文：裴景斌 周維來 孫敬華 來源：九洲電氣
摘要 ：本文介紹了風電變流器網側PWM變換器的數學模型和控制框圖,給出了控制電路的硬件構成和軟件流程,并給出實驗波形。
關鍵詞 ：風電變流器，PWM，控制器
0 引言
PWM變換器的控制技術是風力發電技術的核心技術之一，本文設計的PWM變換器是基于PI調節器的雙閉環控制系統，并對提高網側PWM變換器抗擾動性能的前饋控制策略進行了研究。采用改進的前饋控制策略，對于負載擾動和電網電壓三相平衡跌落，具有很好的抗干擾能力。
1 PWM 變換器的數學模型和控制框圖
1.1 PWM 變換器 d-q 軸下的數學模型
圖1 PWM整流器主電路
將三相靜止對稱軸系中PWM整流器的一般數學模型經坐標變換后，即得到VSR的dq模型，可解決對時變系數微分方程的求解，便于對參量解耦及獲得控制策略。坐標系及矢量分解如圖2所示，其中(d , q )軸系以電網基波角頻率ω 同步逆時針旋轉。
圖2 坐標系及矢量分解
根據幅值不變原理，進行矢量分解。經推導，可得同步旋轉(d , q )軸系下的PWM整流器數學模型：
式中 ed , eq ——電網電壓E 的d , q 軸分量；
ud , uq ——VSR交流側電壓矢量U 的d , q 軸分量；
id , iq ——VSR交流側電流矢量I 的d , q 軸分量。
1.2 PWM 整流器的控制策略
三相VSR控制系統設計采用雙閉環控制，電壓外環主要控制三相VSR直流側電壓穩定在指定值，電流內環按照電壓外環輸出的電流指令對有功無功電流進行控制，在同步旋轉(d , q )軸系下電流控制器跟蹤參考電流產生合適的參考電壓。然后，參考電壓矢量被轉換到三相靜止軸系中，產生PWM脈沖，驅動開關。
(1) 電網電壓定向矢量控制
選取d 軸與電網電壓矢量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，電網電壓的q 軸分量eq 為零。為了實現單位功率因數，無功電流分量iq 的參考值iq *設為零。
VSR雙閉環控制系統結構圖如圖3所示。
圖3 VSR雙閉環控制系統結構框圖
由式(1-1)可以看出，變換器交流側電流的d , q 軸分量存在著相互耦合，無法對電流的d , q 軸分量進行單獨控制，給控制器設計造成一定困難。為此，可采用前饋解耦控制策略，對usd , usq 進行前饋補償。當電流調節器采用PI調節器，則指令電壓可以計算為
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式中 iq *, id *——電流id , iq 的指令參考值。
(2) 電流內環的前饋解耦控制
VSR電流內環控制結構框圖如圖4所示。
圖4 VSR電流內環控制結構框圖
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，因此主要對id 控制器進行設計。由圖4可以看出：PI調節器的輸出補償了交流側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系統中電流d , q 軸分量的交叉耦合項；電網電壓的前饋分量抵消了VSR系統中電網電壓的影響。
解耦后，被控對象簡化為交流側電感，控制量為流過電感的電流。顯然系統為線性系統，可以采用線性控制理論進行控制器設計。
1.3 改進的前饋控制策略
VSR的傳統控制方式下只有 d 軸電流可供控制，致使負載突變時動態響應受到限制[23] 。當負載電流iL 變化時，首先使直流輸出電壓Udc 偏離設定值，然后通過電壓調節器的調節，減小直到消除Udc 同設定值之間的差，系統重新進入穩態。可見，負載電流iL 對于整個控制系統而言是一個外部擾動信號。根據控制理論，前饋控制可以消除擾動對系統的影響，引入前饋控制后能克服電壓調節環調節速度慢的不足，從而改善系統的動態響應，減小負載擾動對系統的影響。
忽略三相VSR橋路自身損耗和開關器件的開關損耗，則三相VSR交流側有功功率Pac 應與橋路直流側功率Pdc 相等。且eq =0，穩態運行時有
式中 Kf '——負載電流與指令電流的比例系數，Kf '= id * /iL ；
Kf ''——輸入電壓d 軸分量與指令電流比例系數，Kf ''=ed id * 。
式(1-5)是負載電流前饋控制[24] 。由式(1-5)可以看出，母線電壓與電網電壓直接相關，因此負載電流前饋控制對電網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，母線電壓穩態時與電網電壓無關，對電網電壓的波動具有較強的抗干擾能力。但是，此時母線電壓與負載電流直接相關，對負載變化的抗干擾能力較差。
因此，本文采用了一種改進的前饋控制策略，對負載擾動和電網電壓的波動具有很好的抗干擾能力。令
由式(1-8)可以看出，母線電壓穩態時與負載和電網電壓都無關。負載或電網電壓發生變化時，前饋信號都能夠動態跟蹤變化，快速調整進線電流，維持輸入與輸出之間的功率平衡，從而維持母線電壓的穩定。
VSR控制系統中電流參考信號id * 由電壓PI控制器的輸出和前饋信號兩部分組成。改進的前饋控制框圖如圖5所示。
圖5改進的前饋控制方案
2 控制器的硬件設計
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理，PWM脈沖的產生，D/A信號輸出，網側電壓過零點檢測等。
風力發電機組的核心控制由主控制系統和PWM變流控制系統共同實現，其中主控系統的作用是實現整機的控制，包括風速測量、功率計算、PWM變流系統的指令給定、變速變槳控制、所有接觸器的控制等，變流控制系統的作用是根據主控板提供的給定信號，分別向變流系統中的電機側逆變器、制動單元和并網逆變器發出相應控制脈沖，使發電機的能量通過整流、和逆變后送入電網，在保持中間直流電壓恒定的同時，使逆變器輸出電流達到電網連接要求。
控制系統硬件框圖如圖6所示:
DSP外圍電路由以下幾部分成:
(1)電源及復位電路,此功能由TPS70351芯片實現,該芯片可以輸出3.3V和1.8V兩種電壓,滿足DSP供電的需要。同時可以輸出復位信號,并可以接手動位按鈕。
(2) AD基準電路，2812芯片內部自帶AD采樣的基準電路,可以滿足AD采集的需要,也可以利用電壓源和運放芯片產生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信號給一運放芯片,把雙極性的模擬量輸入調整到0-3V之間。
(3)D/A輸出電路,采用并口16位DA芯片AD574。
(4)PWM輸出驅動和IGBT故障檢測電路。
(5)模擬量輸入調理電路，由差分放大器INA114和運放INA2137組成。
圖6 PWM
控制器DSP控制板硬件框圖
3 軟件流程圖
控制系統軟件由主程序和兩個主要的中斷服務程序組成,主程序實現軟件的初始化,初始化系統控制相關寄存器,I/O口初始化,定時器初始化,PWM波形輸出相關寄存器初始化,AD采集相關寄存器初始化，PI調節器參數初始化,中斷初始化等。系統包含兩個主要中斷服務程序,AD采集中斷主要負責模擬量的采集,主中斷服務程序實現電壓電流的坐標變換,具體的變換過程可以參考控制框圖,軟件鎖環節保證變流器輸出的電壓電流同相位,實現單位功率因數,SVPWM算法的采用保證了啟動電流波形沖擊小且THD值低。控制系統的軟件流程圖見圖7。
圖7 系統軟件流程序圖
4 實驗結果
由圖8和圖9可以看出,本文設計的PWM變換器控制器實現了單位功率因數,并且保證了直流母線電壓和逆變器輸出電流啟動平穩,無超調,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
本文設計的PWM變換器控制器已經成功運用于哈爾濱九洲電氣股份有限公司1.5MW風電變流器實際生產中,并取得了良好的經濟效益和社會效益。
參考文獻：
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