阅读说明：本技术 一种方波无刷直流风力发电机控制器 (Controller of square wave brushless direct current wind driven generator ) 是由 朴俊民 边春元 由旭 邢海洋 徐宁 于 2020-04-28 设计创作，主要内容包括：一种方波无刷直流风力发电机控制器,涉及一种风力发电机控制器,控制器包括功率模块、控制系统、上位机、机械刹车、电压检测模块、驱动电路、非换相相电流选择模块和无位置传感器检测模块；功率模块设有输入滤波和输出滤波电路；控制系统上设有主控芯片、PWM驱动电路、ADC模块、逻辑控制、位置检测和485通讯电路；上位机设有液晶显示面板、系统工作状态和机侧、网侧的实时电压电流及其功率、工作状态和故障代码；所述功率模块一端与风力发电机的输出连接,另一端与电网相连接；本发明提高了风力机组风速利用范围,并且无需卸荷单元；广泛应用于单相并网或三相并网运行的风力发电机控制领域。(A square wave brushless direct current wind driven generator controller relates to a wind driven generator controller, and the controller comprises a power module, a control system, an upper computer, a mechanical brake, a voltage detection module, a drive circuit, a non-commutation phase current selection module and a position-sensorless detection module; the power module is provided with an input filtering circuit and an output filtering circuit; the control system is provided with a main control chip, a PWM (pulse-width modulation) driving circuit, an ADC (analog-to-digital converter) module and a logic control, position detection and 485 communication circuit; the upper computer is provided with a liquid crystal display panel, a system working state, real-time voltage and current of a machine side and a network side, power of the real-time voltage and current, a working state and fault codes; one end of the power module is connected with the output of the wind driven generator, and the other end of the power module is connected with a power grid; the invention improves the wind speed utilization range of the wind turbine generator and does not need an unloading unit; the method is widely applied to the field of control of the wind driven generator in single-phase grid connection or three-phase grid connection operation.)

一种方波无刷直流风力发电机控制器

技术领域

本发明涉及一种发电机控制器，特别是涉及一种方波无刷直流风力发电机控制器。

背景技术

风能作为一种清洁的可再生能源，其蕴量巨大，在化石能源日益稀缺、环境保护形势日益严峻的背景下，越来越受到世界各国的重视，而风能控制器作为风力发电系统主要控制部件，在风力发电中起着极其重要的作用。

并网风力发电机控制器是并网风力发电技术的核心，其主要功能是将风力发电输出的三相交流电压进行整流滤波，整流滤波后将直流电压输送给并网逆变器，并检测输出电压的高低、工作电流的大小，当超过设定的电压或电流后通过制动电路进行制动，使风力发电机停止工作，从而避免过压或过流对逆变器造成的损坏。

现有小型风力发电机的有效发电时长短、可利用风速范围小的问题 ,实现降低切入风速提高切出风速,从而延长发电时间,提高风能利用率和设备利用率,增加发电量。

传统风力发电机控制器需要添加电阻卸载单元，使系统冗余、复杂，增加了控制器的成本。

一般小型风力发电机的启动风速约5m/s，停机风速约为20m/s，即5-20m/s为有效风力区，升压比约为4倍左右，风能未能很好的利用。如果降低发电机的额定转速，使发电机在低风速时发电，但是低转速发电机体积大，造价过高，所以此低转速发电机也不能有效提高风力发电机的发电效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种方波无刷直流风力发电机控制器，本发明控制器为一种具有高升压比和无需电阻卸载单元的新型方波无刷直流电机风力发电机控制器，采用方波无刷直流电机作为发电机，将风力发电机的输出通过功率模块实现整流、升压和逆变，不仅可以提高风力发电机的风速利用范围，还有效的提高风力发电机组的发电效率。并且无需电阻卸载单元，减少系统成本。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种方波无刷直流风力发电机控制器，所述风力发电机控制器包括功率模块、控制系统、上位机、机械刹车、电压检测模块、驱动电路、非换相相电流选择模块和无位置传感器检测模块；功率模块设有输入滤波和输出滤波电路；控制系统上设有设有主控芯片、PWM驱动电路、ADC模块、逻辑控制、位置检测和485通讯电路；上位机设有液晶显示面板、系统工作状态和机侧、网侧的实时电压电流及其功率、工作状态和故障代码；所述功率模块一端与风力发电机的输出连接，另一端与电网相连接；控制系统通过PWM模块来驱动功率模块，ADC模块来检测电网电压和电机电流，端电压检测电路来检测位置信号，通讯模块连接上位机；控制系统与功率模块IGBT的控制端连接，根据功率模块输出电压及电流的大小，对IGBT的控制端进行脉宽控制，实现过压、欠压和过流保护以及自动恢复功能.；发电机采用PWM_OFF调制方式。

所述的一种方波无刷直流风力发电机控制器，所述控制系统通过485通讯电路与上位机进行通讯，在上位机实时显示控制器的运行参数，其中包括发电时间、发电量、机侧电压电流和功率、网侧电压电流和功率、母线电压、风速、控制器运行状态和故障代码，实现运行数据的本地或远程的监测和记录；控制器具有高升压比，即使在低风速本控制器也可以正常发电并网。

所述的一种方波无刷直流风力发电机控制器，所述控制系统通过电压传感器和电流传感器采集机侧电压电流，从而计算出机侧发电功率，再通过最大跟踪功率实现对电机转速的控制，并在速度环中计算出网侧从机侧中抽取的最大电流，使电机侧发出的功率全部经由功率模块并入到电网。

所述的一种方波无刷直流风力发电机控制器，所述当电网发生电压跌落时，根据瞬时功率理论，在电网电压阈值与网侧电流上限值中找到了最优解，即使电网电压跌落时也可以正常发电而无需卸载单元。

所述的一种方波无刷直流风力发电机控制器，所述当风速过高时，变流器控制系统会发出机械刹车使能命令与机侧封星命令，使风力发电机零速停机，控制器自动断电。

本发明的优点与效果是：

本发明控制器具有高升压比，发电机控制器具有约10倍的升压比，有效的提高了风速利用范围；即使在低风速本控制器也可以正常发电并网，提高了风速利用范围，有效的提高风力发电机组的发电效率。

本发明发电机控制器不需要电阻卸载单元，减少了系统成本。

发电机控制器兼容单相并网、三相并网模式。

本发明发电机控制器无需位置传感器，采用无位置算法，减小了控制器的体积与成本。

本发明主控单元具有过压、欠压、过流和过温保护功能及自恢复功能。主控单元具有最大功率跟踪功能。

附图说明

图1为本发明的原理结构框图；

图2为本发明电网电压跌落时的程序框图；

图3为本发明主循环程序框图。

具体实施方式

下面结合附图所示实施例对本发明进行详细说明。

本发明方波无刷直流电机风力发电机控制器包括功率模块、控制系统、上位机、机械刹车、电压检测模块、驱动电路、非换相相电流选择模块和无位置传感器检测模块。功率模块设有输入滤波和输出滤波电路；控制系统上设有设有主控芯片、PWM驱动电路、ADC模块、逻辑控制、位置检测和485通讯电路；控制器采用方波无刷直流电机作为风力发电机。机械刹车装置对所述风轮执行锁住动作。

如图1所示，风力发电机控制器包括功率模块、控制系统、上位机、机械刹车、电压检测模块、驱动电路、非换相相电流选择模块和无位置传感器检测模块。功率模块设有输入滤波和输出滤波电路；控制系统上设有设有主控芯片、PWM驱动电路、ADC模块、逻辑控制、位置检测和485通讯电路；上位机设有液晶显示面板、系统工作状态和机侧、网侧的实时电压电流及其功率、工作状态和故障代码。所述功率模块一端与风力发电机的输出连接，另一端与电网相连接。控制系统通过PWM模块来驱动功率模块、ADC模块来检测电网电压和电机电流、端电压检测电路来检测位置信号、通讯模块来连接上位机。控制系统也与功率模块IGBT的控制端连接，根据功率模块输出电压及电流的大小，对IGBT的控制端进行脉宽控制，实现过压、欠压和过流保护以及自动恢复功能。

控制系统通过485通讯电路与上位机进行通讯，在上位机实时显示控制器的运行参数，其中包括发电时间、发电量、机侧电压电流和功率、网侧电压电流和功率、母线电压、风速、控制器运行状态和故障代码，实现运行数据的本地或远程的监测和记录。

方波无刷直流电机风力发电系统采用方波无刷直流电机作为风力发电机。

方波无刷直流电机风力发电机控制器不需要电阻卸载单元，控制系统通过电压传感器和电流传感器采集机侧电压电流，从而计算出机侧发电功率，再通过最大跟踪功率实现对电机转速的控制，从而使发电机工作在最优工作点，并在速度环中计算出网侧从机侧中抽取的最大电流，使电机侧发出的功率全部经由功率模块并入到电网。

当电网发生电压跌落时，根据瞬时功率理论，风电机组输出电流应该增大，待电网电压跌落至阈值时，系统会进入停机保护。根据缜密计算，在电网电压阈值与网侧电流上限值中找到了最优解，即使电网电压跌落时也可以正常发电而无需卸载单元。

当风速过高时，变流器控制系统会发出机械刹车使能命令与机侧封星命令，使风力发电机零速停机，控制器自动断电，避免由于超速、过压、过流引起的逆变器损坏，待10分钟后，控制器将会重新启动并判断风速是否适合开机。

如图3所示，芯片上电后程序首先进入初始化阶段，该阶段主要是先封锁PWM信号的输出，对DSP的GPIO管脚进行功能定义，初始化ADC、I/O、PWM输出口等相关端口等操作，然后对芯片中断系统进行配置，最后对程序内的各变量进行初始化。

初始化结束后，系统进入死循环，采用有限状态机方式根据状态变量的值对系统不同运行状态进行切换。其中Idle态为系统启动前做准备，Start态时系统开始启动运行，Run态为系统运行的状态，Stop态为系统停止状态，许多变量在此处被重新初始化。Fault态为系统报错状态，若处于此状态会封锁PWM，从而保护整个系统。

现以无刷直流电机采用PWM_OFF调制方式为例，分析无刷直流电机整流器开关状态下电路原理。

开关管导通期间，流经电感和开关管的电流逐渐增大，电感电流变化量为：

；

其中为电路中导通相反电势之和，为开关管压降, 为二极管压降。开关管关断时刻，电感电流为母线提供能量，电感电流变化量为

；为升压后母线电压。

电感电流在开关管开断瞬间不变，故：；；；故电机反电动势、母线电压和占空比D的关系为：；

若忽略开关管及二极管压降，反电动势和母线电压关系为：；（1）

占空比的取值范围为0~1，故在理论上，当占空比取1时，方波无刷直流发电机采用类PWM控制策略，升压比可达无穷大。

永磁同步电机经二极管整流后，输出的直流电压值与永磁同步电机相电压有效值U及相电压幅值E之间关系为：；

无刷直流电机经二极管整流后，输出的直流电压值等于其线电压，故输出的直流电压值与相电压幅值E之间关系为；

将整流后的无刷直流电机直流电压与永磁同步电机直流电压带入上式公式(1)得

；

由上式可得，当无刷直流电机反电势幅值与永磁同步电机反电势幅值相等，且占空比相等条件下，无刷直流电机母线电压升压比永磁同步电机母线高约21%。

在实际应用中，受电路中电感的等效串联电阻等各种因素的影响，升压比不能达到无穷大。常见的无刷直流风力发电系统其升压比在2倍左右，而本实验根据无刷直流电机的发电能力，实现了10倍以上的升压比，使系统更充分的利用风能，扩宽了风电系统运行风速范围。