光纖傳輸技術在風能轉換系統中的應用研究

李學哲， 張全柱， 鄧永紅， 黃成玉

（華北科技學院信息與控制技術研究所，北京 101601）

隨著經濟的快速發展，能源問題日益嚴重。風能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到各國的重視，已經成為各國可持續發展戰略的重要組成部分。風能的開發和利用最核心的環節是變流器系統，以提高風能轉換效率和改善電能質量[1]。

目前，各國的風電技術已經取得了長足的發展，但仍有亟待完善的地方：風能轉換系統可靠性、穩定性的提高。傳統的風電設備，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，導致IGBT誤動作，嚴重時會炸管子。風電現場迫切需要研制出一種穩定、可靠的變流器控制與驅動系統。本系統是基于這樣的實際應用背景和需求而進行立項開發的，采用先進的光纖傳輸技術，極大地提高了信號的抗干擾能力，提高了系統的穩定性和可靠性。該技術可望在全行業范圍內推廣應用，有比較看好的市場前景。

1 風能變換系統簡介

風力發電技術是把轉變為電能的技術。利用風力帶動風力機葉輪旋轉，再通過增速機將旋轉的速度提升，來促使發電機發電。一個典型的風力發電系統包括：風、風力機、發電機、變流系統和電網等環節組成，其結構示意圖如圖1所示。系統的工作原理：變流器和雙饋異步風力發電機是通過控制轉子電路實現風機的變速運行。轉子通過變流器連接到主電源上，變流器能夠根據不同的轉速提供給轉子電壓、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行輸送和回饋的轉換。系統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 風力發電結構示意圖

變流器是整個風電系統的核心，包括IGBT主電路、驅動電路和控制電路。

1.1 IGBT主電路設計

圖2 網側變流器(NPR)原理圖

IGBT主電路包括網側變流器(NPR)和機側變流器(MPR)，原理如圖2所示。NPR和MPR分別由6個功率開關組成[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IGBT器件。NPR在控制電路的驅動脈沖作用下，實現AC690 V三相交流電壓至DC1200 V直流電壓轉變。MPR在控制電路的驅動脈沖作用下，實現變頻、變壓三相交流電壓輸出。

1.2 驅動電路設計

變流器驅動電路采用2SD315AI-33為核心模塊設計。2SD315AI-33模塊是瑞士CONCEPT公司生產的SCALE系列驅動器之一，是驅動和保護大功率IGBT的專用集成驅動模塊，該模塊采用脈沖變壓器隔離方式，能同時驅動兩個IGBT模塊，電氣隔離可達到6000 VAC。具有準確可靠的驅動功能與靈活可調的過流保護功能，同時可對電源電壓進行欠壓檢測。驅動電路主要將主控電路產生的12路SPWM信號隔離、調整，以驅動IGBT管子通斷，實現變流控制。

1.3 控制電路設計

控制電路是整個變流器系統的核心，負責電壓、電流、故障等信號的檢測，SPWM波產生與輸出，按鍵輸入與狀態顯示等。控制電路及其核心軟件是變流器各項功能指標的重要保證。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。控制電路框圖如圖3所示。變流器控制系統是以高速、高性能、耐高溫單片微機DSPIC30F6010A CPU為核心而構成的全數字化電路，實現高速、可靠的系統控制。

圖3 控制電路結構框圖

風電系統對電磁兼容特性有較高的要求，要求系統具有極強的抗干擾能力，工作性能穩定。傳統的導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，系統對重要信號的傳輸應采用光纖方案設計，利用光纖傳導信號，大大降低了傳輸過程中的電磁干擾，增強了系統的穩定性。光纖系統框圖如圖4所示。

2 光纖傳輸的基本原理

光纖傳輸電路主要有HFBR1512(光纖發生器)，HFBR-2512(光纖接受器)，同時配以相應的光線緊固接口HFBR4503(同光纖發生器相連)，HFBR4513(同光纖接受器相連)[4]。在光纖發生器一端將電信號轉變成光信號，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)該傳輸電路光電轉換的邏輯電平為5 V，故無論在控制板的發生端，還是在驅動板的接受端都應將接口電平轉換為5 V。

3 變流器光纖傳輸電路設計

3.1 光纖發射電路設計

利用光纖發射電路將控制板產生的6路驅動脈沖信號和1路復位控制信號以光纖傳輸的方式送給驅動板，實現對IGBT的逆變控制；同時把驅動板以光纖傳輸方式反饋的IGBT保護信號轉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的HFBR系列，光纖發射器型號為HFBR1521，光纖接收器型號為HFBR2521。利用CD4050實現6路驅動信號的隔離與轉換。利用光耦TLP521隔離調整復位信號。光纖發射電路原理圖(部分)如圖6所示。

圖6 光纖發射電路原理圖

3.2 光纖接收電路設計

利用光纖接收電路將以光纖傳輸方式送來的6路驅動脈沖信號和1路復位控制信號轉換成電信號送給驅動板，實現對IGBT的逆變控制；同時把驅動板的保護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的HFBR系列，光纖發射器型號為HFBR1521，光纖接收器型號為HFBR2521。利用MC14504B實現6路驅動信號的隔離與電平轉換。利用光耦TLP521隔離調整復位和保護信號。光纖接收電路原理圖(部分)如圖7所示。

4 光纖驅動電路實驗結果

圖7 光纖接收電路原理圖

圖8 逆變器輸出波形對比圖

針對設計的光纖驅動系統，進行了調試試驗。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，有脈沖丟失現象。圖8（b）為采用光纖傳輸方式時，逆變器輸出波形。經過24 h連續運轉試驗后，未發現脈沖丟失現象，波形如圖8（b）所示。實驗結果表明，光纖驅動系統可以實現對逆變器的變頻調速控制，系統很好地解決了驅動信號相互干擾的問題，增加了系統的可靠性，有效地保證了系統的穩定運行。

5 結語

本文提出的基于光纖傳輸方案的風能轉換系統，集微型計算機控制技術、風電轉換技術、現代光纖技術于一體，很好地解決了風能變換可靠性、穩定性的問題。由光纖和驅動模塊組成的驅動系統結構簡單、可靠性好，非常適合用在要求較高的場合中。

[1]楊俊華.現代控制技術在風能轉換系統中的應用[J].太陽能學報，2004(4)：64-69.

[2]葉杭冶.風力發電機組的控制技術[M].北京：機械工業出版社，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，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.