一种风电变流控制系统的制作方法

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1.本发明属于风电领域，尤其涉及一种风电变流控制系统。

背景技术：

2.变流器控制系统作为风力发电机组的核心部件，当前常见的设计是采用几个大电路板拼接的方式，采用mcu本身自带的pwm等硬件功能，各板卡功能较多较杂，设计复杂度较高；同时由于未采用模块化设计，程序设计相对复杂，接线和问题排查难度都较高。当系统需要扩充时或是所需芯片出现供货问题时，就需要对几乎全部硬件电路板进行重新设计，并对新设计的硬件电路板功能进行逐一验证，这增加了变流器的运维成本并延缓了变流器更新换代的速度。

技术实现要素：

3.为解决上述技术问题，本发明提出一种风电变流控制系统的技术方案，以解决上述技术问题。
4.本发明公开了一种风电变流控制系统，所述系统包括：cpu板卡、gpio板卡、机网侧控制板卡、模拟量采样板、脉冲接口板和低速信号采集板；
5.所述cpu板卡采用pci-e转pci总线芯片和第一fpga芯片实现pci总线接口；
6.所述gpio板卡应用第二fpga芯片采集变流器的输入输出数字信号量；所述cpu板卡通过pci总线与所述第二fpga芯片进行通信，监控所述gpio板卡；
7.所述机网侧控制板卡应用第三fpga芯片通过pci总线与所述cpu板卡进行通信；所述第三fpga芯片通过高速光纤与所述模拟量采样板通信，得到机侧模拟量和网侧模拟量；所述机网侧控制板卡根据所述机侧模拟量和网侧模拟量，得到机侧控制量和网侧控制量；所述机网侧控制板卡应用所述机侧控制量和网侧控制量，通过高速光纤与所述脉冲接口板通信，控制机侧igbt驱动模块和网侧igbt驱动模块；
8.所述的机网侧控制板应用第三fpga芯片通过编码器接口与风力发电机转子编码器连接，获得发电机的转子的转速和转子位置角；
9.所述模拟量采样板应用第四fpga芯片与所述第三fpga芯片通过高速光纤通信；所述第四fpga芯片采样控制第一ad芯片和第二ad芯片，得到所述机侧模拟量和网侧模拟量；
10.所述脉冲接口板应用第五fpga芯片与所述第三fpga芯片通过高速光纤通信；
11.所述低速信号采集板采集变换率慢的模拟量信号；所述低速信号采集板通过can总线与主cpu板卡通信。
12.可选地，所述机网侧控制板卡还包括：机侧mcu和网侧mcu；
13.所述机侧mcu与所述第三fpga芯片通信连接，得到所述机侧模拟量、发电机的转子的转速和转子位置角；
14.所述机侧mcu根据所述机侧模拟量、发电机的转子的转速和转子位置角，得到机侧控制量；
15.所述网侧mcu与所述第三fpga芯片通信连接，得到所述网侧模拟量；所述网侧mcu根据所述网侧模拟量，得到网侧控制量。
16.可选地，所述机侧模拟量包括：定子侧电压、定子侧电流、转子侧电流和直流母线电压。
17.可选地，所述机侧控制量为机侧变流器的桥路igbt的pwm驱动脉宽值。
18.可选地，所述网侧模拟量包括：电网电压、电网电流、网侧桥路电流和直流母线电压。
19.可选地，所述网侧控制量为网侧变流器的桥路igbt的pwm驱动脉宽值。
20.可选地，所述机侧mcu根据所述机侧模拟量、发电机的转子的转速和转子位置角，得到机侧控制量的方法包括：
21.根据所述机侧模拟量、发电机的转子的转速和转子位置角，通过空间矢量算法等运算，生成机侧变流器的桥路igbt的pwm驱动脉宽值。
22.可选地，所述网侧mcu根据所述网侧模拟量，得到网侧控制量的方法包括：
23.根据所述网侧模拟量通过空间矢量算法，低电压穿越算法lvrt和高电压穿越算法hvrt运算生成网侧变流器的桥路igbt的pwm驱动脉宽值。
24.可选地，所述脉冲接口板应用第五fpga芯片识别所述机侧igbt驱动模块和网侧igbt驱动模块的igbt故障信号。
25.可选地，所述变换率慢的模拟量信号的信号包括：功率模块的温度和环境湿度。
26.可见，本发明提出的方案，采用模块化设计，把变流器控制系统分解成功能相对独立的硬件板，在板级把数/模拟信号、高/低速信号隔离开来，大大的降低了变流器控制系统的接线难度、排查问题的难度。由于各模块功能独立、复用度高，当系统需扩充或裁减时，只需增删相应功能的硬件板(比如需要对数字控制信号路数进行扩展时，只需要在背板总线接口上扩展相应的gpio板卡)，而不需要重新对硬件电路进行重新设计；当某芯片供货出现问题时，只需重新设计和验证出现断货芯片的电路板而不必对全部电路进行重新设计和验证。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为根据本发明实施例的一种风电变流控制系统的通信框图；
29.图2为根据本发明实施例的一种风电变流控制系统的总体硬件实现框图；
30.图3为根据本发明实施例的主cpu板卡实现框图；
31.图4为根据本发明实施例的低速信号采集板实现框图。
具体实施方式
32.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只
是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.本发明第一方面公开了一种风电变流控制系统，图1为根据本发明实施例的一种风电变流控制系统的结构图，具体如图1所示，所述系统包括：cpu板卡、gpio板卡、机网侧控制板卡、模拟量采样板、脉冲接口板和低速信号采集板；
34.如图2所示，主cpu板卡、gpio板卡和机网侧控制板插在机箱总线插槽上，通过pci总线通信；模拟量采样板和脉冲接口板通过高速光纤与机网侧控制板相连；信号采集板通过can总线与主cpu板卡相连。硬件关键芯片均采用国产化芯片。
35.所述cpu板卡采用pci-e转pci总线芯片和第一fpga芯片实现pci总线接口；
36.主cpu板卡实现如图3所示：主处理器采用国产器件“龙芯2k1000”双核处理器，该处理器主要面向于工业控制及网络通信应用等。采用40nm工艺，片内集成2个gs264处理器核，主频1ghz，64位ddr3控制器，以及各种系统io接口。一级交叉开关连接两个处理器核、两个二级cache以及io子网络(cache访问路径)。二级交叉开关连接两个二级cache、内存控制器、启动模块(spi或者lio)以及io子网络(uncache访问路径)。io子网络连接一级交叉开关，以减少处理器访问延迟。io子网络中包括需要dma的模块(pcie、gmac、sata、usb、hda/i2s、nand、sdio、dc、gpu、vpu、camera和加解密模块)和不需要dma的模块，需要dma的模块可以通过cache或者uncache方式访问内存。
37.网络接口：cpu自带两路千兆mac，通过rgmii接口外部连接yt8511扩展2路千兆自适应网络。
38.存储器：系统具有多种存储接口，其中qspi接口连接spi flash实现对bios启动程序的存储，2gb ddr3接口为系统ram，保证程序和数据的高速缓存。sd卡高速sata接口，可以存储系统程序掉电需要保存的数据等。
39.pcie转pci总线芯片采用沁恒ch368芯片和紫光同创的pgl50gfbg484fpga芯片实现。
40.所述gpio板卡应用第二fpga芯片采集变流器的输入输出数字信号量；所述cpu板卡通过pci总线与所述第二fpga芯片进行通信，监控所述gpio板卡；
41.具体地，gpio板卡采用紫光同创的pgl50gfbg484 fpga芯片实现pci接口及数字输入输出逻辑转换，具有16路di输入通道，12路do输出通道。输入通道，采用光耦隔离，支持干节点和12～24v电压输入。输出通道，采用继电器干节点输出，支持dc30v/6a，并提供24v
‑‑‑
1a和15v
‑‑‑
1a电源接口。
42.所述机网侧控制板卡应用第三fpga芯片通过pci总线与所述cpu板卡进行通信；所述第三fpga芯片通过高速光纤与所述模拟量采样板通信，得到机侧模拟量和网侧模拟量；所述机网侧控制板卡根据所述机侧模拟量和网侧模拟量，得到机侧控制量和网侧控制量；所述机网侧控制板卡应用所述机侧控制量和网侧控制量，通过高速光纤与所述脉冲接口板通信，控制机侧igbt驱动模块和网侧igbt驱动模块，进而实现对发电机转子侧电流的控制，进而实现发电机定子侧电压与电网电压的同步和进而实现网侧输出电压与电网电压的同步及直流母线电压的控制。
43.所述模拟量采样板应用第四fpga芯片与所述第三fpga芯片通过高速光纤通信；所述第四fpga芯片采样控制第一ad芯片和第二ad芯片，得到所述机侧模拟量和网侧模拟量；
所述的机网侧控制板应用第三fpga芯片通过编码器接口与风力发电机转子编码器连接，获得发电机的转子的转速和转子位置角；
44.在一些实施例中，模拟量采样板有多块板。
45.模拟量采样板采用芯佰微电子cbm76ad06芯片及紫光同创的pgl50gfbg484 fpga芯片实现，具有多通道电流采样，多路电压采样。cbm76ad06芯片具有8通道同步数据采集、16位逐次逼近型adc，内嵌灵活的数字滤波器、2.5v基准电压源、基准电压缓冲以及高速串行和并行接口。cbm76ad06芯片采用5v单电源供电，可以处理
±
10v和
±
5v真双极性输入信号，同时所有通道均能以高达200ksps的吞吐速率采样。cbm76ad06的模拟输入阻抗均为1mω。cbm76ad06芯片采用单电源工作方式，具有片内滤波和高输入阻抗，因此无需驱动运算放大器和外部双极性电源。模拟量采样板采用紫光同创的pgl50gfbg484 fpga芯片对ad芯片采集数据进行采样驱动及高速光纤数据上传。
46.所述脉冲接口板应用第五fpga芯片与所述第三fpga芯片通过高速光纤通信；
47.具体地，脉冲接口板采用紫光同创的pgl50gfbg484 fpga芯片来实现，上端采用20m双向光纤和光纤通讯板连接，下端输出多路光纤，可实现igbt功率模块的控制和系统故障反馈功能。
48.所述低速信号采集板采集变换率慢的模拟量信号；所述低速信号采集板通过can总线与主cpu板卡通信；
49.低速信号采集板卡实现如图4所示：具有多路pt100温度采集，多路ntc温度采集，多路4～20ma电流输入，
±
4v湿度信号等低速模拟信号通道，通过多路开关分时将各路输入信号接入ad采集芯片转换为数字量信号。同时具有多路脉冲信号测量，板卡自带一个mcu，mcu采用兆易创新gd32f470系列芯片，可以将采集的信号计算为温度信号然后通过can发送到主cpu板卡。
50.在一些实施例中，所述机网侧控制板卡还包括：机侧mcu和网侧mcu；
51.所述机侧mcu与所述第三fpga芯片通信连接，得到所述机侧模拟量、发电机的转子的转速和转子位置角；
52.所述机侧mcu根据所述机侧模拟量、发电机的转子的转速和转子位置角，得到机侧控制量；
53.所述网侧mcu与所述第三fpga芯片通信连接，得到所述网侧模拟量；所述网侧mcu根据所述网侧模拟量，得到网侧控制量。
54.具体地，机网侧控制板采用2片兆易创新gd32f470系列32位高性能mcu芯片和1片紫光同创的pgl50gfbg484 fpga芯片。机网侧控制板具有双向光纤通讯，双向光纤通讯速率为20m，具有一路编码器接口。gd32f470具备了超高的计算性能，处理器最高主频可达240mhz，并提供了完整的dsp指令集、并行计算能力和专用浮点运算单元(fpu)，从而将32位控制与领先的数字信号处理技术集成来满足高级计算需求。在闪存中直接执行代码高速零等待。双区块闪存允许同步读写操作，从而方便了程序升级。
55.在一些实施例中，所述机侧模拟量包括：定子侧电压、定子测电流、转子侧电流和直流母线电压。
56.在一些实施例中，所述机侧控制量为机侧变流器的桥路igbt的pwm驱动脉宽值。
57.在一些实施例中，所述网侧模拟量包括：电网电压、电网电流、网侧桥路电流和直
流母线电压。
58.在一些实施例中，所述网侧控制量为网侧变流器的桥路igbt的pwm驱动脉宽值。
59.在一些实施例中，所述机侧mcu根据所述机侧模拟量、发电机的转子的转速和转子位置角，得到机侧控制量的方法包括：
60.根据所述机侧模拟量、发电机的转子的转速和转子位置角，通过空间矢量算法等运算，生成机侧变流器的桥路igbt的pwm驱动脉宽值。
61.在一些实施例中，所述网侧mcu根据所述网侧模拟量，得到网侧控制量的方法包括：
62.根据所述网侧模拟量通过空间矢量算法，低电压穿越算法lvrt和高电压穿越算法hvrt运算生成网侧变流器的桥路igbt的pwm驱动脉宽值。
63.在一些实施例中，所述脉冲接口板应用第五fpga芯片识别所述机侧igbt驱动模块和网侧igbt驱动模块的igbt故障信号。
64.在一些实施例中，所述变换率慢的模拟量信号的信号包括：功率模块的温度和环境湿度
65.主控cpu通过通过分析这些温度，湿度信号，控制变流器冷却系统风冷、水冷等系统的工作。
66.在一些实施例中，主控cpu通过pci总线实现对gpio板卡、机网侧控制板卡的监控。具体的，例如，主控cpu通过can总线收到风力发电机停机信号后，通过pci总线控制gpio板卡的并网开关，使变流器脱网，同时主控cpu通过pci总线向机网侧控制板发送停机指令，实现机网侧变流器的停机控制；主控cpu通过以太网收到上位机发送的变流器复位指令后，通过pci总线控制gpio板卡的并网开关，使变流器脱网，同时主控cpu通过pci总线向机网侧控制板发送复位指令，实现变流器复位控制；当主控cpu通过低速信号采集板采集到的igbt温度量过高时，通过pci总线对gpio板卡开启冷却系统开关，实现对变流器温度的控制。
67.综上，本发明各个方面的技术方案与现有技术相比具有如下优点：
68.采用模块化设计，把变流器控制系统分解成功能相对独立的硬件板，在板级把数/模拟信号、高/低速信号隔离开来，大大的降低了变流器控制系统的接线难度、排查问题的难度。由于各模块功能独立、复用度高，当系统需扩充或裁减时，只需增删相应功能的硬件板(比如需要对数字控制信号路数进行扩展时，只需要在背板总线接口上扩展相应的gpio板卡)，而不需要重新对硬件电路进行重新设计；当某芯片供货出现问题时，只需重新设计和验证出现断货芯片的电路板而不必对全部电路进行重新设计和验证。
69.采用的pci总线数据通信接口、高速光纤通信、数字信号输入输出控制、ad采样驱动、pwm脉冲时序控制，均由fpga芯片来完成，这一方面降低了硬件设计的复杂度，另一方面使mcu、cpu更专注于相应功能逻辑的实现，降低了系统软件设计的复杂度。
70.采用pci总线插槽将主cpu板卡、gpio板卡和机网侧控制板卡连接的通信方式，相较于风力发电机变流器控制系统中常用的以排线或者连接器的连接方式，通信速率更高，稳定性更高，硬件更换与扩展也更灵活方便。
71.采用高速光纤将采样数据传输到机网侧控制板的对模拟量的采样方式，相较于当前风电变流器常采用的使用排线电信号对模拟采样值传输的方式，由于模拟部分与实际运算部分被光纤隔离，系统的抗干扰能力更强。
72.采用高速光纤把机网侧控制板卡与脉冲控制板相连，并通过脉冲控制板实现对igbt的进行驱动的方式，相较于当前风力发电机变流器常采用的用mcu自带的pwm外设对igbt进行驱动控制的方式：一方面，由于本发明机网侧控制板卡与igbt控制部分被光纤隔离，系统运算与执行分离，使系统抗干扰的能力更强；另一方面，由于省去了mcu的pwm控制开销，系统响应更快。
73.请注意，以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：

1.一种风电变流控制系统，其特征在于，所述系统包括：cpu板卡、gpio板卡、机网侧控制板卡、模拟量采样板、脉冲接口板和低速信号采集板；所述cpu板卡采用pci-e转pci总线芯片和第一fpga芯片实现pci总线接口；所述gpio板卡应用第二fpga芯片采集变流器的输入输出数字信号量；所述cpu板卡通过pci总线与所述第二fpga芯片进行通信，监控所述gpio板卡；所述机网侧控制板卡应用第三fpga芯片通过pci总线与所述cpu板卡进行通信；所述第三fpga芯片通过高速光纤与所述模拟量采样板通信，得到机侧模拟量和网侧模拟量；所述机网侧控制板卡根据所述机侧模拟量和网侧模拟量，得到机侧控制量和网侧控制量；所述机网侧控制板卡应用所述机侧控制量和网侧控制量，通过高速光纤与所述脉冲接口板通信，控制机侧igbt驱动模块和网侧igbt驱动模块；所述模拟量采样板应用第四fpga芯片与所述第三fpga芯片通过高速光纤通信；所述第四fpga芯片采样控制第一ad芯片和第二ad芯片，得到所述机侧模拟量和网侧模拟量；所述脉冲接口板应用第五fpga芯片与所述第三fpga芯片通过高速光纤通信；所述低速信号采集板采集变换率慢的模拟量信号；所述低速信号采集板通过can总线与主cpu板卡通信。2.根据权利要求1所述的一种风电变流控制系统，其特征在于，所述机网侧控制板卡还包括：机侧mcu和网侧mcu；所述侧mcu与所述第三fpga芯片通信连接，得到所述机侧模拟量、发电机的转子的转速和转子位置角；所述机侧mcu根据所述机侧模拟量、发电机的转子的转速和转子位置角，得到机侧控制量；所述网侧mcu与所述第三fpga芯片通信连接，得到所述网侧模拟量；所述网侧mcu根据所述网侧模拟量，得到网侧控制量。3.根据权利要求2所述的一种风电变流控制系统，其特征在于，所述机侧模拟量包括：定子侧电压、定子侧电流、转子侧电流和直流母线电压。4.根据权利要求3所述的一种风电变流控制系统，其特征在于，所述机侧控制量为机侧变流器的桥路igbt的pwm驱动脉宽值。5.根据权利要求2所述的一种风电变流控制系统，其特征在于，所述网侧模拟量包括：电网电压、电网电流、网侧桥路电流和直流母线电压。6.根据权利要求5所述的一种风电变流控制系统，其特征在于，所述网侧控制量为网侧变流器的桥路igbt的pwm驱动脉宽值。7.根据权利要求4所述的一种风电变流控制系统，其特征在于，所述网侧mcu根据所述机侧模拟量、发电机的转子的转速和转子位置角，得到机侧控制量的方法包括：根据所述机侧模拟量、发电机的转子的转速和转子位置角，通过空间矢量算法运算，生成机侧变流器的桥路igbt的pwm驱动脉宽值。8.根据权利要求6所述的一种风电变流控制系统，其特征在于，所述网侧mcu根据所述网侧模拟量，得到网侧控制量的方法包括：根据所述网侧模拟量通过空间矢量算法，低电压穿越算法lvrt和高电压穿越算法hvrt运算生成网侧变流器的桥路igbt的pwm驱动脉宽值。
9.根据权利要求1所述的一种风电变流控制系统，其特征在于，所述脉冲接口板应用第五fpga芯片识别所述机侧igbt驱动模块和网侧igbt驱动模块的igbt故障信号。10.根据权利要求1所述的一种风电变流控制系统，其特征在于，所述变换率慢的模拟量信号的信号包括：功率模块的温度和环境湿度。

技术总结

本发明提供一种风电变流控制系统，包括：采用模块化设计，把变流器控制系统分解成功能相对独立的硬件板，在板级把数/模拟信号、高/低速信号隔离开来，大大的降低了变流器控制系统的接线难度、排查问题的难度。采用的PCI总线数据通信接口、高速光纤通信、数字信号输入输出控制、AD采样驱动、PWM脉冲时序控制，均由FPGA芯片来完成，这一方面降低了硬件设计的复杂度，另一方面使MCU、CPU更专注于相应功能逻辑的实现，降低了系统软件设计的复杂度。采用高速光纤把机网侧控制板卡与脉冲控制板相连，并通过脉冲控制板实现对IGBT的进行驱动的方式，使系统抗干扰的能力更强；由于省去了MCU的PWM控制开销，系统响应更快。系统响应更快。系统响应更快。