DSP與FPGA的雙饋式風(fēng)力發(fā)電變流器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 DSP與FPGA的雙饋式風(fēng)力發(fā)電變流器系統(tǒng)設(shè)計(jì)目前風(fēng)電技術(shù)可分為恒速恒頻控制方式和VSCF控制方式。VSCF風(fēng)力發(fā)電機(jī)可提供更高的風(fēng)能利用效率，故越來(lái)越多地用于大功率機(jī)組。在此設(shè)計(jì)了基于TMS320C28346型DSP與FPGA的雙饋式風(fēng)力發(fā)電變流器系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)平臺(tái)采用主頻300 MHz的DSP芯片與FPGA共同控制，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及實(shí)時(shí)性?？刂葡到y(tǒng)采用矢量控制技術(shù)和功率閉環(huán)的變速控制策略。在自主研發(fā)的2 MW雙饋式風(fēng)電變流器的樣機(jī)上開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行，驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的可靠性。 2 控制系統(tǒng)硬件平臺(tái) 1.5 MW雙饋式風(fēng)電變流器硬件平臺(tái)采用主頻為

2、150 MHz的TMS320C28335+CPLD方案，但在開(kāi)展低電壓穿越實(shí)驗(yàn)與強(qiáng)勵(lì)磁實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)運(yùn)算速度無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求。因此設(shè)計(jì)了風(fēng)電、光伏變流器統(tǒng)一的硬件平臺(tái)。采用模塊化設(shè)計(jì)，按照功能劃分為系統(tǒng)控制板、開(kāi)關(guān)電源、開(kāi)入接口板、采樣板、光纖接口板、通訊板、故障錄波板與總線(xiàn)底板，并在機(jī)箱中預(yù)留插板位置。其中控制板采用TMS320C28346型DSP與FPGA芯片共同構(gòu)成，極大地提升了可靠性與運(yùn)算速度?？刂破脚_(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，能兼容全功率等級(jí)雙饋、直驅(qū)變流器與光伏逆變器控制系統(tǒng)，配備多路信號(hào)采集通道、信號(hào)輸出通道與通訊接口，具備多種PWM輸出和保護(hù)方案，采用標(biāo)準(zhǔn)6U機(jī)箱構(gòu)造，控制系統(tǒng)硬件

3、平臺(tái)總體方案見(jiàn)圖1。 2 MW雙饋式變流器均采用塔上安裝方式，給故障診斷帶來(lái)一定困難。為提高調(diào)試與故障診斷速度，采用WIFI通訊與故障錄波相結(jié)合的方 案。采用大容量NVSRAM與FLASH芯片相結(jié)合，實(shí)時(shí)性能較高的故障發(fā)生時(shí)間的變量存儲(chǔ)在掉電不丟失的快速NVSRAM中，實(shí)時(shí)性相對(duì)較低的運(yùn)行數(shù)據(jù)存在FLASH芯片中。當(dāng)變流器出現(xiàn)故障停機(jī)時(shí)，塔下調(diào)試人員可通過(guò)電腦或手持設(shè)備與控制系統(tǒng)開(kāi)展WIFI連接，并讀取故障前后120 s內(nèi)的系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，以便于故障診斷與分析?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試結(jié)束后，可通過(guò)WIFI模塊將FLASH芯片中的運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)上，以供廠商遠(yuǎn)程監(jiān)控，可提高風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行效率。 3 DSP與FP

4、GA板設(shè)計(jì) DSP與FPGA控制板是控制平臺(tái)的，主要包括傳感器信號(hào)調(diào)理電路、故障保護(hù)電路、通訊電路、存儲(chǔ)電路等。系統(tǒng)構(gòu)造如圖2所示，F(xiàn)PG A通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)、地址總線(xiàn)、控制IO分別與ADS8364和DSP芯片連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。 FPGA設(shè)計(jì)屬于數(shù)字電路硬件設(shè)計(jì)，運(yùn)行速度相對(duì)較快，故一般將算法比較固定且對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和速度要求較高的算法模塊參加到FPGA，主要包括：AD芯片控制、空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）計(jì)算、Park與Clarke變換計(jì)算、PWM輸出控制、快速保護(hù)邏輯控制與開(kāi)入開(kāi)出邏輯控制。將需要經(jīng)常修改的軟件算法放到DSP中實(shí)現(xiàn)，主要功能包括數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與調(diào)用、系統(tǒng)運(yùn)行控制、數(shù)據(jù)通訊、PI調(diào)

5、節(jié)器控制、低電壓穿越控制等功能。FPAG通過(guò)控制ADS8364采樣得到傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)入FPGA內(nèi)部的數(shù)據(jù)運(yùn)算單元，根據(jù)預(yù)置的Clarke與Park變換算法開(kāi)展運(yùn)算，得到正序與負(fù)序的ud，uq，id，iq，并將計(jì)算結(jié)果傳送給DSP；DSP調(diào)用直流穩(wěn)壓計(jì)算模塊、電流電壓閉環(huán)PI模塊、低電壓穿越檢測(cè)模塊對(duì)FPGA輸入的數(shù)據(jù)開(kāi)展計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)傳送給FPGA，F(xiàn)PGA將接收到的計(jì)算結(jié)果開(kāi)展Park反變換，并通過(guò)SVPWM模塊產(chǎn)生12路PWM波形分別來(lái)控制機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器IGBT開(kāi)關(guān)器件開(kāi)通與關(guān)斷，進(jìn)而控制變流器輸出所需的電壓波形。 4 雙PWM變流器的控制 雙PWM型變流器由網(wǎng)側(cè)和機(jī)

6、側(cè)兩個(gè)PWM變流器組成，各自功能相對(duì)獨(dú)立。網(wǎng)側(cè)變流器主要功能是實(shí)現(xiàn)交流側(cè)輸入單位功率因數(shù)控制和在各種狀態(tài)下保持直流環(huán)節(jié)電壓穩(wěn)定，確保機(jī)側(cè)變流器乃至整個(gè)DFIG勵(lì)磁系統(tǒng)可靠工作，機(jī)側(cè)變流器主要功能是在轉(zhuǎn)子側(cè)實(shí)現(xiàn)DFIG的矢量變換控 制，確保DFIG輸出解耦的有功功率和無(wú)功功率。兩個(gè)變流器通過(guò)相對(duì)獨(dú)立的控制系統(tǒng)完成各自的功能。這里的雙PWM型變流器采用不同的控制策略，其中機(jī)側(cè)變流器通過(guò)DFIG定子磁鏈定向開(kāi)展控制，網(wǎng)側(cè)變流器則通過(guò)電網(wǎng)電壓定向開(kāi)展控制，控制策略構(gòu)造如圖3所示。 4.1 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器目標(biāo)是有功功率和無(wú)功功率解耦控制，并為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)提供勵(lì)磁，以實(shí)現(xiàn)定子側(cè)的恒頻輸出。

7、為實(shí)現(xiàn)DFIG的功率解耦控制，列出DFIG有功、無(wú)功功率：Ps=udsids+uqsiqs，Qs=uqsids-udsiqs。采用基于定子磁場(chǎng)定向的矢量控制策略并忽略工頻下的DFIG定子電阻，可簡(jiǎn)化為： Ps=-u1iqs，Qs=-u1ids （1） 由上式可知，DFIG輸出有功功率Ps與定子電流的轉(zhuǎn)矩分量iqs成正比，無(wú)功功率Qs與勵(lì)磁分量ids成正比。因?yàn)镻s和Qs的調(diào)節(jié)是通過(guò)DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)電壓型變流器實(shí)現(xiàn)的，推導(dǎo)出轉(zhuǎn)子電壓與iqs，ids之間的關(guān)系如下： udr，uqr為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子電壓、電流解耦控制的解耦項(xiàng)；udr，uqr為消除轉(zhuǎn)子電壓、電流交叉耦合的補(bǔ)償項(xiàng)。將轉(zhuǎn)子電壓分解為解耦項(xiàng)和補(bǔ)償項(xiàng)

8、，既簡(jiǎn)化了控制，又能保證控制精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性。構(gòu)建轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變流器控制系統(tǒng)見(jiàn)圖4。 在轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制中，通過(guò)檢測(cè)定子兩相電壓得到定子磁通角，并開(kāi)展定子磁鏈計(jì)算。通過(guò)光電編碼器得到轉(zhuǎn)子速度，積分可得轉(zhuǎn)子初始位置角度。定子電壓頻率減去轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速頻率可得轉(zhuǎn)差頻率。在轉(zhuǎn)速功率雙閉環(huán)控制中，根據(jù)主控?zé)o功給定，計(jì)算出d軸電流指令，使定子側(cè)運(yùn)行在指定的功率因數(shù)；根據(jù)主控的轉(zhuǎn)矩給定和實(shí)際的磁鏈可推導(dǎo)出q軸電流指令，以此來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。將得到的d，q軸電流值加上各自的耦合項(xiàng)反變換到兩相靜止坐標(biāo)系下，作為SVPWM的輸入值來(lái)控制轉(zhuǎn)子側(cè)變流器。 4.2 網(wǎng)側(cè)變流器控制 網(wǎng)側(cè)變流器控制目標(biāo)是：保持輸出直流電壓

9、恒定且有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力；確保交流側(cè)輸入電流正弦，功率因數(shù)為1。 在網(wǎng)側(cè)變流器控制中，由于電網(wǎng)電壓保持不變，所以這里采用基于電網(wǎng)電壓定向矢量控制技術(shù)。將三相靜止坐標(biāo)下的變流器模型轉(zhuǎn)換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，并將交流側(cè)三相電流變換到d，q坐標(biāo)系下的電流分量id，iq開(kāi)展解耦控制，得： udr=-udr+udr+us，uqr=-uqr-uqr （3） 式中：us為電網(wǎng)電壓；udr，uqr為變流器輸出d，q軸電壓分量。 設(shè)計(jì)出網(wǎng)側(cè)PWM變流器控制模型如圖5所示。整個(gè)系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制，內(nèi)環(huán)為電流控制環(huán)，外環(huán)為電壓控制環(huán)。電壓外環(huán)中，將直流環(huán)節(jié)實(shí)測(cè)電壓值與指令值做比較，誤差經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)作為d軸電壓

10、的指令值。電流內(nèi)環(huán)中，將實(shí)測(cè)電流的q軸分量與指令值做比較，誤差經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器作為q軸電壓的指令值。將d，q軸電壓指令值變換到兩相靜止坐標(biāo)系下，得到電壓SVPWM的調(diào)制信號(hào)，以此來(lái)控制網(wǎng)側(cè)變流器。 5 SVPWM算法的FPGA實(shí)現(xiàn) 雙PWM型變流器采用電壓SVPWM方法控制其開(kāi)關(guān)器件的通斷。與SPWM相比，SVPWM具有諧波抑制效果好、響應(yīng)快速、電壓利用率高、電流波形畸變小、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)低等優(yōu)點(diǎn)，已在電機(jī)驅(qū)動(dòng)方面得到了廣泛應(yīng)用。在此主要闡述FPGA軟件設(shè)計(jì)中SVPWM算法的實(shí)現(xiàn)，如圖6所示。 整個(gè)算法采用頂層文件設(shè)計(jì)方式，使用Verilog HDL語(yǔ)言編寫(xiě)。通過(guò)AD控制模塊控制ADS8364芯片開(kāi)展

11、采樣，采樣得到的電壓、電流分別進(jìn)入Clarke變換模塊和三相鎖相環(huán)模塊。DSP通過(guò)PI調(diào)節(jié)器輸出的ud，uq，經(jīng)過(guò)Park變換后得到u，u，并送入SVPWM模塊，開(kāi)展扇區(qū)判斷與矢量作用時(shí)間計(jì)算。由于調(diào)制過(guò)程可能出現(xiàn)過(guò)調(diào)制現(xiàn)象導(dǎo)致輸出電壓波形出現(xiàn)失真，因此參加采用比例縮小算法的過(guò)調(diào)制模塊，信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制后即可進(jìn)入比較模塊與三角波開(kāi)展比較輸出PWM波形，為防止上、下橋臂出現(xiàn)直通，參加死區(qū)控制模塊，死區(qū)時(shí)間由DSP控制；PWM脈沖分配模塊設(shè)置了死區(qū)時(shí)間的PWM輸出與保護(hù)信號(hào)開(kāi)展邏輯計(jì)算，保證在出現(xiàn)故障及過(guò)流時(shí)能及時(shí)封鎖脈沖，保護(hù)逆變器。 6 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 2 MW雙饋?zhàn)兞髌鲬?yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，交流電網(wǎng)電壓

12、等級(jí)為690 V，額定中間直流電壓為1.1 kV，網(wǎng)側(cè)變流器額定容量670 kVA，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器額定容量960 kVA。圖7示出直流電壓Udr；電網(wǎng)電壓、電流ug，ig；定子電流、電壓is，us實(shí)驗(yàn)波形。 基于DSP與FPGA的雙饋式風(fēng)力發(fā)電變流器系統(tǒng)設(shè)計(jì)淺析 測(cè)試了滿(mǎn)載時(shí)的電流諧波畸變率（THD），此時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速1755 rmin-1，系統(tǒng)功率達(dá)2 150 kW，轉(zhuǎn)矩T=11 698 Nm，三相電流中的THD=2.94，小于國(guó)標(biāo)的5。 圖7a為定子并網(wǎng)后的波形，可見(jiàn)，并網(wǎng)后定子電流正弦度很高，說(shuō)明該系統(tǒng)具有良好的并網(wǎng)特性，且并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)沖擊??；由圖7b可見(jiàn)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 200 rmin-1，功率為200 kW，此時(shí)發(fā)電機(jī)處于亞同