李學(xué)哲， 張全柱， 鄧永紅， 黃成玉

（華北科技學(xué)院信息與控制技術(shù)研究所，北京 101601）

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源問題日益嚴(yán)重。風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到各國的重視，已經(jīng)成為各國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。風(fēng)能的開發(fā)和利用最核心的環(huán)節(jié)是變流器系統(tǒng)，以提高風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率和改善電能質(zhì)量[1]。

目前，各國的風(fēng)電技術(shù)已經(jīng)取得了長足的發(fā)展，但仍有亟待完善的地方：風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性的提高。傳統(tǒng)的風(fēng)電設(shè)備，控制信號采用電纜來傳輸，信號容易受到電纜互感的影響，頻率越高，這種影響帶來的干擾也就越大，導(dǎo)致IGBT誤動作，嚴(yán)重時會炸管子。風(fēng)電現(xiàn)場迫切需要研制出一種穩(wěn)定、可靠的變流器控制與驅(qū)動系統(tǒng)。本系統(tǒng)是基于這樣的實(shí)際應(yīng)用背景和需求而進(jìn)行立項(xiàng)開發(fā)的，采用先進(jìn)的光纖傳輸技術(shù)，極大地提高了信號的抗干擾能力，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。該技術(shù)可望在全行業(yè)范圍內(nèi)推廣應(yīng)用，有比較看好的市場前景。

1 風(fēng)能變換系統(tǒng)簡介

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是把轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿募夹g(shù)。利用風(fēng)力帶動風(fēng)力機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)，再通過增速機(jī)將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機(jī)發(fā)電。一個典型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)包括：風(fēng)、風(fēng)力機(jī)、發(fā)電機(jī)、變流系統(tǒng)和電網(wǎng)等環(huán)節(jié)組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。系統(tǒng)的工作原理：變流器和雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)是通過控制轉(zhuǎn)子電路實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的變速運(yùn)行。轉(zhuǎn)子通過變流器連接到主電源上，變流器能夠根據(jù)不同的轉(zhuǎn)速提供給轉(zhuǎn)子電壓、頻率可變的電源。變流器能使功率在主電源和變流器直流回路中進(jìn)行輸送和回饋的轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)使用主電抗器把變頻器和主電源隔離開來，確保主電源上粘附的諧波分量被限制后輸送到變流器[2]。

圖1 風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)示意圖

變流器是整個風(fēng)電系統(tǒng)的核心，包括IGBT主電路、驅(qū)動電路和控制電路。

1.1 IGBT主電路設(shè)計(jì)

圖2 網(wǎng)側(cè)變流器(NPR)原理圖

IGBT主電路包括網(wǎng)側(cè)變流器(NPR)和機(jī)側(cè)變流器(MPR)，原理如圖2所示。NPR和MPR分別由6個功率開關(guān)組成[3]。在逆變器直流母線上用0.1 μF/3300 V的高頻無感電容作為Snubber吸收電容，以吸收高頻尖峰電壓，以保護(hù)IGBT器件。NPR在控制電路的驅(qū)動脈沖作用下，實(shí)現(xiàn)AC690 V三相交流電壓至DC1200 V直流電壓轉(zhuǎn)變。MPR在控制電路的驅(qū)動脈沖作用下，實(shí)現(xiàn)變頻、變壓三相交流電壓輸出。

1.2 驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

變流器驅(qū)動電路采用2SD315AI-33為核心模塊設(shè)計(jì)。2SD315AI-33模塊是瑞士CONCEPT公司生產(chǎn)的SCALE系列驅(qū)動器之一，是驅(qū)動和保護(hù)大功率IGBT的專用集成驅(qū)動模塊，該模塊采用脈沖變壓器隔離方式，能同時驅(qū)動兩個IGBT模塊，電氣隔離可達(dá)到6000 VAC。具有準(zhǔn)確可靠的驅(qū)動功能與靈活可調(diào)的過流保護(hù)功能，同時可對電源電壓進(jìn)行欠壓檢測。驅(qū)動電路主要將主控電路產(chǎn)生的12路SPWM信號隔離、調(diào)整，以驅(qū)動IGBT管子通斷，實(shí)現(xiàn)變流控制。

1.3 控制電路設(shè)計(jì)

控制電路是整個變流器系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)電壓、電流、故障等信號的檢測，SPWM波產(chǎn)生與輸出，按鍵輸入與狀態(tài)顯示等?？刂齐娐芳捌浜诵能浖亲兞髌鞲黜?xiàng)功能指標(biāo)的重要保證。變流器控制電路按功能可以分為如下模塊：CPU模塊、信號檢測模塊、SPWM輸出模塊和鍵盤通訊模塊?？刂齐娐房驁D如圖3所示。變流器控制系統(tǒng)是以高速、高性能、耐高溫單片微機(jī)DSPIC30F6010A CPU為核心而構(gòu)成的全數(shù)字化電路，實(shí)現(xiàn)高速、可靠的系統(tǒng)控制。

圖3 控制電路結(jié)構(gòu)框圖

風(fēng)電系統(tǒng)對電磁兼容特性有較高的要求，要求系統(tǒng)具有極強(qiáng)的抗干擾能力，工作性能穩(wěn)定。傳統(tǒng)的導(dǎo)線式信號傳輸方式不能滿足這種要求，信號在傳輸過程中極易引入電磁干擾，造成電路誤動作，甚至IGBT炸管子。為了解決這一問題，系統(tǒng)對重要信號的傳輸應(yīng)采用光纖方案設(shè)計(jì)，利用光纖傳導(dǎo)信號，大大降低了傳輸過程中的電磁干擾，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。光纖系統(tǒng)框圖如圖4所示。

2 光纖傳輸?shù)幕驹?/h2>

光纖傳輸電路主要有HFBR1512(光纖發(fā)生器)，HFBR-2512(光纖接受器)，同時配以相應(yīng)的光線緊固接口HFBR4503(同光纖發(fā)生器相連)，HFBR4513(同光纖接受器相連)[4]。在光纖發(fā)生器一端將電信號轉(zhuǎn)變成光信號，利用震蕩原理來傳輸光信號，在光纖接受器一端將光信號轉(zhuǎn)變成電信號，完成整個傳輸過程。光纖傳輸示意圖如圖5所示。

圖4 光纖系統(tǒng)框圖

圖5 光纖傳輸示意圖

該電路使用時要注意：(1)HFBR1512(光纖發(fā)生器)使用說明：1為輸入信號陽極；2為輸入信號陰極；3、4為開路；5、8是接口固定端。(2)HFBR2512(光纖接受器)使用說明：1、4輸出信號；2為電源地；3為電源正極；5、8是接口固定端。(3)該傳輸電路光電轉(zhuǎn)換的邏輯電平為5 V，故無論在控制板的發(fā)生端，還是在驅(qū)動板的接受端都應(yīng)將接口電平轉(zhuǎn)換為5 V。

3 變流器光纖傳輸電路設(shè)計(jì)

3.1 光纖發(fā)射電路設(shè)計(jì)

利用光纖發(fā)射電路將控制板產(chǎn)生的6路驅(qū)動脈沖信號和1路復(fù)位控制信號以光纖傳輸?shù)姆绞剿徒o驅(qū)動板，實(shí)現(xiàn)對IGBT的逆變控制；同時把驅(qū)動板以光纖傳輸方式反饋的IGBT保護(hù)信號轉(zhuǎn)換成電信號送給控制板。電路中光纖接頭采用安捷倫公司生產(chǎn)的HFBR系列，光纖發(fā)射器型號為HFBR1521，光纖接收器型號為HFBR2521。利用CD4050實(shí)現(xiàn)6路驅(qū)動信號的隔離與轉(zhuǎn)換。利用光耦TLP521隔離調(diào)整復(fù)位信號。光纖發(fā)射電路原理圖(部分)如圖6所示。

圖6 光纖發(fā)射電路原理圖

3.2 光纖接收電路設(shè)計(jì)

利用光纖接收電路將以光纖傳輸方式送來的6路驅(qū)動脈沖信號和1路復(fù)位控制信號轉(zhuǎn)換成電信號送給驅(qū)動板，實(shí)現(xiàn)對IGBT的逆變控制；同時把驅(qū)動板的保護(hù)信號以光纖傳輸方式反饋給控制板。電路中光纖接頭采用安捷倫公司生產(chǎn)的HFBR系列，光纖發(fā)射器型號為HFBR1521，光纖接收器型號為HFBR2521。利用MC14504B實(shí)現(xiàn)6路驅(qū)動信號的隔離與電平轉(zhuǎn)換。利用光耦TLP521隔離調(diào)整復(fù)位和保護(hù)信號。光纖接收電路原理圖(部分)如圖7所示。

4 光纖驅(qū)動電路實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7 光纖接收電路原理圖

圖8 逆變器輸出波形對比圖

針對設(shè)計(jì)的光纖驅(qū)動系統(tǒng)，進(jìn)行了調(diào)試試驗(yàn)。逆變器輸出的SPWM波形如圖8所示。圖8（a）為采用線纜傳輸方式時，逆變器輸出波形，有脈沖丟失現(xiàn)象。圖8（b）為采用光纖傳輸方式時，逆變器輸出波形。經(jīng)過24 h連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)后，未發(fā)現(xiàn)脈沖丟失現(xiàn)象，波形如圖8（b）所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光纖驅(qū)動系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對逆變器的變頻調(diào)速控制，系統(tǒng)很好地解決了驅(qū)動信號相互干擾的問題，增加了系統(tǒng)的可靠性，有效地保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)語

本文提出的基于光纖傳輸方案的風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，集微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、風(fēng)電轉(zhuǎn)換技術(shù)、現(xiàn)代光纖技術(shù)于一體，很好地解決了風(fēng)能變換可靠性、穩(wěn)定性的問題。由光纖和驅(qū)動模塊組成的驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好，非常適合用在要求較高的場合中。

[1]楊俊華.現(xiàn)代控制技術(shù)在風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].太陽能學(xué)報，2004(4)：64-69.

[2]葉杭冶.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002:87-254.

[3]陳伯時.矩陣式交-交變換器及其控制[J].電力電子技術(shù)，1999(1)：10-54.

[4]趙梓森.光纖通信工程[M].北京：人民郵電出版社，2002:104-168.