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2018年

基于DSP与FPGA的双馈式风力发电变流器系统设计浅

1 小序

今朝风电技巧可分为恒速恒频节制要领和VSCF节制要领。VSCF风力发电机可供给更高的风能使用效率,故越来越多地用于大年夜功率机组。在此设计了基于TMS320C28346型DSPFPGA的双馈式风力发电变流器系统。节制系统平台采纳主频300 MHz的DSP芯片与FPGA合营节制,大年夜大年夜前进了系统的稳定性以及实时性。节制系统采纳矢量节制技巧和功率闭环的变速节制策略。着末在自立研发的2 MW双馈式风电变流器的样机长进行了实验和现场试运行,验证了节制系统的靠得住性。

2 节制系统硬件平台

1.5 MW双馈式风电变流器硬件平台采纳主频为150 MHz的TMS320C28335+CPLD规划,但在进行低电压穿越实验与强励磁实验历程中,发明运算速率无法满意实验要求。是以设计了风电、光伏变流器统一的硬件平台。采纳模块化设计,按照功能划分为系统核心节制板、开关电源、开入接口板、采样板、光纤接口板、通讯板、故障录波板与总线底板,并在机箱中预留插板位置。此中核心节制板采纳TMS320C28346型DSP与FPGA芯片合营构成,极大年夜地提升了靠得住性与运算速率。节制平台采纳模块化设计思惟,能兼容全功率等级双馈、直驱变流器与光伏逆变器节制系统,配备多路旌旗灯号采集通道、旌旗灯号输出通道与通讯接口,具备多种PWM输出和保护规划,采纳标准6U机箱布局,节制系统硬件平台总体规划见图1。

2 MW双馈式变流器均采纳塔上安装要领,给故障诊断带来必然艰苦。为前进调试与故障诊断速率,采纳WIFI通讯与故障录波相结合的方

案。采纳大年夜容量NVSRAM与FLASH芯片相结合,实时机能较高的故障发生光阴的变量存储在掉落电不损掉的快速NVSRAM中,实时性相对较低的运行数据存在FLASH芯片中。当变流器呈现故障停机时,塔下调试职员可经由过程电脑或手持设备与节制系统进行WIFI连接,并读取故障前后120 s内的系统运行数据,以便于故障诊断与阐发。现场调试停止后,可经由过程WIFI模块将FLASH芯片中的运行数据发送到互联网上,以供厂商远程监控,可前进风电场运行效率。

3 DSP与FPGA核心板设计

DSP与FPGA节制板是节制平台的核心,主要包括传感器旌旗灯号疗养电路、故障保护电路、通讯电路、存储电路等。系统布局如图2所示,FPG A经由过程数据总线、地址总线、节制I/O分手与ADS8364和DSP芯片连接,实现数据互换。

FPGA设计属于数字电路硬件设计,运行速率相对较快,故一样平常将算法对照固定且对系统实时性和速率要求较高的算法模块加入到FPGA,主要包括:A/D芯片节制、空间矢量脉宽调制(SVPWM)谋略、Park与Clarke变换谋略、PWM输出节制、快速保护逻辑节制与开入开出逻辑节制。将必要常常改动的软件算法放到DSP中实现,主要功能包括数据的存储与调用、系统运行节制、数据通讯、PI调节器节制、低电压穿越节制等功能。FPAG经由过程节制ADS8364采样获得传感器数据进入FPGA内部的数据运算单元,根据预置的Clarke与Park变换算法进交运算,获得正序与负序的ud,uq,id,iq,并将谋略结果传送给DSP;DSP调用直流稳压谋略模块、电流电压闭环PI模块、低电压穿越检测模块对FPGA输入的数据进行谋略,并将谋略结果经由过程数据总线传送给FPGA,FPGA将接管到的谋略结果进行Park反变换,并经由过程SVPWM模块孕育发生12路PWM波形分手来节制机侧变流器和网侧变流器IGBT开关器件开通与关断,进而节制变流器输出所需的电压波形。

4 双PWM变流器的节制

双PWM型变流器由网侧和机侧两个PWM变流器组成,各自功能相对自力。网侧变流器主要功能是实现交流侧输入单位功率因数节制和在各类状态下维持直流环节电压稳定,确保机侧变流器甚至全部DFIG励磁系统靠得住事情,机侧变流器主要功能是在转子侧实现DFIG的矢量变换控

制,确保DFIG输出解耦的有功功率和无功功率。两个变流器经由过程相对自力的节制系统完成各自的功能。这里的双PWM型变流器采纳不合的节制策略,此中机侧变流器经由过程DFIG定子磁链定向进行节制,网侧变流器则经由过程电网电压定向进行节制,节制策略布局如图3所示。

4.1 转子侧变流器节制

转子侧变流器目标是有功功率和无功功率解耦节制,并为发电机转子侧供给励磁,以实现定子侧的恒频输出。为实现DFIG的功率解耦节制,列出DFIG有功、无功功率:Ps=udsids+uqsiqs,Qs=uqsids-udsiqs。采纳基于定子磁场定向的矢量节制策略并轻忽工频下的DFIG定子电阻,可简化为:

Ps=-u1iqs,Qs=-u1ids (1)

由上式可知,DFIG输出有功功率Ps与定子电流的转矩分量iqs成正比,无功功率Qs与励磁分量ids成正比。由于Ps和Qs的调节是经由过程DFIG转子侧电压型变流器实现的,推导出转子电压与iqs,ids之间的关系如下:

udr’,uqr’为实现转子电压、电流解耦节制的解耦项;△udr,△uqr为打消转子电压、电流交叉耦合的补偿项。将转子电压分化为解耦项和补偿项,既简化了节制,又能包管节制精度和动态相应的快速性。构建转子侧PWM变流器节制系统见图4。

在转子侧变流器节制中,经由过程检测定子两相电压获得定子磁通角,并进行定子磁链谋略。经由过程光电编码器获得转子速率,积分可得转子初始位置角度。定子电压频率减去转子转速频率可得转差频率。在转速功率双闭环节制中,根据主控无功给定,谋略出d轴电流指令,使定子侧运行在指定的功率因数;根据主控的转矩给定和实际的磁链可推导出q轴电流指令,以此来调节电机转速。将获得的d,q轴电流值加上各自的耦合项反变换到两相静止坐标系下,作为SVPWM的输入值来节制转子侧变流器。

4.2 网侧变流器节制

网侧变流器节制目标是:维持输出直流电压恒定且有优越的动态相应能力;确保交流侧输入电流正弦,功率因数为1。

在网侧变流器节制中,因为电网电压维持不变,以是这里采纳基于电网电压定向矢量节制技巧。将三相静止坐标下的变流器模型转换到两相扭转坐标系下,并将交流侧三相电流变换到d,q坐标系下的电流分量id,iq进行解耦节制,得:

udr=-udr’+△udr+us,uqr=-uqr’-△uqr (3)

式中:us为电网电压;udr,uqr为变流器输出d,q轴电压分量。

设计出网侧PWM变流器节制模型如图5所示。全部系统采纳双闭环节制,内环为电流节制环,外环为电压节制环。电压外环中,将直流环节实测电压值与指令值做对照,偏差颠末PI调节器调节作为d轴电压的指令值。电流内环中,将实测电流的q轴分量与指令值做对照,偏差颠末PI调节器作为q轴电压的指令值。将d,q轴电压指令值变换到两相静止坐标系下,获得电压SVPWM的调制旌旗灯号,以此来节制网侧变流器。

5 SVPWM算法的FPGA实现

双PWM型变流器采纳电压SVPWM措施节制其开关器件的通断。与SPWM比拟,SVPWM具有谐波抑制效果好、相应快速、电压使用率高、电流波形畸变小、转矩脉动低等优点,已在电机驱动方面获得了广泛利用。在此主要阐述FPGA软件设计中SVPWM算法的实现,如图6所示。

全部算法采纳顶层文件设计要领,应用Verilog HDL说话编写。经由过程A/D节制模块节制ADS8364芯片进行采样,采样获得的电压、电流分手进入Clarke变换模块和三相相环模块。DSP经由过程PI调节器输出的ud,uq,颠末Park变换后获得uα,uβ,并送入SVPWM模块,进行扇区判断与矢量感化光诡计略。因为调制历程可能呈现过调制征象导致输出电压波形呈现掉真,是以加入采纳比例缩小算法的过调制模块,旌旗灯号颠末调制后即可进入对照模块与三角波进行对照输出PWM波形,为防止上、下桥臂呈现纵贯,加入逝世区节制模块,逝世区光阴由DSP节制;PWM脉冲分配模块设置了逝世区光阴的PWM输出与保护旌旗灯号进行逻辑谋略,包管在呈现故障及过流时能及时封锁脉冲,保护逆变器。

6 实验验证

2 MW双馈变流器利用于风力发电系统,交流电网电压等级为690 V,额定中心直流电压为1.1 kV,网侧变流器额定容量670 kVA,转子侧变流器额定容量960 kVA。图7示出直流电压Udr;电网电压、电流ug,ig;定子电流、电压is,us实验波形。

测试了满载时的电流谐波畸变率(THD),此时发电机转速1755 r·min-1,系统功率达2 150 kW,转矩T=11 698 N·m,三相电流中最大年夜的THD=2.94%,小于国标的5%。

图7a为定子并网后的波形,可见,并网后定子电流正弦度很高,阐明该系统具有优越的并网特点,且并网对电网冲击小;由图7b可见,发电机转速为1 200 r·min-1,功率为200 kW,此时发电机处于亚同步运行状态,可见该系统具有优越的稳态特点;图7c显示了变流器在超同步状态下,即1755 r·min-1时网侧输出感性无功功率,无功电流达到580 A,功率因数为0.949。

7 结论

经由过程自立研发的2 MW双馈式变流器节制系统得到了优越的并网波形以及稳态后的电压和电流波形,证明了网侧和转子侧变流器节制策略的可行性。今朝该系统已经完成了整机测试,并在风场进行了试运行,受到同等好评。