风电变流器网侧PWM变换器的数学模型和控制框图

文：裴景斌周维来孙敬华来源：九洲电气摘要：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。1PWM变换器的数学模型和控制框图1.1PWM变换器d-q轴下的数学模型图1PWM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。1.2PWM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3VSR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4VSR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可以看出：PI调节器的输出补偿了交流侧电感和电阻上的电压降；控制器采用电流d,q轴分量的解耦项抵消了VSR系统中电流d,q轴分量的交叉耦合项；电网电压的前馈分量抵消了VSR系统中电网电压的影响。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6PWM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8A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：风电系统中大功率逆变器及其相应调制策略分析点击数：589李建林，胡书举，邵桂萍，王宇龙，赵斌，许洪华中国科学院电工研究所，北京100080摘要风电系统对中压大功率逆变器的需求日益增加，大功率逆变器已引起人们极大的兴趣。就当前水平的各种大功率逆变器的拓扑：器件串并联型大功率变频器、多电平大功率变频器、并联逆变器、变频器多重化、多电平结合多重化型变频器及其相应的调制策略进行了详尽的分析，得出了一些有益的结论。关键字风电系统；大功率；逆变器；拓扑；调制策略AnalysisonTopologyandModulationStrategyforHighPowerInverterinWindPowerSystemLIJianlin，HUShuju，SHAOGuiping，WANGYulong，ZHAOBin，XUHonghuaInstituteofElectricalEngineering,ChineseAcademyofScience，Beijing100080China）AbstractDuetothegreatdemandofmedium-voltagehigh-powerinverterforwindpowersystem,thehighpowerinverterhasdrawntremendousinteresteversince.Itispresentedadetailedreviewfortopologiesandmodulationstrategyforhighpowerinverter,suchasdeviceseriesandshunt,multilevelinverter,parallelinverter,multimodularinverter,multimodularandmultilevelinverter.Thevaluableresultisdrawn.Keywordswindpowersystem；highpower；inverter；topology；modulationstrategy0引言在目前的MW级大容量变速恒频风力发电系统中，双馈型是主流机型，与双馈型相比，直驱型减少了齿轮箱，降低了系统成本和维护成本，因为齿轮箱价格昂贵，易于损坏且维修复杂，我国尚不能完全独立生产；发电机采用永磁同步发电机，能量密度大，转速低，可靠性提高；但直驱型所用的逆变器需要传递全部电能，对容量要求比较大，增加了逆变器的制造难度，同时，永磁同步发电机转速很低，发电机体积大、成本较高。风力发电机的单机容量越来越大，更多的风力发电拓扑正在被研究和开发中。就目前情况来看，双馈型风力发电机仍占主流，然而直驱型风力发电机组以其固有的优势也逐渐受到关注，例如我国新疆金风科技股份公司已研制成功1.2MW直驱型风力发电机组并成功实现并网运行。直驱型风力发电系统中，电能都要通过逆变器传递到电网上，这就要求功率器件具备较高的功率等级。然而受功率器件耐压极限和制作工艺的限制，单一功率器件的容量是有限的，同时，由于逆变器的功率很大，基于降低开关损耗，器件的开关频率也不可能太高，但开关频率太低又会导致逆变器输出波形的畸变率增加，进而增加后续滤波器的设计难度，并对电网产生污染。因此适合于直驱型风力发电系统的逆变器拓扑须很好地进行研究。逆变器作为风力电能回馈至电网的唯一通路，对其容量、可靠性、响应速度和并网特性等各方面要求很高。逆变器的设计和制造，是直驱型风力发电系统的一个重点和难点，它对于整个系统的稳定、高效运行很重要，掌握这项技术，对于推动我国风力发电事业的发展，增强风力发电领域的自主创新能力，具有十分重要的意义。1大功率逆变器拓扑结构逆变器的作用是完成电能由直流到交流的变换，逆变器的研究和发展现状同变频器的发展状况密切相关，这是因为在变频器主要采用的交－直－交变频方案中，第一部分需要整流来完成，而第二部分便需要逆变来完成。大功率是指功率等级在数百kW以上，而高电压是指电压等级为3kV，6kV，10kV或更高，高压变频器采用的方案有交－交变频器和交－直－交变频器等]。交-交变频器由于谐波污染严重，功率因数低等缺点，需要增加滤波装置，无功补偿装置等，从而增加了设备的投资；随着全控电力电子器件的蓬勃发展，变频器领域已逐步出现交-直-交变频器一统天下的局面。可以这样说，大功率变频器的研究现状，在一定程度上也就是大功率逆变器的研究现状，回顾高压大功率逆变器以及大电流大功率逆变器的发展历史及现状，对于研究大功率逆变器具有重要的借鉴意义。1.1器件串并联型大功率变频器美国罗克韦尔（AB）公司18脉