基于DSP控制的雙PWM風(fēng)電并網(wǎng)換流器的設(shè)計(jì)

摘要：為了解決風(fēng)力發(fā)電的分散性和波動(dòng)性以及接入電網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)造成沖擊等問(wèn)題，提高整個(gè)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(shè)計(jì)了一種基于雙PWM控制的風(fēng)電并網(wǎng)換流器。針對(duì)風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)換流器的主電路，設(shè)計(jì)了整流和逆變部分的雙PWM電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，減少了損耗和沖擊，實(shí)現(xiàn)了電能的雙向傳輸，同時(shí)還能提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)側(cè)功率因數(shù)。最后對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。
關(guān)鍵詞：主控制器；雙PWM控制；并網(wǎng)換流器；拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)

0 引言
    在能源危機(jī)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(fēng)能作為綠色能源的的一種，它的開(kāi)發(fā)和利用能夠解決傳統(tǒng)能源帶來(lái)的諸多問(wèn)題，是理想的替代能源。通過(guò)風(fēng)電機(jī)組將風(fēng)能轉(zhuǎn)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(hào)處理芯片的誕生，很多先進(jìn)的控制算法得以應(yīng)用，大量出現(xiàn)在風(fēng)力并網(wǎng)控制系統(tǒng)中。

1 主電路設(shè)計(jì)
    并網(wǎng)控制器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，控制核心由DSP芯片完成，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制兩個(gè)換流器的工作。過(guò)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(yùn)行中存在響應(yīng)慢、電流諧波和損耗大以及不能實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行等缺點(diǎn)。本文對(duì)兩個(gè)變流環(huán)節(jié)均采用基于全控型器件四象限運(yùn)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(shí)現(xiàn)電能的雙向傳輸，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)，使輸出電壓電流波形為標(biāo)準(zhǔn)正弦。整個(gè)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(gòu)成如圖1所示。

    為了便于分析，將整個(gè)系統(tǒng)分成交流電網(wǎng)側(cè)、網(wǎng)側(cè)PWM逆變器、直流側(cè)、轉(zhuǎn)子側(cè)PWM換流器和雙饋發(fā)電機(jī)。雙PWM換流器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

    功能描述：
    (1)雙PWM換流器在結(jié)構(gòu)和功能上都相對(duì)獨(dú)立。
    (2)雙PWM換流器的兩端均可實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，且兩側(cè)均可在整流／逆變狀態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
    (3)雙PWM型換流器具有較強(qiáng)的無(wú)功功率控制能力。
1．1 整流電路選型
    由于采用雙PWM調(diào)制，所以在發(fā)電機(jī)側(cè)采用PWM電路(見(jiàn)圖3)。由于此電路本身就具有BOOST升壓功能，故無(wú)需額外的升壓電路，就可以讓發(fā)電機(jī)在很寬的風(fēng)速范圍內(nèi)運(yùn)行，而且允許功率雙向流動(dòng)，減少了系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。

1．2 后級(jí)變換電路選型
    后級(jí)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(biāo)準(zhǔn)的正弦波電壓。

    由DSP控制器發(fā)出方波控制信號(hào)，使輸出端產(chǎn)生基波為正弦波的方波電壓，再經(jīng)過(guò)濾波裝置即可產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的正弦波電壓輸出(如圖5)。

    網(wǎng)側(cè)換流器的控制目標(biāo)是：1)保持輸出直流電壓穩(wěn)定并且有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。2)確保交流側(cè)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(wǎng)側(cè)換流器控制的關(guān)鍵。從本質(zhì)上講，網(wǎng)側(cè)換流器是一個(gè)涉及交、直流電能形態(tài)轉(zhuǎn)換的能量變換系統(tǒng)。由于無(wú)窮大電網(wǎng)電壓基本恒定，對(duì)輸入電流實(shí)施快速有效的控制也就能有效地控制能量流動(dòng)的速度和大小。
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2 控制及檢測(cè)電路設(shè)計(jì)
    DSP控制電路是整個(gè)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)
    DSP芯片對(duì)供電電源的要求很高，其根據(jù)工作頻率的不同，要求的內(nèi)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(shè)計(jì)的電壓轉(zhuǎn)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(fù)位功能。

    本設(shè)計(jì)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(gè)標(biāo)稱頻率為30MHz的石英晶體。
2．2 信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)
    信號(hào)檢測(cè)電路為系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的外部輸入，是控制系統(tǒng)的重要組成部分。通過(guò)對(duì)各被控量的檢測(cè)，將結(jié)果送入DSP。DSP恨據(jù)確定的算法對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理并給出相應(yīng)的響應(yīng)值，來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體控制策略。
2．2．1 電網(wǎng)電壓相位過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)
    系統(tǒng)的運(yùn)行需要已知電網(wǎng)電壓的相位過(guò)零點(diǎn)。圖7為相位過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路，其輸入為網(wǎng)側(cè)A相電壓。

2．2．2 直流母線電壓檢測(cè)
    由于經(jīng)過(guò)電阻分壓后采用線性光耦隔離采樣直流母線電壓，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易行，響應(yīng)速度快，可滿足動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。因此，本系統(tǒng)選用此方法。直流母線電壓檢測(cè)電路如圖8所示。

2．2．3 電流檢測(cè)電路
    由于霍爾元件具有精度高、線性好、頻帶寬、響應(yīng)快、過(guò)載能力強(qiáng)和不損失被測(cè)電路能量等諸多優(yōu)點(diǎn)，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(cè)電路。

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3 仿真
3．1 仿真設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)使用Matlab中的Simulink進(jìn)行仿真。圖9為三相PWM交-直-交變流系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理結(jié)構(gòu)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(jīng)SPWM逆變并采用無(wú)源濾波器濾波，得到標(biāo)準(zhǔn)的三相交流電源。

    圖10為系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)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(nèi)調(diào)制波生成，載波為1kHz三角波，輸出電壓頻率設(shè)定為1kHz。逆變PWM模塊也采取內(nèi)調(diào)制波生成，載波頻率設(shè)定為2kHz，輸出電壓頻率設(shè)定為50Hz。前級(jí)調(diào)制幅值設(shè)定為0，后級(jí)調(diào)制比為0．9。負(fù)載采用0～50kW三相并聯(lián)RLC。

3．2 仿真結(jié)果
    圖11～圖15的波形是在空載時(shí)應(yīng)用上述變流控制系統(tǒng)仿真后得到的仿真結(jié)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(jīng)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(dāng)電容器電容值選取恰當(dāng)時(shí)，輸出直流電壓跟蹤輸入交流電壓變化速度非?？欤ㄐ螏缀醭室粭l水平直線。在這里，電容大小的選擇是個(gè)關(guān)鍵，經(jīng)反復(fù)調(diào)整和仿真運(yùn)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(dòng)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(jīng)過(guò)三相無(wú)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(jié)
    理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：由于采用了整流和逆變部分的雙PWM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，大大提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，減少了損耗和系統(tǒng)沖擊，實(shí)現(xiàn)了電能的雙向傳輸，同時(shí)還能提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)側(cè)功率因數(shù)。