梁濤，黃玥

（1.武漢數(shù)字工程研究所，湖北武漢430074;2.空軍雷達(dá)學(xué)院，湖北武漢 430072）

0 引言

風(fēng)能作為一種清潔可再生能源，在環(huán)境污染嚴(yán)重、能源日益匱乏的今天，越來越得到人們的重視。并網(wǎng)型異步發(fā)電系統(tǒng)是大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的一種重要類型，該系統(tǒng)中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)控制是整個(gè)電控系統(tǒng)最關(guān)鍵、最復(fù)雜的技術(shù)之一，它直接影響到風(fēng)機(jī)工作的可靠性和在有效工作壽命內(nèi)的發(fā)電量［1］。目前，國內(nèi)外大多采用軟并網(wǎng)控制技術(shù)來完成大型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)。而傳統(tǒng)的軟并網(wǎng)控制器采用簡單的模擬電路或單片機(jī)電路，本文采用TCF792可控硅驅(qū)動(dòng)控制的專用集成控制芯片來設(shè)計(jì)軟并網(wǎng)控制器，該芯片采用獨(dú)有的先進(jìn)IC工藝技術(shù)，并參照國外最新集成移相觸發(fā)集成電路而設(shè)計(jì)的單片集成電路，工作性能穩(wěn)定可靠。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軟并網(wǎng)技術(shù)簡介

異步發(fā)電機(jī)投入運(yùn)行時(shí)，是靠滑差來調(diào)整負(fù)荷的，對(duì)機(jī)組的調(diào)速精度要求不高，不需要同步設(shè)備和整步操作，只要轉(zhuǎn)速接近同步速時(shí)就可并網(wǎng)，不僅控制裝置簡單，而且并網(wǎng)后不會(huì)產(chǎn)生振蕩和失步，運(yùn)行非常穩(wěn)定。然而異步發(fā)電機(jī)采用直接并網(wǎng)方式時(shí)，并網(wǎng)瞬間的沖擊電流會(huì)達(dá)到電機(jī)額定電流的5～7倍，甚至10倍。這樣大的沖擊電流會(huì)造成并網(wǎng)瞬間電網(wǎng)電壓的突然下跌，威脅電網(wǎng)的穩(wěn)定和安全［1-3］。

目前，國內(nèi)外異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)方式主要有采用雙向可控硅的軟并網(wǎng)技術(shù)，可以得到一個(gè)平穩(wěn)的并網(wǎng)過渡過程而不會(huì)出現(xiàn)沖擊電流，使并網(wǎng)時(shí)的電流控制在1.5～2倍的額定電流以內(nèi)，因此可以大大降低并網(wǎng)時(shí)的沖擊，增加風(fēng)電機(jī)組的使用壽命和可靠性［1-4］。

2 軟并網(wǎng)工作原理

軟并網(wǎng)技術(shù)，是指在電網(wǎng)與發(fā)電機(jī)的每相連接中串入雙向可控硅。在并網(wǎng)過程中，通過控制可控硅的觸發(fā)角，從而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸入電壓，最終限制電流，減小對(duì)電網(wǎng)的沖擊。圖1是軟并網(wǎng)系統(tǒng)主回路的結(jié)構(gòu)圖。

圖1 軟并網(wǎng)系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)圖

軟并網(wǎng)過程如下:當(dāng)風(fēng)輪帶動(dòng)的異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)至轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，軟并網(wǎng)控制器收到控制系統(tǒng)發(fā)出的軟并網(wǎng)啟動(dòng)命令，首先檢查發(fā)電機(jī)的相序與電網(wǎng)的相序是否一致，若相序正確，則發(fā)出雙向可控硅的驅(qū)動(dòng)命令，三相主電路上的3組雙向可控硅VT1～6受軟并網(wǎng)控制器的控制被觸發(fā)導(dǎo)通，導(dǎo)通角隨著發(fā)電機(jī)與同步轉(zhuǎn)速的接近而從0°逐步開至180°;當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到同步轉(zhuǎn)速，可控硅完全打開，異步發(fā)電機(jī)即通過可控硅平穩(wěn)地并入電網(wǎng);與此同時(shí)，旁路接觸器K吸合，軟并網(wǎng)裝置被旁路開關(guān)短路從而退出運(yùn)行，異步發(fā)電機(jī)的輸出電流將不再流經(jīng)雙向可控硅，而是通過已閉合的旁路接觸器直接流入電網(wǎng)，此時(shí)機(jī)組完成整個(gè)并網(wǎng)過程，進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。由于可控硅屬貴重元器件，承受電壓與電流沖擊的能力較差。為了吸收開關(guān)器件動(dòng)作過程中可控硅兩端可能產(chǎn)生的瞬間尖峰電壓，在每相可控硅兩端并聯(lián)阻容RC1，RC2，RC3 吸收保護(hù)回路。

3 軟并網(wǎng)控制器的設(shè)計(jì)

軟并網(wǎng)控制器選用TCF792作為主控芯片，該軟并網(wǎng)控制器的啟動(dòng)、停止以及并網(wǎng)控制均要受風(fēng)機(jī)主控制器的控制。并網(wǎng)時(shí)由主控制器下達(dá)命令，軟并網(wǎng)控制器根據(jù)收到的命令情況和相應(yīng)的傳感器信號(hào)按照軟件控制策略逐步打開可控硅導(dǎo)通角，對(duì)并網(wǎng)過程進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制并網(wǎng)瞬態(tài)電流的目的。

3.1 TCF792 簡介

TCF792是單、三相通用數(shù)字相位控制觸發(fā)電路。該芯片供電電壓為5V，它的輸入輸出端口兼容TTL電平，這使它與其他數(shù)字電路接口簡單方便。它采用單相同步信號(hào)輸入，數(shù)字分頻移相120°，以適應(yīng)三相觸發(fā)電路，觸發(fā)角范圍2°～178°，可選擇矩形波或調(diào)制波輸出。脈沖寬度采用電壓控制，無需移相電容。該芯片可用于可控硅、雙向可控硅和晶體管類控制電路。TCF792原理結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 TCF792原理結(jié)構(gòu)圖

3.2 硬件電路

軟并網(wǎng)控制器的硬件電路如圖3所示。

1）選取電網(wǎng)其中一相電壓Ua作為同步信號(hào)，采用方波方式輸入至TCF792的同步脈沖輸入端7號(hào)引腳，其下降沿應(yīng)為A相相電壓由負(fù)變正過零的同步點(diǎn)，該周期信號(hào)經(jīng)180倍倍頻后，可形成2°周期寬度的脈沖信號(hào)，調(diào)制波脈沖、相位分配等信號(hào)由此產(chǎn)生。

2）TCF792 的2，3，6，8，9 和11 引腳分別是控制A，B，C三相可控硅的脈沖輸出端，其輸出控制脈沖信號(hào)經(jīng)過光電隔離、信號(hào)放大電路即可驅(qū)動(dòng)可控硅器件。

3）TCF792的12引腳是移相脈沖電壓控制端，給該引腳輸入0～5V直流電壓，線性對(duì)應(yīng)移相控制角度2°～178°，這樣軟并網(wǎng)過程中可以通過外部導(dǎo)通角控制電壓給定來控制并網(wǎng)過程中的可控硅的導(dǎo)通角度。

圖3 軟并網(wǎng)控制器原理圖

4）TCF792的13引腳是脈寬電壓電位輸入端，當(dāng)選擇矩形波脈沖時(shí)，輸入范圍0～5V，線性對(duì)應(yīng)脈寬相角2°～178°，當(dāng)選擇調(diào)制脈沖時(shí)，輸入范圍0～5V，線性對(duì)應(yīng)脈寬相角 0°～60°。

5）TCF792的14引腳是相位補(bǔ)償電位輸入端，輸入范圍0～5V，線性對(duì)應(yīng)前移控制脈沖角度0°～60°，該端口接地時(shí)為無補(bǔ)償。

6）TCF792的15引腳接地時(shí)為三相半控單脈沖輸出，該引腳懸空或接上拉電阻10kΩ時(shí)為三相全控雙脈沖輸出，即觸發(fā)該相時(shí)，同時(shí)向上一次觸發(fā)的端口補(bǔ)發(fā)一個(gè)脈沖，本控制器為了保證使用的可靠性采用了雙脈沖觸發(fā)方式，通過撥碼開關(guān)來設(shè)置。

7）TCF792的16引腳接地時(shí)為禁止各路移相觸發(fā)脈沖輸出，此時(shí)所有輸出脈沖端口為高電平，響應(yīng)時(shí)間＜60°，該引腳懸空或接上拉電阻10kΩ時(shí)，可以允許觸發(fā)脈沖輸出，這樣可以通過控制該引腳的接地來實(shí)現(xiàn)軟并網(wǎng)過程中出現(xiàn)緊急故障從而封鎖晶閘管移相脈沖輸出信號(hào)，關(guān)斷晶閘管。

8）TCF792的17引腳接地時(shí)為調(diào)制脈沖輸出，調(diào)制波周期為4°，占空比為50%，該引腳懸空或接上拉電阻10kΩ時(shí)，輸出為矩形波方式。

3.3 軟件控制策略

軟并網(wǎng)控制器由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主控制器控制。主控制器根據(jù)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況以及所處狀態(tài)，及時(shí)準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)對(duì)軟并網(wǎng)控制器通電、斷電、復(fù)位、解除鎖定、給定導(dǎo)通角等功能操作，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的軟并網(wǎng)過程，導(dǎo)通角的給定是通過主控制器輸出0～5V信號(hào)至TCF的13引腳來實(shí)現(xiàn)的。與此同時(shí)，軟并網(wǎng)控制器也將根據(jù)其檢查到的現(xiàn)場狀態(tài)信息，及時(shí)的將可控硅過溫信號(hào)、電流超限信號(hào)、軟并網(wǎng)超時(shí)信號(hào)、可控硅導(dǎo)通角完全打開信號(hào)等反饋至主控制器。

軟并網(wǎng)控制流程圖如圖4所示。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在正常運(yùn)行中，由待機(jī)狀態(tài)進(jìn)入發(fā)電機(jī)加速過程，此時(shí)主控制器可以對(duì)軟并網(wǎng)控制器通電，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到亞同步轉(zhuǎn)速時(shí)再對(duì)軟并網(wǎng)控制器解鎖并按照主控程序中的算法逐步打開晶閘管導(dǎo)通角度，當(dāng)晶閘管角度開至180°時(shí)，主控制器吸合旁路接觸器，將軟并網(wǎng)裝置切除，發(fā)電機(jī)的電能通過旁路接觸器進(jìn)入電網(wǎng)，軟并網(wǎng)控制器也斷電并退出運(yùn)行。在軟并網(wǎng)執(zhí)行過程中，如果出現(xiàn)晶閘管過熱、軟并網(wǎng)超時(shí)、電流檢測超限等故障，軟并網(wǎng)控制器在立即封鎖晶閘管移相脈沖輸出信號(hào)的同時(shí)將故障信息反饋至風(fēng)機(jī)主控制器。

圖4 軟并網(wǎng)控制流程圖

4 試驗(yàn)波形

按照如上所述的設(shè)計(jì)思路研制的軟并網(wǎng)控制器，適用于兆瓦級(jí)異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，并且在風(fēng)電場的并網(wǎng)運(yùn)行中得到試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖5是一臺(tái)使用本軟并網(wǎng)控制器的定槳距異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在風(fēng)力發(fā)電場并網(wǎng)過程中記錄的試驗(yàn)曲線，其中上方的曲線是一組雙向可控硅中其中一個(gè)的移相觸發(fā)脈沖，采用的是雙脈沖低電平的觸發(fā)方式，下方的曲線是通過該可控硅觸發(fā)控制的電流曲線。

通過曲線可以看出，基于TCF792芯片設(shè)計(jì)的軟并網(wǎng)控制器可以有效的控制可控硅的移相觸發(fā)角度，穩(wěn)定可靠的實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中異步發(fā)電機(jī)的軟并網(wǎng)過程。同時(shí)亦可根據(jù)主控制器編制的控制算法調(diào)節(jié)可控硅的觸發(fā)角度，從而實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)過程中的瞬態(tài)電流對(duì)電網(wǎng)沖擊的優(yōu)化。

圖5 軟并網(wǎng)試驗(yàn)波形圖

5 結(jié)語

本文對(duì)異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的軟并網(wǎng)過程及其原理進(jìn)行了介紹，詳細(xì)分析并介紹基于該芯片設(shè)計(jì)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軟并網(wǎng)控制器的設(shè)計(jì)思路和關(guān)鍵技術(shù)。

目前，基于TCF792控制的軟并網(wǎng)控制器已經(jīng)研制成功，并且在實(shí)際項(xiàng)目中得到應(yīng)用，在風(fēng)力發(fā)電廠的考核中穩(wěn)定可靠。

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