基于TCF792的风电机组软并网控制器的设计

梁涛，黄玥

（1.武汉数字工程研究所，湖北武汉430074;2.空军雷达学院，湖北武汉 430072）

0 引言

风能作为一种清洁可再生能源，在环境污染严重、能源日益匮乏的今天，越来越得到人们的重视。并网型异步发电系统是大型风力发电系统的一种重要类型，该系统中风力发电机组的并网控制是整个电控系统最关键、最复杂的技术之一，它直接影响到风机工作的可靠性和在有效工作寿命内的发电量［1］。目前，国内外大多采用软并网控制技术来完成大型异步风力发电机的并网。而传统的软并网控制器采用简单的模拟电路或单片机电路，本文采用TCF792可控硅驱动控制的专用集成控制芯片来设计软并网控制器，该芯片采用独有的先进IC工艺技术，并参照国外最新集成移相触发集成电路而设计的单片集成电路，工作性能稳定可靠。

1 风力发电机组软并网技术简介

异步发电机投入运行时，是靠滑差来调整负荷的，对机组的调速精度要求不高，不需要同步设备和整步操作，只要转速接近同步速时就可并网，不仅控制装置简单，而且并网后不会产生振荡和失步，运行非常稳定。然而异步发电机采用直接并网方式时，并网瞬间的冲击电流会达到电机额定电流的5～7倍，甚至10倍。这样大的冲击电流会造成并网瞬间电网电压的突然下跌，威胁电网的稳定和安全［1-3］。

目前，国内外异步风力发电机的并网方式主要有采用双向可控硅的软并网技术，可以得到一个平稳的并网过渡过程而不会出现冲击电流，使并网时的电流控制在1.5～2倍的额定电流以内，因此可以大大降低并网时的冲击，增加风电机组的使用寿命和可靠性［1-4］。

2 软并网工作原理

软并网技术，是指在电网与发电机的每相连接中串入双向可控硅。在并网过程中，通过控制可控硅的触发角，从而调节发电机的输入电压，最终限制电流，减小对电网的冲击。图1是软并网系统主回路的结构图。

图1 软并网系统主电路结构图

软并网过程如下:当风轮带动的异步发电机转动至转速接近同步转速时，软并网控制器收到控制系统发出的软并网启动命令，首先检查发电机的相序与电网的相序是否一致，若相序正确，则发出双向可控硅的驱动命令，三相主电路上的3组双向可控硅VT1～6受软并网控制器的控制被触发导通，导通角随着发电机与同步转速的接近而从0°逐步开至180°;当发电机转速达到同步转速，可控硅完全打开，异步发电机即通过可控硅平稳地并入电网;与此同时，旁路接触器K吸合，软并网装置被旁路开关短路从而退出运行，异步发电机的输出电流将不再流经双向可控硅，而是通过已闭合的旁路接触器直接流入电网，此时机组完成整个并网过程，进入稳定运行状态。由于可控硅属贵重元器件，承受电压与电流冲击的能力较差。为了吸收开关器件动作过程中可控硅两端可能产生的瞬间尖峰电压，在每相可控硅两端并联阻容RC1，RC2，RC3 吸收保护回路。

3 软并网控制器的设计

软并网控制器选用TCF792作为主控芯片，该软并网控制器的启动、停止以及并网控制均要受风机主控制器的控制。并网时由主控制器下达命令，软并网控制器根据收到的命令情况和相应的传感器信号按照软件控制策略逐步打开可控硅导通角，对并网过程进行控制，从而达到控制并网瞬态电流的目的。

3.1 TCF792 简介

TCF792是单、三相通用数字相位控制触发电路。该芯片供电电压为5V，它的输入输出端口兼容TTL电平，这使它与其他数字电路接口简单方便。它采用单相同步信号输入，数字分频移相120°，以适应三相触发电路，触发角范围2°～178°，可选择矩形波或调制波输出。脉冲宽度采用电压控制，无需移相电容。该芯片可用于可控硅、双向可控硅和晶体管类控制电路。TCF792原理结构图如图2所示。

图2 TCF792原理结构图

3.2 硬件电路

软并网控制器的硬件电路如图3所示。

1）选取电网其中一相电压Ua作为同步信号，采用方波方式输入至TCF792的同步脉冲输入端7号引脚，其下降沿应为A相相电压由负变正过零的同步点，该周期信号经180倍倍频后，可形成2°周期宽度的脉冲信号，调制波脉冲、相位分配等信号由此产生。

2）TCF792 的2，3，6，8，9 和11 引脚分别是控制A，B，C三相可控硅的脉冲输出端，其输出控制脉冲信号经过光电隔离、信号放大电路即可驱动可控硅器件。

3）TCF792的12引脚是移相脉冲电压控制端，给该引脚输入0～5V直流电压，线性对应移相控制角度2°～178°，这样软并网过程中可以通过外部导通角控制电压给定来控制并网过程中的可控硅的导通角度。

图3 软并网控制器原理图

4）TCF792的13引脚是脉宽电压电位输入端，当选择矩形波脉冲时，输入范围0～5V，线性对应脉宽相角2°～178°，当选择调制脉冲时，输入范围0～5V，线性对应脉宽相角 0°～60°。

5）TCF792的14引脚是相位补偿电位输入端，输入范围0～5V，线性对应前移控制脉冲角度0°～60°，该端口接地时为无补偿。

6）TCF792的15引脚接地时为三相半控单脉冲输出，该引脚悬空或接上拉电阻10kΩ时为三相全控双脉冲输出，即触发该相时，同时向上一次触发的端口补发一个脉冲，本控制器为了保证使用的可靠性采用了双脉冲触发方式，通过拨码开关来设置。

7）TCF792的16引脚接地时为禁止各路移相触发脉冲输出，此时所有输出脉冲端口为高电平，响应时间＜60°，该引脚悬空或接上拉电阻10kΩ时，可以允许触发脉冲输出，这样可以通过控制该引脚的接地来实现软并网过程中出现紧急故障从而封锁晶闸管移相脉冲输出信号，关断晶闸管。

8）TCF792的17引脚接地时为调制脉冲输出，调制波周期为4°，占空比为50%，该引脚悬空或接上拉电阻10kΩ时，输出为矩形波方式。

3.3 软件控制策略

软并网控制器由风力发电机组的主控制器控制。主控制器根据风机的运行情况以及所处状态，及时准确的实现对软并网控制器通电、断电、复位、解除锁定、给定导通角等功能操作，从而实现风机的软并网过程，导通角的给定是通过主控制器输出0～5V信号至TCF的13引脚来实现的。与此同时，软并网控制器也将根据其检查到的现场状态信息，及时的将可控硅过温信号、电流超限信号、软并网超时信号、可控硅导通角完全打开信号等反馈至主控制器。

软并网控制流程图如图4所示。风力发电机组在正常运行中，由待机状态进入发电机加速过程，此时主控制器可以对软并网控制器通电，在发电机转速达到亚同步转速时再对软并网控制器解锁并按照主控程序中的算法逐步打开晶闸管导通角度，当晶闸管角度开至180°时，主控制器吸合旁路接触器，将软并网装置切除，发电机的电能通过旁路接触器进入电网，软并网控制器也断电并退出运行。在软并网执行过程中，如果出现晶闸管过热、软并网超时、电流检测超限等故障，软并网控制器在立即封锁晶闸管移相脉冲输出信号的同时将故障信息反馈至风机主控制器。

图4 软并网控制流程图

4 试验波形

按照如上所述的设计思路研制的软并网控制器，适用于兆瓦级异步风力发电机系统，并且在风电场的并网运行中得到试验验证。

图5是一台使用本软并网控制器的定桨距异步风力发电机组在风力发电场并网过程中记录的试验曲线，其中上方的曲线是一组双向可控硅中其中一个的移相触发脉冲，采用的是双脉冲低电平的触发方式，下方的曲线是通过该可控硅触发控制的电流曲线。

通过曲线可以看出，基于TCF792芯片设计的软并网控制器可以有效的控制可控硅的移相触发角度，稳定可靠的实现风力发电机组中异步发电机的软并网过程。同时亦可根据主控制器编制的控制算法调节可控硅的触发角度，从而实现并网过程中的瞬态电流对电网冲击的优化。

图5 软并网试验波形图

5 结语

本文对异步风力发电机中的软并网过程及其原理进行了介绍，详细分析并介绍基于该芯片设计的风力发电机组软并网控制器的设计思路和关键技术。

目前，基于TCF792控制的软并网控制器已经研制成功，并且在实际项目中得到应用，在风力发电厂的考核中稳定可靠。

［1］叶杭冶.风力发电机组的控制技术［M］.北京:机械工业出版社，2006.

［2］武鑫，赵斌.750kW失速型风力发电机组控制系统关键技术设计［J］.电气应用，2006（10）.

［3］孟岳勇，谢少军.基于DSP的异步风力发电机组软并网控制器的设计［J］.电气开关，2003（6）.

［4］王承凯.兆瓦级失速型风力发电机组电气控制系统的研究［D］.北京:中国科学院电工研究所，2003.