风电变流器网侧PWM变换控制器研究.docx

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风电变流器网侧PWM变换控制器研究

风电变流器网侧PWM变换控制器研究

摘要：

本文介绍了风电变流器网侧PWM变换器的数学模型和控制框图,给出了控制电路的硬件构成和软件流程,并给出实验波形。

关键词：

风电变流器，PWM，控制器

0 引言 

　　PWM变换器的控制技术是风力发电技术的核心技术之一，本文设计的PWM变换器是基于PI调节器的双闭环控制系统，并对提高网侧PWM变换器抗扰动性能的前馈控制策略进行了研究。

采用改进的前馈控制策略，对于负载扰动和电网电压三相平衡跌落，具有很好的抗干扰能力。

1  PWM变换器的数学模型和控制框图

1.1  PWM变换器d-q轴下的数学模型

图1  PWM整流器主电路

　　将三相静止对称轴系中PWM整流器的一般数学模型经坐标变换后，即得到VSR的dq模型，可解决对时变系数微分方程的求解，便于对参量解耦及获得控制策略。

坐标系及矢量分解如图2所示，其中（d, q）轴系以电网基波角频率ω同步逆时针旋转。

图2 坐标系及矢量分解 

根据幅值不变原理，进行矢量分解。

经推导，可得同步旋转（d, q）轴系下的PWM整流器数学模型：

式中

ed, eq——电网电压E的d, q轴分量；

      ud, uq——VSR交流侧电压矢量U的d, q轴分量；

       id, iq——VSR交流侧电流矢量I的d, q轴分量。

1.2 PWM整流器的控制策略  

　　三相VSR控制系统设计采用双闭环控制，电压外环主要控制三相VSR直流侧电压稳定在指定值，电流内环按照电压外环输出的电流指令对有功无功电流进行控制，在同步旋转（d, q）轴系下电流控制器跟踪参考电流产生合适的参考电压。

然后，参考电压矢量被转换到三相静止轴系中，产生PWM脉冲，驱动开关。

（1）电网电压定向矢量控制 

　　选取d轴与电网电压矢量E重合，则d轴表示有功分量参考轴，而q轴表示无功分量参考轴。

此时，电网电压的q轴分量eq为零。

为了实现单位功率因数，无功电流分量iq的参考值iq*设为零。

VSR双闭环控制系统结构图如图3所示。

图3 VSR双闭环控制系统结构框图

　　由式（1-1）可以看出，变换器交流侧电流的d, q轴分量存在着相互耦合，无法对电流的d, q轴分量进行单独控制，给控制器设计造成一定困难。

为此，可采用前馈解耦控制策略，对usd, usq进行前馈补偿。

当电流调节器采用PI调节器，则指令电压可以计算为 

 （1-2）

式中  iq*, id*——电流id, iq的指令参考值。

（2）电流内环的前馈解耦控制

　　VSR电流内环控制结构框图如图4所示。

图4  VSR电流内环控制结构框图

　　由于电流的d, q轴分量具有对称性，id, iq控制器可以使用相同的参数，因此主要对id控制器进行设计。

由图4可以。

解耦后，被控对象简化为交流侧电感，控制量为流过电感的电流。

显然系统为线性系统，可以采用线性控制理论进行控制器设计。

1.3 改进的前馈控制策略  

　　VSR的传统控制方式下只有 d 轴电流可供控制，致使负载突变时动态响应受到限制[23]。

当负载电流iL变化时，首先使直流输出电压Udc偏离设定值，然后通过电压调节器的调节，减小直到消除Udc同设定值之间的差，系统重新进入稳态。

可见，负载电流iL对于整个控制系统而言是一个外部扰动信号。

根据控制理论，前馈控制可以消除扰动对系统的影响，引入前馈控制后能克服电压调节环调节速度慢的不足，从而改善系统的动态响应，减小负载扰动对系统的影响。

　　忽略三相VSR桥路自身损耗和开关器件的开关损耗，则三相VSR交流侧有功功率Pac应与桥路直流侧功率Pdc相等。

且eq=0，稳态运行时有 

式中  Kf’——负载电流与指令电流的比例系数，Kf’= id*/iL；

Kf’’——输入电压d轴分量与指令电流比例系数，Kf’’=edid*。

式（1-5）是负载电流前馈控制[24]。

由式（1-5）可以看出，母线电压与电网电压直接相关，因此负载电流前馈控制对电网电压波动的抗干扰能力较差。

式（1-6）是输入电压的一种前馈控制[21]。

由式（1-6）可以看出，母线电压稳态时与电网电压无关，对电网电压的波动具有较强的抗干扰能力。

但是，此时母线电压与负载电流直接相关，对负载变化的抗干扰能力较差。

因此，本文采用了一种改进的前馈控制策略，对负载扰动和电网电压的波动具有很好的抗干扰能力。

令  

　　由式（1-8）可以看出，母线电压稳态时与负载和电网电压都无关。

负载或电网电压发生变化时，前馈信号都能够动态跟踪变化，快速调整进线电流，维持输入与输出之间的功率平衡，从而维持母线电压的稳定。

　　VSR控制系统中电流参考信号id*由电压PI控制器的输出和前馈信号两部分组成。

改进的前馈控制框图如图5所示。

图5改进的前馈控制方案

2 控制器的硬件设计

　　硬件控制电路是以TI公司的TMS320F2812为核心的控制板。

其主要功能有采样信号的调理，PWM脉冲的产生，D/A信号输出，网侧电压过零点检测等。

　　风力发电机组的核心控制由主控制系统和PWM变流控制系统共同实现，其中主控系统的作用是实现整机的控制，包括风速测量、功率计算、PWM变流系统的指令给定、变速变桨控制、所有接触器的控制等，变流控制系统的作用是根据主控板提供的给定信号，分别向变流系统中的电机侧逆变器、制动单元和并网逆变器发出相应控制脉冲，使发电机的能量通过整流、和逆变后送入电网，在保持中间直流电压恒定的同时，使逆变器输出电流达到电网连接要求。

控制系统硬件框图如图6所示:

DSP外围电路由以下几部分成:

（1）电源及复位电路,此功能由TPS70351芯片实现,该芯片可以输出3.3V和1.8V两种电压,满足DSP供电的需要。

同时可以输出复位信号,并可以接手动位按钮。

（2） AD基准电路，2812芯片内部自带AD采样的基准电路,可以满足AD采集的需要,也可以利用电压源和运放芯片产生1V和2V的信号提供给DSP,提高AD采集的精度。

由于2812芯片只能接受0—3V的电压信号,而信号调理板给DSP控制板的信号为双极

性信号,所以需要把信号抬高1.5V后再送给DSP。

恰好可以利用DSP输出的1V和2V信号给一运放芯片,把双极性的模拟量输入调整到0-3V之间。

（3）D/A输出电路,采用并口16位DA芯片AD574。

（4）PWM输出驱动和IGBT故障检测电路。

（5）模拟量输入调理电路，由差分放大器INA114和运放INA2137组成。

图6 PWM

控制器DSP控制板硬件框图

3 软件流程图

　　控制系统软件由主程序和两个主要的中断服务程序组成,主程序实现软件的初始化,初始化系统控制相关寄存器,I/O口初始化,定时器初始化,PWM波形输出相关寄存器初始化,AD采集相关寄存器初始化，PI调节器参数初始化,中断初始化等。

系统包含两个主要中断服务程序,AD采集中断主要负责模拟量的采集,主中断服务程序实现电压电流的坐标变换,具体的变换过程可以参考控制框图,软件锁环节保证变流器输出的电压电流同相位,实现单位功率因数,SVPWM算法的采用保证了启动电流波形冲击小且THD值低。

控制系统的软件流程图见图7。

图7 系统软件流程序图

4 实验结果 

　　由图8和图9可以看出,本文设计的PWM变换器控制器实现了单位功率因数,并且保证了直流母线电压和逆变器输出电流启动平稳,无超调,启动电流冲击小。

  图8  A相电压和电流波形

图9  直流母线电压和一相电流波形

　　本文设计的PWM变换器控制器已经成功运用于哈尔滨九洲电气股份有限公司1.5MW风电变流器实际生产中,并取得了良好的经济效益和社会效益。

参考文献：

1苑国锋, 柴建云, 李永东. 变速恒频风力发电机组励磁变频器的研究. 中国电机工程学报. 2005, 25（8）:

 90~94

2张崇巍, 张兴. PWM整流器及其控制. 机械工业出版社, 2003:

 2~12

3张兴, 张崇巍. PWM可逆变流器空间电压矢量控制技术的研究. 中国电机工程学报. 2001, 21（10）:

 102~109

4李伟伟.永磁直驱风电系统中网侧变换器控制与风机模拟技术研究.哈工大硕士学位论文.2008

5郎永强.交流励磁双馈电机风力发电系统控制技术研究. 哈工大博士学位论文.2007