基于DSP與FPGA的雙饋式風(fēng)電變流器控制系統(tǒng)

摘要：針對(duì)雙饋式變速恒頻(VSCF)風(fēng)電機(jī)組的控制方式進(jìn)行了研究，并以2 MW VSCF風(fēng)電機(jī)組為模型，設(shè)計(jì)了基于FMS320C28346型DSP與現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的雙饋風(fēng)力發(fā)電變流器系統(tǒng)，控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)采用標(biāo)準(zhǔn)6U機(jī)箱，具有高可靠性與抗干擾性。該系統(tǒng)將矢量控制技術(shù)應(yīng)用于發(fā)電機(jī)控制，并對(duì)網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器采用雙閉環(huán)控制策略。最后在自主研發(fā)的2 MW雙饋式變流器樣機(jī)上進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)和長期的現(xiàn)場試運(yùn)行，驗(yàn)證了控制方法的可行性與實(shí)用性。
關(guān)鍵詞：變流器；變速恒頻；雙饋

1 引言
    目前風(fēng)電技術(shù)可分為恒速恒頻控制方式和VSCF控制方式。VSCF風(fēng)力發(fā)電機(jī)可提供更高的風(fēng)能利用效率，故越來越多地用于大功率機(jī)組。在此設(shè)計(jì)了基于TMS320C28346型DSP與FPGA的雙饋式風(fēng)力發(fā)電變流器系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)平臺(tái)采用主頻300 MHz的DSP芯片與FPGA共同控制，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及實(shí)時(shí)性?？刂葡到y(tǒng)采用矢量控制技術(shù)和功率閉環(huán)的變速控制策略。最后在自主研發(fā)的2 MW雙饋式風(fēng)電變流器的樣機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場試運(yùn)行，驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的可靠性。

2 控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)
    1．5 MW雙饋式風(fēng)電變流器硬件平臺(tái)采用主頻為150 MHz的TMS320C28335+CPLD方案，但在進(jìn)行低電壓穿越實(shí)驗(yàn)與強(qiáng)勵(lì)磁實(shí)驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)運(yùn)算速度無法滿足實(shí)驗(yàn)要求。因此設(shè)計(jì)了風(fēng)電、光伏變流器統(tǒng)一的硬件平臺(tái)。采用模塊化設(shè)計(jì)，按照功能劃分為系統(tǒng)核心控制板、開關(guān)電源、開入接口板、采樣板、光纖接口板、通訊板、故障錄波板與總線底板，并在機(jī)箱中預(yù)留插板位置。其中核心控制板采用TMS320C28346型DSP與FPGA芯片共同構(gòu)成，極大地提升了可靠性與運(yùn)算速度?？刂破脚_(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，能兼容全功率等級(jí)雙饋、直驅(qū)變流器與光伏逆變器控制系統(tǒng)，配備多路信號(hào)采集通道、信號(hào)輸出通道與通訊接口，具備多種PWM輸出和保護(hù)方案，采用標(biāo)準(zhǔn)6U機(jī)箱結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)總體方案見圖1。

    2 MW雙饋式變流器均采用塔上安裝方式，給故障診斷帶來一定困難。為提高調(diào)試與故障診斷速度，采用WIFI通訊與故障錄波相結(jié)合的方
案。采用大容量NVSRAM與FLASH芯片相結(jié)合，實(shí)時(shí)性能較高的故障發(fā)生時(shí)間的變量存儲(chǔ)在掉電不丟失的快速NVSRAM中，實(shí)時(shí)性相對(duì)較低的運(yùn)行數(shù)據(jù)存在FLASH芯片中。當(dāng)變流器出現(xiàn)故障停機(jī)時(shí)，塔下調(diào)試人員可通過電腦或手持設(shè)備與控制系統(tǒng)進(jìn)行WIFI連接，并讀取故障前后120 s內(nèi)的系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，以便于故障診斷與分析?，F(xiàn)場調(diào)試結(jié)束后，可通過WIFI模塊將FLASH芯片中的運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)上，以供廠商遠(yuǎn)程監(jiān)控，可提高風(fēng)電場運(yùn)行效率。

3 DSP與FPGA核心板設(shè)計(jì)
    DSP與FPGA控制板是控制平臺(tái)的核心，主要包括傳感器信號(hào)調(diào)理電路、故障保護(hù)電路、通訊電路、存儲(chǔ)電路等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，F(xiàn)PG A通過數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制I／O分別與ADS8364和DSP芯片連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

    FPGA設(shè)計(jì)屬于數(shù)字電路硬件設(shè)計(jì)，運(yùn)行速度相對(duì)較快，故一般將算法比較固定且對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和速度要求較高的算法模塊加入到FPGA，主要包括：A／D芯片控制、空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)計(jì)算、Park與Clarke變換計(jì)算、PWM輸出控制、快速保護(hù)邏輯控制與開入開出邏輯控制。將需要經(jīng)常修改的軟件算法放到DSP中實(shí)現(xiàn)，主要功能包括數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與調(diào)用、系統(tǒng)運(yùn)行控制、數(shù)據(jù)通訊、PI調(diào)節(jié)器控制、低電壓穿越控制等功能。FPAG通過控制ADS8364采樣得到傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)入FPGA內(nèi)部的數(shù)據(jù)運(yùn)算單元，根據(jù)預(yù)置的Clarke與Park變換算法進(jìn)行運(yùn)算，得到正序與負(fù)序的ud，uq，id，iq，并將計(jì)算結(jié)果傳送給DSP；DSP調(diào)用直流穩(wěn)壓計(jì)算模塊、電流電壓閉環(huán)PI模塊、低電壓穿越檢測模塊對(duì)FPGA輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果通過數(shù)據(jù)總線傳送給FPGA，F(xiàn)PGA將接收到的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行Park反變換，并通過SVPWM模塊產(chǎn)生12路PWM波形分別來控制機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器IGBT開關(guān)器件開通與關(guān)斷，進(jìn)而控制變流器輸出所需的電壓波形。

4 雙PWM變流器的控制
    雙PWM型變流器由網(wǎng)側(cè)和機(jī)側(cè)兩個(gè)PWM變流器組成，各自功能相對(duì)獨(dú)立。網(wǎng)側(cè)變流器主要功能是實(shí)現(xiàn)交流側(cè)輸入單位功率因數(shù)控制和在各種狀態(tài)下保持直流環(huán)節(jié)電壓穩(wěn)定，確保機(jī)側(cè)變流器乃至整個(gè)DFIG勵(lì)磁系統(tǒng)可靠工作，機(jī)側(cè)變流器主要功能是在轉(zhuǎn)子側(cè)實(shí)現(xiàn)DFIG的矢量變換控
制，確保DFIG輸出解耦的有功功率和無功功率。兩個(gè)變流器通過相對(duì)獨(dú)立的控制系統(tǒng)完成各自的功能。這里的雙PWM型變流器采用不同的控制策略，其中機(jī)側(cè)變流器通過DFIG定子磁鏈定向進(jìn)行控制，網(wǎng)側(cè)變流器則通過電網(wǎng)電壓定向進(jìn)行控制，控制策略結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4．1 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制
    轉(zhuǎn)子側(cè)變流器目標(biāo)是有功功率和無功功率解耦控制，并為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)提供勵(lì)磁，以實(shí)現(xiàn)定子側(cè)的恒頻輸出。為實(shí)現(xiàn)DFIG的功率解耦控制，列出DFIG有功、無功功率：Ps=udsids+uqsiqs，Qs=uqsids-udsiqs。采用基于定子磁場定向的矢量控制策略并忽略工頻下的DFIG定子電阻，可簡化為：
    Ps=-u1iqs，Qs=-u1ids      (1)
    由上式可知，DFIG輸出有功功率Ps與定子電流的轉(zhuǎn)矩分量iqs成正比，無功功率Qs與勵(lì)磁分量ids成正比。因?yàn)镻s和Qs的調(diào)節(jié)是通過DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)電壓型變流器實(shí)現(xiàn)的，推導(dǎo)出轉(zhuǎn)子電壓與iqs，ids之間的關(guān)系如下：
   
    udr’，uqr’為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子電壓、電流解耦控制的解耦項(xiàng)；△udr，△uqr為消除轉(zhuǎn)子電壓、電流交叉耦合的補(bǔ)償項(xiàng)。將轉(zhuǎn)子電壓分解為解耦項(xiàng)和補(bǔ)償項(xiàng)，既簡化了控制，又能保證控制精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性。構(gòu)建轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變流器控制系統(tǒng)見圖4。

    在轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制中，通過檢測定子兩相電壓得到定子磁通角，并進(jìn)行定子磁鏈計(jì)算。通過光電編碼器得到轉(zhuǎn)子速度，積分可得轉(zhuǎn)子初始位置角度。定子電壓頻率減去轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速頻率可得轉(zhuǎn)差頻率。在轉(zhuǎn)速功率雙閉環(huán)控制中，根據(jù)主控?zé)o功給定，計(jì)算出d軸電流指令，使定子側(cè)運(yùn)行在指定的功率因數(shù)；根據(jù)主控的轉(zhuǎn)矩給定和實(shí)際的磁鏈可推導(dǎo)出q軸電流指令，以此來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。將得到的d，q軸電流值加上各自的耦合項(xiàng)反變換到兩相靜止坐標(biāo)系下，作為SVPWM的輸入值來控制轉(zhuǎn)子側(cè)變流器。
4．2 網(wǎng)側(cè)變流器控制
    網(wǎng)側(cè)變流器控制目標(biāo)是：保持輸出直流電壓恒定且有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力；確保交流側(cè)輸入電流正弦，功率因數(shù)為1。
    在網(wǎng)側(cè)變流器控制中，由于電網(wǎng)電壓保持不變，所以這里采用基于電網(wǎng)電壓定向矢量控制技術(shù)。將三相靜止坐標(biāo)下的變流器模型轉(zhuǎn)換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，并將交流側(cè)三相電流變換到d，q坐標(biāo)系下的電流分量id，iq進(jìn)行解耦控制，得：
    udr=-udr’+△udr+us，uqr=-uqr’-△uqr        (3)
    式中：us為電網(wǎng)電壓；udr，uqr為變流器輸出d，q軸電壓分量。
    設(shè)計(jì)出網(wǎng)側(cè)PWM變流器控制模型如圖5所示。整個(gè)系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制，內(nèi)環(huán)為電流控制環(huán)，外環(huán)為電壓控制環(huán)。電壓外環(huán)中，將直流環(huán)節(jié)實(shí)測電壓值與指令值做比較，誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)作為d軸電壓的指令值。電流內(nèi)環(huán)中，將實(shí)測電流的q軸分量與指令值做比較，誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器作為q軸電壓的指令值。將d，q軸電壓指令值變換到兩相靜止坐標(biāo)系下，得到電壓SVPWM的調(diào)制信號(hào)，以此來控制網(wǎng)側(cè)變流器。

5 SVPWM算法的FPGA實(shí)現(xiàn)
    雙PWM型變流器采用電壓SVPWM方法控制其開關(guān)器件的通斷。與SPWM相比，SVPWM具有諧波抑制效果好、響應(yīng)快速、電壓利用率高、電流波形畸變小、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)低等優(yōu)點(diǎn)，已在電機(jī)驅(qū)動(dòng)方面得到了廣泛應(yīng)用。在此主要闡述FPGA軟件設(shè)計(jì)中SVPWM算法的實(shí)現(xiàn)，如圖6所示。

    整個(gè)算法采用頂層文件設(shè)計(jì)方式，使用Verilog HDL語言編寫。通過A／D控制模塊控制ADS8364芯片進(jìn)行采樣，采樣得到的電壓、電流分別進(jìn)入Clarke變換模塊和三相鎖相環(huán)模塊。DSP通過PI調(diào)節(jié)器輸出的ud，uq，經(jīng)過Park變換后得到uα，uβ，并送入SVPWM模塊，進(jìn)行扇區(qū)判斷與矢量作用時(shí)間計(jì)算。由于調(diào)制過程可能出現(xiàn)過調(diào)制現(xiàn)象導(dǎo)致輸出電壓波形出現(xiàn)失真，因此加入采用比例縮小算法的過調(diào)制模塊，信號(hào)經(jīng)過調(diào)制后即可進(jìn)入比較模塊與三角波進(jìn)行比較輸出PWM波形，為防止上、下橋臂出現(xiàn)直通，加入死區(qū)控制模塊，死區(qū)時(shí)間由DSP控制；PWM脈沖分配模塊設(shè)置了死區(qū)時(shí)間的PWM輸出與保護(hù)信號(hào)進(jìn)行邏輯計(jì)算，保證在出現(xiàn)故障及過流時(shí)能及時(shí)封鎖脈沖，保護(hù)逆變器。

6 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
    2 MW雙饋?zhàn)兞髌鲬?yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，交流電網(wǎng)電壓等級(jí)為690 V，額定中間直流電壓為1．1 kV，網(wǎng)側(cè)變流器額定容量670 kVA，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器額定容量960 kVA。圖7示出直流電壓Udr；電網(wǎng)電壓、電流ug，ig；定子電流、電壓is，us實(shí)驗(yàn)波形。

    測試了滿載時(shí)的電流諧波畸變率(THD)，此時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速1755 r·min-1，系統(tǒng)功率達(dá)2 150 kW，轉(zhuǎn)矩T=11 698 N·m，三相電流中最大的THD=2．94％，小于國標(biāo)的5％。
    圖7a為定子并網(wǎng)后的波形，可見，并網(wǎng)后定子電流正弦度很高，說明該系統(tǒng)具有良好的并網(wǎng)特性，且并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)沖擊小；由圖7b可見，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 200 r·min-1，功率為200 kW，此時(shí)發(fā)電機(jī)處于亞同步運(yùn)行狀態(tài)，可見該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)特性；圖7c顯示了變流器在超同步狀態(tài)下，即1755 r·min-1時(shí)網(wǎng)側(cè)輸出感性無功功率，無功電流達(dá)到580 A，功率因數(shù)為0．949。

7 結(jié)論
    通過自主研發(fā)的2 MW雙饋式變流器控制系統(tǒng)獲得了良好的并網(wǎng)波形以及穩(wěn)態(tài)后的電壓和電流波形，證實(shí)了網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制策略的可行性。目前該系統(tǒng)已經(jīng)完成了整機(jī)測試，并在風(fēng)場進(jìn)行了試運(yùn)行，受到一致好評(píng)。