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直驱型风电变流器电流环控制方式的优化设计

供稿:广东明阳龙源电力电子有限公司 2017/3/17 13:57:43

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  • 关键词: 风电变流器 电流环控制
  • 摘要:滞环控制是一种应用很广泛的闭环电流跟着控制方法,通常以响应速度快和结构简单而著称。传统滞环电流采用模拟器件实现的方式,即采用硬件电路设计滞环比较器,其滞环宽度固定,但开关频率不固定,高低悬殊,有时会出现很窄的脉冲和很大的电流尖峰,且最高频率难以控制,易超过器件开关频率的上限。本文通过对滞环比较器的控制原理和开关频率的分析,在原有控制的基础上,结合软件和硬件资源,设计了一种新型的可变带宽、固定频率的滞环电流控制方式。经厂内测试以及工程应用,性能均优于原有的滞环控制器。

  第一章技术背景

  滞环控制以响应速度快和结构简单而著称,是一种应用很广泛的闭环电流跟踪控制方法。在各种变流器控制系统中,滞环控制单元一般同时兼有两种职能,一是作为闭环电流调节器,二是起着PWM调节器的作用,即将电流参考信号转换为相应的开关指令信号,控制功率器件的导通和关闭。

  传统滞环电流采用模拟器件实现的方式,即采用硬件电路设计滞环比较器,其滞环宽度固定,但开关频率不固定,高低悬殊,有时会出现很窄的脉冲和很大的电流尖峰,且最高频率难以控制,易超过器件开关频率的上限。

  从整体上说,这种滞环比较器回差值固定,调节时需要变动电路中的元件参数,不利于电路的优化运行。

  在此基础上,我司变流器控制系统目前采用双环控制,外环为电压环,内环为电流环,外环采用PI控制策略,将电压环PI出来的有功电流信号id和无功电流信号iq经过反dq变换生成电流给定值,再直接下发到硬件控制板,通过硬件滞环比较的方式来实现PWM波的生成。

  第二章电流环控制优化设计

2.1 控制原理分析

一般情况下,滞环比较器均采用对称方式。如图1所示。

  h为对称滞环比较器的滞环宽度绝对值,当error>h时,输出PWM=1,变换器输出电压U0=Ud,负载电流Ig上升;当error<-h时,输出pwm=0,变换器输出电压u0=-ud,负载电流ig下降。依此反复,便实现了对输出负载电流ig的跟踪控制,使其跟随指令电流ir,误差值|error|=|ir-ig|<=h。由于上下比较阀值相等,因此在每个开关周期内,平均跟踪误差都为零。其中,ud为逆变母线电压正极对地电压。

2.2 开关频率分析

风电变流器简易工作电路图如图2所示。

  在某一个开关周期内,电流变化状态如图1所示,如果开关周期足够小,则有下式:

  其中,Tp为电流上升时间,Tn为电流下降时间,Ud为逆变母线电压正极对地电压,e为网侧电压,L为网侧电抗值。

  在滞环带宽h固定的时候,开关频率会随着电网相电压U0的变化而变化。U0过零点附近时,开关频率变高;在幅值附近时,开关频率变低。例如Ud=530V,电网侧线电压U0=620V,电感L=250uH,滞环h=50A,那开关频率会从10600Hz到930Hz变动。而实际上在电路设计中为了避免带宽为零时对IGBT器件造成损坏,对滞环带宽进行了限值,最小值在A,所以实际运行中开关频率在变动。

  带宽频率不固定,对电力器件的工作频率提出很高的要求,根据公式(7)可以推出,如果要固定频率,则滞环宽度h要变化,即:

  根据公式(8),例如直流母线电压Ud=530V,L=250uH,确定开关频率为4kHz,网侧电压幅值为506V(对应620V线电压),则对A相电压来说,相应的带宽

此种方式可以通过软件程序实现。

2.3 改进技术方案的电路设计

数字量信号电流给定值、带宽值经DA芯片转换为模拟量信号,与采样电流信号经过比较运算,生成PWM调制信号;其波形变化图如图3所示。

  图中,反馈电流叠加实时带宽与给定电流进行比较后,输出PWM信号。实时带宽=正带宽(0)或负带宽(1),也就是:当PMW信号为0时,实时带宽=正带宽;当PWM信号为1时,实时带宽为负带宽,如:当带宽给定为-5A,反馈电流为0A,给定电流为100A时,开始时PWM必为1,此时反馈开关信号控制实时带宽输出为负带宽,反馈电流从0A不断增大;当反馈电流为105A时,加法器输出电流为反馈电流加上负带宽后,其大小为100A,此时达到给定电流100A,比较器输出切换为0,实时带宽为正带宽,反馈电流从105A逐渐减小;当反馈电流为95A时,加法器输出电流为反馈电流加上正带宽后,其大小为100A,此时达到给定电流100A,比较器输出切换为1。这样一直工作下去,反馈电流就在95A与105A来回变动。通过修改带宽给定值的大小,就可以实现可调带宽功能,此控制器称为“可调带环宽滞环控制器”,其工作原理图如图4所示。

  第三章结束语

  可调带环宽滞环控制器电路设计简单,可以节约软件控制的资源,满足前端Boost电路控制的开关频率要求;对被控对象及电路参数变化不敏感,可以抑制系统中的部分干扰;滞环带宽可控。经厂内测试以及工程应用验证,性能均优于原有的滞环控制器。

审核编辑(王静)
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