摘要：為了解決風力發(fā)電的分散性和波動性以及接入電網對電力系統(tǒng)造成沖擊等問題，提高整個系統(tǒng)的電壓頻率穩(wěn)定性，文章以DSP作為主控制器，研究設計了一種基于雙PWM控制的風電并網換流器。針對風力發(fā)電并網換流器的主電路，設計了整流和逆變部分的雙PWM電路拓撲結構，從而提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應，減少了損耗和沖擊，實現(xiàn)了電能的雙向傳輸，同時還能提高風力發(fā)電機側功率因數(shù)。最后對設計的系統(tǒng)進行仿真驗證。
關鍵詞：主控制器；雙PWM控制；并網換流器；拓補結構
0 引言
在能源危機愈演愈烈的今天，尋找綠色環(huán)保的新能源替代傳統(tǒng)的化石燃料已成為人類共同的期待。風能作為綠色能源的的一種，它的開發(fā)和利用能夠解決傳統(tǒng)能源帶來的諸多問題，是理想的替代能源。通過風電機組將風能轉化為電能是一種非常有效的能源利用手段。隨著數(shù)字信號處理芯片的誕生，很多先進的控制算法得以應用，大量出現(xiàn)在風力并網控制系統(tǒng)中。
1 主電路設計
并網控制器的結構如圖1所示，控制核心由DSP芯片完成，通過驅動電路控制兩個換流器的工作。過去一般采用二極管整流器件和晶閘管有源換流器，但由于運行中存在響應慢、電流諧波和損耗大以及不能實現(xiàn)四象限運行等缺點。本文對兩個變流環(huán)節(jié)均采用基于全控型器件四象限運行的PWM換流器，不僅可以減少系統(tǒng)的沖擊和損耗，還可以實現(xiàn)電能的雙向傳輸，提高系統(tǒng)的動態(tài)響應和風力發(fā)電機網側的功率因數(shù)，使輸出電壓電流波形為標準正弦。整個系統(tǒng)由輸入濾波電感、智能功率模塊(IPM)、直流濾波電容三部分組成。雙PWM換流器整體硬件構成如圖1所示。
為了便于分析，將整個系統(tǒng)分成交流電網側、網側PWM逆變器、直流側、轉子側PWM換流器和雙饋發(fā)電機。雙PWM換流器主電路拓撲結構如圖2所示。
功能描述：
(1)雙PWM換流器在結構和功能上都相對獨立。
(2)雙PWM換流器的兩端均可實現(xiàn)能量的雙向流動，且兩側均可在整流／逆變狀態(tài)之間進行轉換。
(3)雙PWM型換流器具有較強的無功功率控制能力。
1．1 整流電路選型
由于采用雙PWM調制，所以在發(fā)電機側采用PWM電路(見圖3)。由于此電路本身就具有BOOST升壓功能，故無需額外的升壓電路，就可以讓發(fā)電機在很寬的風速范圍內運行，而且允許功率雙向流動，減少了系統(tǒng)對電網的諧波污染。
1．2 后級變換電路選型
后級變換電路采用SPWM電路(如圖4)，在輸入直流電壓的情況下，輸出為標準的正弦波電壓。
由DSP控制器發(fā)出方波控制信號，使輸出端產生基波為正弦波的方波電壓，再經過濾波裝置即可產生標準的正弦波電壓輸出(如圖5)。
網側換流器的控制目標是：1)保持輸出直流電壓穩(wěn)定并且有優(yōu)良的動態(tài)響應能力。2)確保交流側輸入電流為正弦且功率因數(shù)為1。故輸入電流的有效控制是網側換流器控制的關鍵。從本質上講，網側換流器是一個涉及交、直流電能形態(tài)轉換的能量變換系統(tǒng)。由于無窮大電網電壓基本恒定，對輸入電流實施快速有效的控制也就能有效地控制能量流動的速度和大小。
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2 控制及檢測電路設計
DSP控制電路是整個換流器控制系統(tǒng)的核心部分，而DSP芯片本身的高精度、高速度等工作特性決定了控制電路板在設計上必須保證一定的穩(wěn)定性、可靠性。
2．1 電源及晶振電路設計
DSP芯片對供電電源的要求很高，其根據(jù)工作頻率的不同，要求的內核電壓也有所區(qū)別。本系統(tǒng)采用TI公司專為DSP供電所設計的電壓轉換芯片TPS7333Q(如圖6所示)，芯片輸入輸出電壓分別為5V和3．3V，該芯片輸出穩(wěn)定，并具有上電復位功能。
本設計我們使用外部振蕩器，也即在TMS320F2812的X1／XCLKIN和X2兩引腳之間連接一個標稱頻率為30MHz的石英晶體。
2．2 信號檢測電路設計
信號檢測電路為系統(tǒng)提供準確的外部輸入，是控制系統(tǒng)的重要組成部分。通過對各被控量的檢測，將結果送入DSP。DSP恨據(jù)確定的算法對檢測信號進行處理并給出相應的響應值，來實現(xiàn)系統(tǒng)整體控制策略。
2．2．1 電網電壓相位過零點檢測
系統(tǒng)的運行需要已知電網電壓的相位過零點。圖7為相位過零點檢測電路，其輸入為網側A相電壓。
2．2．2 直流母線電壓檢測
由于經過電阻分壓后采用線性光耦隔離采樣直流母線電壓，電路結構簡單易行，響應速度快，可滿足動態(tài)響應特性。因此，本系統(tǒng)選用此方法。直流母線電壓檢測電路如圖8所示。
2．2．3 電流檢測電路
由于霍爾元件具有精度高、線性好、頻帶寬、響應快、過載能力強和不損失被測電路能量等諸多優(yōu)點，因而被本系統(tǒng)采用，圖9是采用霍爾電流傳感器的電流檢測電路。
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3 仿真
3．1 仿真設計
本系統(tǒng)使用Matlab中的Simulink進行仿真。圖9為三相PWM交-直-交變流系統(tǒng)設計原理結構圖。系統(tǒng)輸入端采用SPWM整流；中間環(huán)節(jié)采用電容濾波，輸出直流電；然后經SPWM逆變并采用無源濾波器濾波，得到標準的三相交流電源。
圖10為系統(tǒng)仿真結構圖。其中整流和逆變SPWM模塊均采用Simulink工具箱中的通用橋模塊，整流PWM模塊采取內調制波生成，載波為1kHz三角波，輸出電壓頻率設定為1kHz。逆變PWM模塊也采取內調制波生成，載波頻率設定為2kHz，輸出電壓頻率設定為50Hz。前級調制幅值設定為0，后級調制比為0．9。負載采用0～50kW三相并聯(lián)RLC。
3．2 仿真結果
圖11～圖15的波形是在空載時應用上述變流控制系統(tǒng)仿真后得到的仿真結果。
圖11所示是輸入的電壓電流波形，可以看到電壓符合給定的要求，即三相正弦波電壓，幅值為250V，頻率為30Hz。
圖12所示是PWM整流器整流后經大電容器C濾波后得到的直流電壓波形，直流電壓大小為350V左右。當電容器電容值選取恰當時，輸出直流電壓跟蹤輸入交流電壓變化速度非常快，波形幾乎呈一條水平直線。在這里，電容大小的選擇是個關鍵，經反復調整和仿真運行，根據(jù)輸出電壓波形選擇電容器電容大小為1．7F。
圖13所示為換流器輸出電壓波形，從波形上看是非常理想的。
圖14所示是三相輸出電壓波形畸變率。換流器輸出電壓主要受其輸入的直流電壓幅值和波形影響，如果整流電壓波形不平滑，振幅波動較大，則換流器的輸出波形便不是矩形波。換流器波形越接近矩形波，則經過三相無源濾波器濾波后，換流器輸出波形才越接近正弦波。
圖15所示是輸出端的三相電壓和三相電流波形。其中，相電壓大小為220V，頻率為50Hz，從波形上看是非常理想的。
4 總結
理論分析和實驗結果表明：由于采用了整流和逆變部分的雙PWM拓撲結構，大大提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應，減少了損耗和系統(tǒng)沖擊，實現(xiàn)了電能的雙向傳輸，同時還能提高風力發(fā)電機側功率因數(shù)。
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