的技術特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對照附圖說明本實用新型的具體實施方式，在各圖中相同的標號表示相同的部分。

下面討論的各圖以及被用來描述在該專利文檔中的本公開的原理的各種實施例僅以說明的方式并且無論如何不應該被解釋成限制本公開的范圍。本領域技術人員將會理解，可以在任何適當布置的設備中實施本公開的原理。將參考示例性非限制實施例來描述本申請的各種創(chuàng)新教導。

在本文中，“示意性”表示“充當實例、例子或說明”，不應將在本文中被描述為“示意性”的任何圖示、實施方式解釋為一種更優(yōu)選的或更具優(yōu)點的技術方案。

為使圖面簡潔，各圖中只示意性地表示出了與本實用新型相關的部分，它們并不代表其作為產(chǎn)品的實際結(jié)構(gòu)。另外，以使圖面簡潔便于理解，在有些圖中具有相同結(jié)構(gòu)或功能的部件，僅示意性地示出了其中的一個，或僅標出了其中的一個。

圖1是本實用新型的實施例提供的雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本實用新型的實施例提供的變流器的控制系統(tǒng)和主控系統(tǒng)的連接結(jié)構(gòu)示意圖。結(jié)合圖1和圖2可以看出，該雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)100包括：一風輪機10、一齒輪箱20、一雙饋發(fā)電機30、一變流器40、一變壓器50、一電網(wǎng)60和一主控系統(tǒng)70。該變流器40包括變流器的控制系統(tǒng)(圖中未標識)，以及水冷系統(tǒng)，風扇、加熱器等外圍設備(圖中未畫出)等。

該控制系統(tǒng)包括：

一可編程邏輯控制器(即PLC)41，其包括：

一CPU模塊410，

一數(shù)字量輸入模塊411，其用于獲取雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)100的一主斷路器、一保護開關和一安全鏈(圖中未畫出)中的一個或多個的狀態(tài)，

一數(shù)字量輸出模塊412，其用于控制雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)100的至少一外圍設備(例如：風扇，加熱器等)的啟動停止，

一電流輸入模塊413，其用于采集變流器40的一水冷系統(tǒng)的壓力，和

一溫度輸入模塊414，其用于采集雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)100的溫度；

一變流器機側(cè)模塊42，其與CPU模塊41通過Profinet IRT通訊，并從CPU模塊41獲得一頻率值和一轉(zhuǎn)速值，用于控制雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)100的一雙饋發(fā)電機30的勵磁電流，調(diào)節(jié)雙饋發(fā)電機30的輸出功率；和

一變流器網(wǎng)側(cè)模塊43，其與CPU模塊41通過Profinet IRT通訊，并從CPU模塊41獲得電壓值，用于穩(wěn)定雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)100的變流器40的直流電壓，調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)。

在一個示意性的實施方式中，主控系統(tǒng)70與CPU模塊410通過Profinet IRT通訊，并向CPU模塊410發(fā)送一轉(zhuǎn)矩值，CPU模塊410根據(jù)轉(zhuǎn)矩值生成頻率值和轉(zhuǎn)速值。主控系統(tǒng)70從一轉(zhuǎn)速傳感器(圖中未畫出)得到轉(zhuǎn)速值并轉(zhuǎn)換為該轉(zhuǎn)矩值后發(fā)送給CPU模塊410。CPU模塊410根據(jù)該轉(zhuǎn)矩值給變流器機側(cè)模塊42輸出該頻率值和轉(zhuǎn)速值，變流器機側(cè)模塊42根據(jù)該頻率值和轉(zhuǎn)速值輸出該勵磁電流，進而調(diào)節(jié)雙饋發(fā)電機的輸出功率。另外，CPU模塊410向變流器網(wǎng)側(cè)模塊43輸出電壓值，變流器網(wǎng)側(cè)模塊43根據(jù)該電壓值向變流器40的直流母線(圖中未畫出)輸出直流電壓，以控制該變流器40的直流電壓，進而調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)。這樣就同時實現(xiàn)了雙饋發(fā)電機輸出功率的控制以及網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)。另外，CPU模塊410與變流器機側(cè)模塊42、變流器網(wǎng)側(cè)模塊43均通過Profinet IRT通訊，實現(xiàn)同步控制。使用可編程邏輯控制器，通用性好，開發(fā)周期短。

在一個示意性的實施方式中，可編程邏輯控制器41采用的西門子S7-1518控制器，其支持Profinet IRT通訊，通訊速度能到達250微秒，能夠滿足變流器內(nèi)設備控制同步需求。西門子S7-1518控制器支持ODK方式，可將C語言開發(fā)的動態(tài)鏈接庫運行在控制器中，滿足客戶的核心控制算法的跨平臺和保護需求。

另外，數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊及模擬量模塊(電流輸入模塊、溫度輸入模塊)對控制柜內(nèi)的開關信號及溫度等信號采集并控制柜內(nèi)設備的運行。

在一個示意性的實施方式中，變流器機側(cè)模塊42包括復數(shù)個第一子控制模塊420，CPU模塊410與每一第一子控制模塊420通過Profinet IRT通訊，以實現(xiàn)對復數(shù)個第一子控制模塊420的同步控制；變流器網(wǎng)側(cè)模塊43包括復數(shù)個第二子控制模塊430，CPU模塊410與每一第二子控制模塊430通過Profinet IRT通訊，以實現(xiàn)對復數(shù)個第二子控制模塊430的同步控制。第一子控制模塊420能夠控制雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)100的雙饋發(fā)電機30的勵磁電流，調(diào)節(jié)雙饋發(fā)電機30的輸出功率。每一第二子控制模塊430能夠穩(wěn)定雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)100的變流器40的直流電壓，調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)。CPU模塊410與每一第一子控制模塊420直接電連接或間接電連接。CPU模塊410與每一第二子控制模塊430直接電連接或間接電連接。在一個示意性的實施方式中，第一子控制模塊和第二子控制模塊均為IGBT模塊。變流器網(wǎng)側(cè)模塊43包含復數(shù)個第二子控制模塊430，能夠提高穩(wěn)定直流電壓，控制功率因素的能力。而變流器機側(cè)模塊42包含復數(shù)個第一子控制模塊420，能夠提高控制勵磁電流，調(diào)節(jié)功率輸出的能力。CPU模塊410通過Profinet IRT通訊與變流器機側(cè)模塊42及變流器網(wǎng)側(cè)模塊43進行數(shù)據(jù)交換，從而控制變流器機側(cè)模塊42及變流器網(wǎng)側(cè)模塊43協(xié)同工作；同時完成變流器40對功率模塊(圖中未畫出)的同步控制，實現(xiàn)多個IGBT模塊之間的控制同步，將雙饋發(fā)電機30輸出功率轉(zhuǎn)換為50Hz的工頻電能輸出到電網(wǎng)60。

在一個示意性的實施方式中，變流器機側(cè)模塊42、變流器網(wǎng)側(cè)模塊43與可編程邏輯控制器41的通訊采用Profinet RT通訊，變流器的控制系統(tǒng)和主控系統(tǒng)70之間采用Profinet通訊，變流器的控制系統(tǒng)作為主控系統(tǒng)70的智能子站。完成變流器的控制系統(tǒng)和主控系統(tǒng)70之間的通訊，實現(xiàn)主控系統(tǒng)70對變流器的控制系統(tǒng)的同步控制。主控系統(tǒng)70將控制指令以及轉(zhuǎn)矩給定值等信號發(fā)送給變流器的控制系統(tǒng)，并接收變流器40反饋的雙饋發(fā)電機30的實際轉(zhuǎn)矩和變流器40的狀態(tài)字反饋等信號。在一個示意性的實施方式中，變流器的控制系統(tǒng)中還配備有Proifbus接口，如主控系統(tǒng)70不支持Profinet通訊，可采用Profibus通訊，并不需要單獨添加模塊。在一個示意性的實施方式中，還包括存儲器(圖中未畫出)，其支持CSV文件的存儲，便于保存故障記錄。

綜上所述，本實用新型的實施例提供的變流器的控制系統(tǒng)具有以下有益效果中的一個或多個：

1.在同步控制上采用Profinet IRT等時同步功能，保證控制的精確性。

在現(xiàn)有的設計中系統(tǒng)的同步采用硬件中斷的方式，同步的時間為程序中計算，而本系統(tǒng)中的設計采用Profinet IRT等時同步的功能，可計算出各部分的運行時間，數(shù)據(jù)傳送時間，從而自動控制其設備同步，保證了同步控制的精確性及實時性。

2.與主控采用Profinet RT通訊，通訊實時性及穩(wěn)定性更佳。

在現(xiàn)有的設計中主控系統(tǒng)與變流器的通訊采用Profibus或Canopen通訊，本申請中采用Profinet RT通訊，提高通訊的實時性及穩(wěn)定性。Profibus或Canopen通訊易受環(huán)境的干擾。

3.靈活的硬件接口，IO模塊化，可根據(jù)設計進行增減。

本申請使用通用的CPU模塊及通用的IO模塊，硬件模塊均經(jīng)過了實驗的驗證，減少開發(fā)周期，自行設計的電路板需要經(jīng)過長時間的開發(fā)及驗證。IO模塊可配置可根據(jù)實際配置隨意更改，現(xiàn)有的系統(tǒng)中采用集成電路設計，IO數(shù)量固定，如增加IO點需重新設計電路。兼顧嵌入式系統(tǒng)開發(fā)和開放式控制器的雙重優(yōu)點。

4.通用的開發(fā)環(huán)境，支持傳統(tǒng)PLC語言，同時支持高級語言編程，易于實現(xiàn)復雜的控制算法。

5.支持CSV文件的存儲，便于保存故障記錄。

利用文件存儲功能，編寫程序當故障發(fā)生時將故障記錄下來并存儲為CSV文件保存到系統(tǒng)的SD卡中。

應當理解，雖然本說明書是按照各個實施方式描述的，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施方式中的技術方案也可以經(jīng)適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。

上文所列出的一系列的詳細說明僅僅是針對本實用新型的可行性實施例的具體說明，它們并非用以限制本實用新型的保護范圍，凡未脫離本實用新型技藝精神所作的等效實施例或變更均應包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。