风电变流器网侧PWM变换控制器研究.docx
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风电变流器网侧PWM变换控制器研究
风电变流器网侧PWM变换控制器研究
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。
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
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:
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。
1.2 PWM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,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。
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。
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8 A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:
1苑国锋, 柴建云, 李永东. 变速恒频风力发电机组励磁变频器的研究. 中国电机工程学报. 2005, 25(8):
90~94
2张崇巍, 张兴. PWM整流器及其控制. 机械工业出版社, 2003:
2~12
3张兴, 张崇巍. PWM可逆变流器空间电压矢量控制技术的研究. 中国电机工程学报. 2001, 21(10):
102~109
4李伟伟.永磁直驱风电系统中网侧变换器控制与风机模拟技术研究.哈工大硕士学位论文.2008
5郎永强.交流励磁双馈电机风力发电系统控制技术研究. 哈工大博士学位论文.2007
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- 变流器 PWM 变换 控制器 研究
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