基于TCF792的風電機組軟并網控制器的設計

梁濤，黃玥

（1.武漢數字工程研究所，湖北武漢430074;2.空軍雷達學院，湖北武漢 430072）

0 引言

風能作為一種清潔可再生能源，在環境污染嚴重、能源日益匱乏的今天，越來越得到人們的重視。并網型異步發電系統是大型風力發電系統的一種重要類型，該系統中風力發電機組的并網控制是整個電控系統最關鍵、最復雜的技術之一，它直接影響到風機工作的可靠性和在有效工作壽命內的發電量［1］。目前，國內外大多采用軟并網控制技術來完成大型異步風力發電機的并網。而傳統的軟并網控制器采用簡單的模擬電路或單片機電路，本文采用TCF792可控硅驅動控制的專用集成控制芯片來設計軟并網控制器，該芯片采用獨有的先進IC工藝技術，并參照國外最新集成移相觸發集成電路而設計的單片集成電路，工作性能穩定可靠。

1 風力發電機組軟并網技術簡介

異步發電機投入運行時，是靠滑差來調整負荷的，對機組的調速精度要求不高，不需要同步設備和整步操作，只要轉速接近同步速時就可并網，不僅控制裝置簡單，而且并網后不會產生振蕩和失步，運行非常穩定。然而異步發電機采用直接并網方式時，并網瞬間的沖擊電流會達到電機額定電流的5～7倍，甚至10倍。這樣大的沖擊電流會造成并網瞬間電網電壓的突然下跌，威脅電網的穩定和安全［1-3］。

目前，國內外異步風力發電機的并網方式主要有采用雙向可控硅的軟并網技術，可以得到一個平穩的并網過渡過程而不會出現沖擊電流，使并網時的電流控制在1.5～2倍的額定電流以內，因此可以大大降低并網時的沖擊，增加風電機組的使用壽命和可靠性［1-4］。

2 軟并網工作原理

軟并網技術，是指在電網與發電機的每相連接中串入雙向可控硅。在并網過程中，通過控制可控硅的觸發角，從而調節發電機的輸入電壓，最終限制電流，減小對電網的沖擊。圖1是軟并網系統主回路的結構圖。

圖1 軟并網系統主電路結構圖

軟并網過程如下:當風輪帶動的異步發電機轉動至轉速接近同步轉速時，軟并網控制器收到控制系統發出的軟并網啟動命令，首先檢查發電機的相序與電網的相序是否一致，若相序正確，則發出雙向可控硅的驅動命令，三相主電路上的3組雙向可控硅VT1～6受軟并網控制器的控制被觸發導通，導通角隨著發電機與同步轉速的接近而從0°逐步開至180°;當發電機轉速達到同步轉速，可控硅完全打開，異步發電機即通過可控硅平穩地并入電網;與此同時，旁路接觸器K吸合，軟并網裝置被旁路開關短路從而退出運行，異步發電機的輸出電流將不再流經雙向可控硅，而是通過已閉合的旁路接觸器直接流入電網，此時機組完成整個并網過程，進入穩定運行狀態。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。為了吸收開關器件動作過程中可控硅兩端可能產生的瞬間尖峰電壓，在每相可控硅兩端并聯阻容RC1，RC2，RC3 吸收保護回路。

3 軟并網控制器的設計

軟并網控制器選用TCF792作為主控芯片，該軟并網控制器的啟動、停止以及并網控制均要受風機主控制器的控制。并網時由主控制器下達命令，軟并網控制器根據收到的命令情況和相應的傳感器信號按照軟件控制策略逐步打開可控硅導通角，對并網過程進行控制，從而達到控制并網瞬態電流的目的。

3.1 TCF792 簡介

TCF792是單、三相通用數字相位控制觸發電路。該芯片供電電壓為5V，它的輸入輸出端口兼容TTL電平，這使它與其他數字電路接口簡單方便。它采用單相同步信號輸入，數字分頻移相120°，以適應三相觸發電路，觸發角范圍2°～178°，可選擇矩形波或調制波輸出。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原理結構圖如圖2所示。

圖2 TCF792原理結構圖

3.2 硬件電路

軟并網控制器的硬件電路如圖3所示。

1）選取電網其中一相電壓Ua作為同步信號，采用方波方式輸入至TCF792的同步脈沖輸入端7號引腳，其下降沿應為A相相電壓由負變正過零的同步點，該周期信號經180倍倍頻后，可形成2°周期寬度的脈沖信號，調制波脈沖、相位分配等信號由此產生。

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經過光電隔離、信號放大電路即可驅動可控硅器件。

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，線性對應移相控制角度2°～178°，這樣軟并網過程中可以通過外部導通角控制電壓給定來控制并網過程中的可控硅的導通角度。

圖3 軟并網控制器原理圖

4）TCF792的13引腳是脈寬電壓電位輸入端，當選擇矩形波脈沖時，輸入范圍0～5V，線性對應脈寬相角2°～178°，當選擇調制脈沖時，輸入范圍0～5V，線性對應脈寬相角 0°～60°。

5）TCF792的14引腳是相位補償電位輸入端，輸入范圍0～5V，線性對應前移控制脈沖角度0°～60°，該端口接地時為無補償。

6）TCF792的15引腳接地時為三相半控單脈沖輸出，該引腳懸空或接上拉電阻10kΩ時為三相全控雙脈沖輸出，即觸發該相時，同時向上一次觸發的端口補發一個脈沖，本控制器為了保證使用的可靠性采用了雙脈沖觸發方式，通過撥碼開關來設置。

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

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

3.3 軟件控制策略

軟并網控制器由風力發電機組的主控制器控制。主控制器根據風機的運行情況以及所處狀態，及時準確的實現對軟并網控制器通電、斷電、復位、解除鎖定、給定導通角等功能操作，從而實現風機的軟并網過程，導通角的給定是通過主控制器輸出0～5V信號至TCF的13引腳來實現的。與此同時，軟并網控制器也將根據其檢查到的現場狀態信息，及時的將可控硅過溫信號、電流超限信號、軟并網超時信號、可控硅導通角完全打開信號等反饋至主控制器。

軟并網控制流程圖如圖4所示。風力發電機組在正常運行中，由待機狀態進入發電機加速過程，此時主控制器可以對軟并網控制器通電，在發電機轉速達到亞同步轉速時再對軟并網控制器解鎖并按照主控程序中的算法逐步打開晶閘管導通角度，當晶閘管角度開至180°時，主控制器吸合旁路接觸器，將軟并網裝置切除，發電機的電能通過旁路接觸器進入電網，軟并網控制器也斷電并退出運行。在軟并網執行過程中，如果出現晶閘管過熱、軟并網超時、電流檢測超限等故障，軟并網控制器在立即封鎖晶閘管移相脈沖輸出信號的同時將故障信息反饋至風機主控制器。

圖4 軟并網控制流程圖

4 試驗波形

按照如上所述的設計思路研制的軟并網控制器，適用于兆瓦級異步風力發電機系統，并且在風電場的并網運行中得到試驗驗證。

圖5是一臺使用本軟并網控制器的定槳距異步風力發電機組在風力發電場并網過程中記錄的試驗曲線，其中上方的曲線是一組雙向可控硅中其中一個的移相觸發脈沖，采用的是雙脈沖低電平的觸發方式，下方的曲線是通過該可控硅觸發控制的電流曲線。

通過曲線可以看出，基于TCF792芯片設計的軟并網控制器可以有效的控制可控硅的移相觸發角度，穩定可靠的實現風力發電機組中異步發電機的軟并網過程。同時亦可根據主控制器編制的控制算法調節可控硅的觸發角度，從而實現并網過程中的瞬態電流對電網沖擊的優化。

圖5 軟并網試驗波形圖

5 結語

本文對異步風力發電機中的軟并網過程及其原理進行了介紹，詳細分析并介紹基于該芯片設計的風力發電機組軟并網控制器的設計思路和關鍵技術。

目前，基于TCF792控制的軟并網控制器已經研制成功，并且在實際項目中得到應用，在風力發電廠的考核中穩定可靠。

［1］葉杭冶.風力發電機組的控制技術［M］.北京:機械工業出版社，2006.

［2］武鑫，趙斌.750kW失速型風力發電機組控制系統關鍵技術設計［J］.電氣應用，2006（10）.

［3］孟岳勇，謝少軍.基于DSP的異步風力發電機組軟并網控制器的設計［J］.電氣開關，2003（6）.

［4］王承凱.兆瓦級失速型風力發電機組電氣控制系統的研究［D］.北京:中國科學院電工研究所，2003.