文：裴景斌 周維來 孫敬華 來源：九洲電氣
摘要 ：本文介紹了風(fēng)電變流器網(wǎng)側(cè)PWM變換器的數(shù)學(xué)模型和控制框圖,給出了控制電路的硬件構(gòu)成和軟件流程,并給出實驗波形。
關(guān)鍵詞 ：風(fēng)電變流器，PWM，控制器
0 引言
PWM變換器的控制技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的核心技術(shù)之一，本文設(shè)計的PWM變換器是基于PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，并對提高網(wǎng)側(cè)PWM變換器抗擾動性能的前饋控制策略進(jìn)行了研究。采用改進(jìn)的前饋控制策略，對于負(fù)載擾動和電網(wǎng)電壓三相平衡跌落，具有很好的抗干擾能力。
1 PWM 變換器的數(shù)學(xué)模型和控制框圖
1.1 PWM 變換器 d-q 軸下的數(shù)學(xué)模型
圖1 PWM整流器主電路
將三相靜止對稱軸系中PWM整流器的一般數(shù)學(xué)模型經(jīng)坐標(biāo)變換后，即得到VSR的dq模型，可解決對時變系數(shù)微分方程的求解，便于對參量解耦及獲得控制策略。坐標(biāo)系及矢量分解如圖2所示，其中(d , q )軸系以電網(wǎng)基波角頻率ω 同步逆時針旋轉(zhuǎn)。
圖2 坐標(biāo)系及矢量分解
根據(jù)幅值不變原理，進(jìn)行矢量分解。經(jīng)推導(dǎo)，可得同步旋轉(zhuǎn)(d , q )軸系下的PWM整流器數(shù)學(xué)模型：
式中 ed , eq ——電網(wǎng)電壓E 的d , q 軸分量；
ud , uq ——VSR交流側(cè)電壓矢量U 的d , q 軸分量；
id , iq ——VSR交流側(cè)電流矢量I 的d , q 軸分量。
1.2 PWM 整流器的控制策略
三相VSR控制系統(tǒng)設(shè)計采用雙閉環(huán)控制，電壓外環(huán)主要控制三相VSR直流側(cè)電壓穩(wěn)定在指定值，電流內(nèi)環(huán)按照電壓外環(huán)輸出的電流指令對有功無功電流進(jìn)行控制，在同步旋轉(zhuǎn)(d , q )軸系下電流控制器跟蹤參考電流產(chǎn)生合適的參考電壓。然后，參考電壓矢量被轉(zhuǎn)換到三相靜止軸系中，產(chǎn)生PWM脈沖，驅(qū)動開關(guān)。
(1) 電網(wǎng)電壓定向矢量控制
選取d 軸與電網(wǎng)電壓矢量E 重合，則d 軸表示有功分量參考軸，而q 軸表示無功分量參考軸。此時，電網(wǎng)電壓的q 軸分量eq 為零。為了實現(xiàn)單位功率因數(shù)，無功電流分量iq 的參考值iq *設(shè)為零。
VSR雙閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
圖3 VSR雙閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
由式(1-1)可以看出，變換器交流側(cè)電流的d , q 軸分量存在著相互耦合，無法對電流的d , q 軸分量進(jìn)行單獨控制，給控制器設(shè)計造成一定困難。為此，可采用前饋解耦控制策略，對usd , usq 進(jìn)行前饋補(bǔ)償。當(dāng)電流調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器，則指令電壓可以計算為
(1-2)
式中 iq *, id *——電流id , iq 的指令參考值。
(2) 電流內(nèi)環(huán)的前饋解耦控制
VSR電流內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。
圖4 VSR電流內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖
由于電流的d , q 軸分量具有對稱性，id , iq 控制器可以使用相同的參數(shù)，因此主要對id 控制器進(jìn)行設(shè)計。由圖4可以看出：PI調(diào)節(jié)器的輸出補(bǔ)償了交流側(cè)電感和電阻上的電壓降；控制器采用電流d , q 軸分量的解耦項抵消了VSR系統(tǒng)中電流d , q 軸分量的交叉耦合項；電網(wǎng)電壓的前饋分量抵消了VSR系統(tǒng)中電網(wǎng)電壓的影響。
解耦后，被控對象簡化為交流側(cè)電感，控制量為流過電感的電流。顯然系統(tǒng)為線性系統(tǒng)，可以采用線性控制理論進(jìn)行控制器設(shè)計。
1.3 改進(jìn)的前饋控制策略
VSR的傳統(tǒng)控制方式下只有 d 軸電流可供控制，致使負(fù)載突變時動態(tài)響應(yīng)受到限制[23] 。當(dāng)負(fù)載電流iL 變化時，首先使直流輸出電壓Udc 偏離設(shè)定值，然后通過電壓調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，減小直到消除Udc 同設(shè)定值之間的差，系統(tǒng)重新進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。可見，負(fù)載電流iL 對于整個控制系統(tǒng)而言是一個外部擾動信號。根據(jù)控制理論，前饋控制可以消除擾動對系統(tǒng)的影響，引入前饋控制后能克服電壓調(diào)節(jié)環(huán)調(diào)節(jié)速度慢的不足，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，減小負(fù)載擾動對系統(tǒng)的影響。
忽略三相VSR橋路自身損耗和開關(guān)器件的開關(guān)損耗，則三相VSR交流側(cè)有功功率Pac 應(yīng)與橋路直流側(cè)功率Pdc 相等。且eq =0，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時有
式中 Kf '——負(fù)載電流與指令電流的比例系數(shù)，Kf '= id * /iL ；
Kf ''——輸入電壓d 軸分量與指令電流比例系數(shù)，Kf ''=ed id * 。
式(1-5)是負(fù)載電流前饋控制[24] 。由式(1-5)可以看出，母線電壓與電網(wǎng)電壓直接相關(guān)，因此負(fù)載電流前饋控制對電網(wǎng)電壓波動的抗干擾能力較差。
式(1-6)是輸入電壓的一種前饋控制[21] 。由式(1-6)可以看出，母線電壓穩(wěn)態(tài)時與電網(wǎng)電壓無關(guān)，對電網(wǎng)電壓的波動具有較強(qiáng)的抗干擾能力。但是，此時母線電壓與負(fù)載電流直接相關(guān)，對負(fù)載變化的抗干擾能力較差。
因此，本文采用了一種改進(jìn)的前饋控制策略，對負(fù)載擾動和電網(wǎng)電壓的波動具有很好的抗干擾能力。令
由式(1-8)可以看出，母線電壓穩(wěn)態(tài)時與負(fù)載和電網(wǎng)電壓都無關(guān)。負(fù)載或電網(wǎng)電壓發(fā)生變化時，前饋信號都能夠動態(tài)跟蹤變化，快速調(diào)整進(jìn)線電流，維持輸入與輸出之間的功率平衡，從而維持母線電壓的穩(wěn)定。
VSR控制系統(tǒng)中電流參考信號id * 由電壓PI控制器的輸出和前饋信號兩部分組成。改進(jìn)的前饋控制框圖如圖5所示。
圖5改進(jìn)的前饋控制方案
2 控制器的硬件設(shè)計
硬件控制電路是以TI公司的TMS320F2812為核心的控制板。其主要功能有采樣信號的調(diào)理，PWM脈沖的產(chǎn)生，D/A信號輸出，網(wǎng)側(cè)電壓過零點檢測等。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的核心控制由主控制系統(tǒng)和PWM變流控制系統(tǒng)共同實現(xiàn)，其中主控系統(tǒng)的作用是實現(xiàn)整機(jī)的控制，包括風(fēng)速測量、功率計算、PWM變流系統(tǒng)的指令給定、變速變槳控制、所有接觸器的控制等，變流控制系統(tǒng)的作用是根據(jù)主控板提供的給定信號，分別向變流系統(tǒng)中的電機(jī)側(cè)逆變器、制動單元和并網(wǎng)逆變器發(fā)出相應(yīng)控制脈沖，使發(fā)電機(jī)的能量通過整流、和逆變后送入電網(wǎng)，在保持中間直流電壓恒定的同時，使逆變器輸出電流達(dá)到電網(wǎng)連接要求。
控制系統(tǒng)硬件框圖如圖6所示:
DSP外圍電路由以下幾部分成:
(1)電源及復(fù)位電路,此功能由TPS70351芯片實現(xiàn),該芯片可以輸出3.3V和1.8V兩種電壓,滿足DSP供電的需要。同時可以輸出復(fù)位信號,并可以接手動位按鈕。
(2) AD基準(zhǔn)電路，2812芯片內(nèi)部自帶AD采樣的基準(zhǔn)電路,可以滿足AD采集的需要,也可以利用電壓源和運(yùn)放芯片產(chǎn)生1V和2V的信號提供給DSP,提高AD采集的精度。由于2812芯片只能接受0—3V的電壓信號,而信號調(diào)理板給DSP控制板的信號為雙極
性信號,所以需要把信號抬高1.5V后再送給DSP。恰好可以利用DSP輸出的1V和2V信號給一運(yùn)放芯片,把雙極性的模擬量輸入調(diào)整到0-3V之間。
(3)D/A輸出電路,采用并口16位DA芯片AD574。
(4)PWM輸出驅(qū)動和IGBT故障檢測電路。
(5)模擬量輸入調(diào)理電路，由差分放大器INA114和運(yùn)放INA2137組成。
圖6 PWM
控制器DSP控制板硬件框圖
3 軟件流程圖
控制系統(tǒng)軟件由主程序和兩個主要的中斷服務(wù)程序組成,主程序?qū)崿F(xiàn)軟件的初始化,初始化系統(tǒng)控制相關(guān)寄存器,I/O口初始化,定時器初始化,PWM波形輸出相關(guān)寄存器初始化,AD采集相關(guān)寄存器初始化，PI調(diào)節(jié)器參數(shù)初始化,中斷初始化等。系統(tǒng)包含兩個主要中斷服務(wù)程序,AD采集中斷主要負(fù)責(zé)模擬量的采集,主中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)電壓電流的坐標(biāo)變換,具體的變換過程可以參考控制框圖,軟件鎖環(huán)節(jié)保證變流器輸出的電壓電流同相位,實現(xiàn)單位功率因數(shù),SVPWM算法的采用保證了啟動電流波形沖擊小且THD值低�？刂葡到y(tǒng)的軟件流程圖見圖7。
圖7 系統(tǒng)軟件流程序圖
4 實驗結(jié)果
由圖8和圖9可以看出,本文設(shè)計的PWM變換器控制器實現(xiàn)了單位功率因數(shù),并且保證了直流母線電壓和逆變器輸出電流啟動平穩(wěn),無超調(diào),啟動電流沖擊小。
圖8 A相電壓和電流波形
圖9 直流母線電壓和一相電流波形
本文設(shè)計的PWM變換器控制器已經(jīng)成功運(yùn)用于哈爾濱九洲電氣股份有限公司1.5MW風(fēng)電變流器實際生產(chǎn)中,并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
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