双馈式风电变流器网侧变换器控制研究_风电变流器_PWM

双馈式风电变流器网侧变换器控制研究

2013/8/6 10:06:28

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。

1 PWM变换器的数学模型和控制框图

1.1 PWM变换器d-q轴下的数学模型^〔¹^〕

图1 PWM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：

(1-1)

式中 e_d, e_q——电网电压E的d, q轴分量；

u_d, u_q——VSR交流侧电压矢量U的d, q轴分量；

i_d, i_q——VSR交流侧电流矢量I的d, q轴分量。

1.2 PWM整流器的控制策略^〔²^〕

　　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e_q为零。为了实现单位功率因数，无功电流分量i_q的参考值i_q*设为零。

　　VSR双闭环控制系统结构图如图3所示。

图3 VSR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u_sd, u_sq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 i_q*, i_d*——电流i_d, i_q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4 VSR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，i_d, i_q控制器可以使用相同的参数，因此主要对i_d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i_L变化时，首先使直流输出电压U_dc偏离设定值，然后通过电压调节器的调节，减小直到消除U_dc同设定值之间的差，系统重新进入稳态。可见，负载电流i_L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P_ac应与桥路直流侧功率P_dc相等。且e_q=0，稳态运行时有

(1-3)

　　由于电流环具有快速的动态相应，故可忽略电流环动态调节过程，则

　　　　　(1-4)

　　根据式(1-3)和式(1-4)可以推导出以下公式

(1-5)

(1-6)

式中 K_f'——负载电流与指令电流的比例系数，K_f'= i_d*/i_L；

K_f''——输入电压d轴分量与指令电流比例系数，K_f''=e_di_d*。

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

(1-7)

把式(1-7)代入式(1-3)中，则

(1-8)

　　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i_d*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6 PWM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。