光纤传输技术在风能转换系统中的应用研究

李学哲， 张全柱， 邓永红， 黄成玉

（华北科技学院信息与控制技术研究所，北京 101601）

随着经济的快速发展，能源问题日益严重。风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到各国的重视，已经成为各国可持续发展战略的重要组成部分。风能的开发和利用最核心的环节是变流器系统，以提高风能转换效率和改善电能质量[1]。

目前，各国的风电技术已经取得了长足的发展，但仍有亟待完善的地方：风能转换系统可靠性、稳定性的提高。传统的风电设备，控制信号采用电缆来传输，信号容易受到电缆互感的影响，频率越高，这种影响带来的干扰也就越大，导致IGBT误动作，严重时会炸管子。风电现场迫切需要研制出一种稳定、可靠的变流器控制与驱动系统。本系统是基于这样的实际应用背景和需求而进行立项开发的，采用先进的光纤传输技术，极大地提高了信号的抗干扰能力，提高了系统的稳定性和可靠性。该技术可望在全行业范围内推广应用，有比较看好的市场前景。

1 风能变换系统简介

风力发电技术是把转变为电能的技术。利用风力带动风力机叶轮旋转，再通过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。一个典型的风力发电系统包括：风、风力机、发电机、变流系统和电网等环节组成，其结构示意图如图1所示。系统的工作原理：变流器和双馈异步风力发电机是通过控制转子电路实现风机的变速运行。转子通过变流器连接到主电源上，变流器能够根据不同的转速提供给转子电压、频率可变的电源。变流器能使功率在主电源和变流器直流回路中进行输送和回馈的转换。系统使用主电抗器把变频器和主电源隔离开来，确保主电源上粘附的谐波分量被限制后输送到变流器[2]。

图1 风力发电结构示意图

变流器是整个风电系统的核心，包括IGBT主电路、驱动电路和控制电路。

1.1 IGBT主电路设计

图2 网侧变流器(NPR)原理图

IGBT主电路包括网侧变流器(NPR)和机侧变流器(MPR)，原理如图2所示。NPR和MPR分别由6个功率开关组成[3]。在逆变器直流母线上用0.1 μF/3300 V的高频无感电容作为Snubber吸收电容，以吸收高频尖峰电压，以保护IGBT器件。NPR在控制电路的驱动脉冲作用下，实现AC690 V三相交流电压至DC1200 V直流电压转变。MPR在控制电路的驱动脉冲作用下，实现变频、变压三相交流电压输出。

1.2 驱动电路设计

变流器驱动电路采用2SD315AI-33为核心模块设计。2SD315AI-33模块是瑞士CONCEPT公司生产的SCALE系列驱动器之一，是驱动和保护大功率IGBT的专用集成驱动模块，该模块采用脉冲变压器隔离方式，能同时驱动两个IGBT模块，电气隔离可达到6000 VAC。具有准确可靠的驱动功能与灵活可调的过流保护功能，同时可对电源电压进行欠压检测。驱动电路主要将主控电路产生的12路SPWM信号隔离、调整，以驱动IGBT管子通断，实现变流控制。

1.3 控制电路设计

控制电路是整个变流器系统的核心，负责电压、电流、故障等信号的检测，SPWM波产生与输出，按键输入与状态显示等。控制电路及其核心软件是变流器各项功能指标的重要保证。变流器控制电路按功能可以分为如下模块：CPU模块、信号检测模块、SPWM输出模块和键盘通讯模块。控制电路框图如图3所示。变流器控制系统是以高速、高性能、耐高温单片微机DSPIC30F6010A CPU为核心而构成的全数字化电路，实现高速、可靠的系统控制。

图3 控制电路结构框图

风电系统对电磁兼容特性有较高的要求，要求系统具有极强的抗干扰能力，工作性能稳定。传统的导线式信号传输方式不能满足这种要求，信号在传输过程中极易引入电磁干扰，造成电路误动作，甚至IGBT炸管子。为了解决这一问题，系统对重要信号的传输应采用光纤方案设计，利用光纤传导信号，大大降低了传输过程中的电磁干扰，增强了系统的稳定性。光纤系统框图如图4所示。

2 光纤传输的基本原理

光纤传输电路主要有HFBR1512(光纤发生器)，HFBR-2512(光纤接受器)，同时配以相应的光线紧固接口HFBR4503(同光纤发生器相连)，HFBR4513(同光纤接受器相连)[4]。在光纤发生器一端将电信号转变成光信号，利用震荡原理来传输光信号，在光纤接受器一端将光信号转变成电信号，完成整个传输过程。光纤传输示意图如图5所示。

图4 光纤系统框图

图5 光纤传输示意图

该电路使用时要注意：(1)HFBR1512(光纤发生器)使用说明：1为输入信号阳极；2为输入信号阴极；3、4为开路；5、8是接口固定端。(2)HFBR2512(光纤接受器)使用说明：1、4输出信号；2为电源地；3为电源正极；5、8是接口固定端。(3)该传输电路光电转换的逻辑电平为5 V，故无论在控制板的发生端，还是在驱动板的接受端都应将接口电平转换为5 V。

3 变流器光纤传输电路设计

3.1 光纤发射电路设计

利用光纤发射电路将控制板产生的6路驱动脉冲信号和1路复位控制信号以光纤传输的方式送给驱动板，实现对IGBT的逆变控制；同时把驱动板以光纤传输方式反馈的IGBT保护信号转换成电信号送给控制板。电路中光纤接头采用安捷伦公司生产的HFBR系列，光纤发射器型号为HFBR1521，光纤接收器型号为HFBR2521。利用CD4050实现6路驱动信号的隔离与转换。利用光耦TLP521隔离调整复位信号。光纤发射电路原理图(部分)如图6所示。

图6 光纤发射电路原理图

3.2 光纤接收电路设计

利用光纤接收电路将以光纤传输方式送来的6路驱动脉冲信号和1路复位控制信号转换成电信号送给驱动板，实现对IGBT的逆变控制；同时把驱动板的保护信号以光纤传输方式反馈给控制板。电路中光纤接头采用安捷伦公司生产的HFBR系列，光纤发射器型号为HFBR1521，光纤接收器型号为HFBR2521。利用MC14504B实现6路驱动信号的隔离与电平转换。利用光耦TLP521隔离调整复位和保护信号。光纤接收电路原理图(部分)如图7所示。

4 光纤驱动电路实验结果

图7 光纤接收电路原理图

图8 逆变器输出波形对比图

针对设计的光纤驱动系统，进行了调试试验。逆变器输出的SPWM波形如图8所示。图8（a）为采用线缆传输方式时，逆变器输出波形，有脉冲丢失现象。图8（b）为采用光纤传输方式时，逆变器输出波形。经过24 h连续运转试验后，未发现脉冲丢失现象，波形如图8（b）所示。实验结果表明，光纤驱动系统可以实现对逆变器的变频调速控制，系统很好地解决了驱动信号相互干扰的问题，增加了系统的可靠性，有效地保证了系统的稳定运行。

5 结语

本文提出的基于光纤传输方案的风能转换系统，集微型计算机控制技术、风电转换技术、现代光纤技术于一体，很好地解决了风能变换可靠性、稳定性的问题。由光纤和驱动模块组成的驱动系统结构简单、可靠性好，非常适合用在要求较高的场合中。

[1]杨俊华.现代控制技术在风能转换系统中的应用[J].太阳能学报，2004(4)：64-69.

[2]叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M].北京：机械工业出版社，2002:87-254.

[3]陈伯时.矩阵式交-交变换器及其控制[J].电力电子技术，1999(1)：10-54.

[4]赵梓森.光纤通信工程[M].北京：人民邮电出版社，2002:104-168.