《小型风电系统网侧变换器设计》
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2014/11/7
《小型风电系统网侧变换器设计》
【引言】
近些年来，风力发电技术迅速发展。在风力发电技术发展过程中，电力电子变流技术也迅速发展。在永磁直驱风力发电系统中，风机将捕获的风能以机械能的形式传递给永磁同步发电机，发电机将机械能转化为电能，发出三相交流电，然后通过电力电子变换器将三相交流电经过整流、逆变，得到与电网电压频率、相位都相同的交流电送到电网。
永磁直驱风电系统的变换器有多种不同的拓扑结构[34]，不同的拓扑结构对应的控制策略也会有所不同，本节将分析各种永磁直驱风电系统的拓扑结构，选取适合小型风力发电系统的电路拓扑。
风力发电技术是目前研究的热点，而变换器是风力发电系统的核心功率调节器件。本章将从硬件电路和软件控制流程两个方面设计小型永磁直驱风电系统网侧变换器的实验平台。
【关键字】网侧变换器 电网电压 并网电流 pwm技术 软件设计 【正文】
一、网侧变换器硬件电路设计
1.1网侧变换器的电路结构
小型永磁直驱风电系统网侧变换器电路结构如图4-1所示。该电路主要包括主功率电路、电网电压采样电路、并网电流采样电路、母线电压采样电路、隔离电路、保护电路。系统采用TI公司的TMS320F2812作为主控芯片。
直流侧变流器滤波环节三相电网+IPMIRAMX20UP60A母线电压调理电路隔离驱动保护电路交流电压调理电路电流采样调理电路TMS320F2812
图4-1 小型永磁直驱风电系统网侧变换器结构图
网侧变换器通过电压电流采样电路采集直流母线电压、电网的线电压、电网的相电流信号，经过调理电路后将信号送入DSP，在DSP里实现电流内环、电压外环的并网控制算法
后发出驱动信号，驱动信号经隔离电路后供给IPM，驱动开关管，实现三相逆变并网。
1.2主电路参数设计
1.2.1直流母线电压的选取
三相并网系统SVPWM调制方式下，考虑电网电压15%的波动
t CuII (4-3) fs极限情况下，母线电容提供逆变器的全部输入电流，输入电流和三相电流中相电流幅值相等。稳态时相电流幅值可以通过功率算出：IP1000224.73A，3UAB3173留取一定裕量相电流幅值取6A, fs为开关频率，取fs10kHz，母线电压允许最大1%的波动值，取u3V，代入式(4-3)，得：C200μF，本文取C470μF。 1.2.2LCL滤波器参数设计
（1）滤波电感的选择
为了满足满足变换器有功、无功功率指标[58,59]，有：
22Udc4EmL (4-6)
2Im (4-11)
取L=6.25mH。由于L1纹波起主要作用，一般选取L14L2, 即：
L15mH (4-12) L1.25mH2（2）滤波电容的选取
滤波电容的大小直接影响到系统产生的无功。滤波电容越大，从电感吸取的电流就越多，产生的无功就会越大。一般要求滤波电容吸收的无功功率小于系统功率的5%[58容吸收的无功功率为：
，59，60]
，电
CfP (4-14)
32fEn2取5%，将P1000W,En100V代入式（4-14），得：
Cf5.3μF (4-15)
本文取Cf4.7μF。
IGBT需要复杂的驱动电路，为了简化设计，本文功率器件选取IR公司型号为IRAMX16UP60A的IPM，最大耐压为600V，额定电流16A，内部集成了6个IGBT以及相应的驱动芯片IR21365，并且带有死区保护功能。
1.3控制电路设计
1.3.1直流母线电压采样电路
本文采用差分电路检测直流母线电压信号，采样电路如图4-3所示，母线电压经过差分电路后得到0~3V的直流电压信号，经过RC滤波后送至DSP进行采样。双向二极管，用于对DSP的输入口进行保护，当输入DSP的信号高于4V或者低于－0.7V时，二极管导通，将输入电压钳位，从而避免损坏DSP。
+15VC41DCBUS-DSPTL082U1R44C42-15VR45C43R47R46C44MMBD7000+3VR43DCBUSR41R42
图4-3 母线电压采样电路
当取R41=R42，R43=R44时，母线电压与差分电路输出电压之间的关系为：
VDCBUS-DSPR43VDCBUS (4-17) R41式中 VDCBUS- D——差分输出电压即输入DSP进行采样的模拟电压；
VDCBUS ——直流母线电压。
1.3.2电网电压采样电路
三相电网电压信号经软件锁相环进行锁相后，得到电网电压的相位信息，从而控制并网电流与电网电压同频同相，实现单位功率因数并网。电网电压采样电路也采用了差分形式，如图4-4所示。
R53ABR51R52R54+15VC51TL082U1C52-15V+3VR58R57U2R59C54MMBD7000U_AB+3VR55R56C53TL082
图4-4 电网电压采样电路
AB两相电压经差分电路进行衰减和隔离后，由一阶RC电路滤波后经过一级跟随以提高驱动能力。由于电网电压是交流信号，而DSP只能接受0~3V之间的直流信号，因此需要将输入电压进行抬升，R57和R58将输入的交流信号抬升1.5V，使之在DSP可以接受的电压范围之内。双向二极管的作用同上。
取R51=R52，R53=R54后，电网电压采样电路得到的输入-输出关系为：
3VU_ABR53VABR51 (4-18)
2式中 VU_A——输入DSP控制芯片的电网电压信号； BVAB ——电网线电压。
1.3.3并网电流采样电路
并网电流是本文重要的控制量，需要控制并网电流和电网电压同频、同相，以实现单位功率因数并网；同时系统的过流保护也需要用到并网电流信号。本文采用LEM公司的HX10-P霍尔电流传感器将电流信号转换为隔离的电压信号。HX10-P霍尔电流互感器电流检测范围在-10A~10A，对应的输出的电压为-4V~4V，且为输入输出隔离，具有检测精度高、功率损耗低、体积小等优点。图4-5所示为本文采用的电流采样电路。
I_inHX 10-P152634-15VC71C72R71R72C73+15VC74TL082U4R73C75-15V+15V+3VR76R74INV_IR75R77I_grid+3VC76MMBD7000
图4-5 并网电流采样电路
霍尔电流传感器的输出经衰减和滤波后，通过U4进行跟随提高取驱动能力。由于输出电压信号有正有负，而DSP能接受的模拟电压范围为0-3V，因此需要将输入电压进行直流抬升。R75和R76交流信号抬升为0~3V之间的直流信号送给DSP控制芯片。采样电路中双向二极管控制输入DSP的电压信号不超过3.3V，避免造成DSP控制芯片过压损坏。
根据HX10-P霍尔电流元件的电流-电压关系，可以得到并网电流采样电路得到的输入-输出关系为：
VI_grid13Iin5 (4-19) 2式中 VI_gr——输入DSP控制芯片的并网电流信号； idIin ——并网电流的实际值。
1.4保护电路设计
为了避免工作过程中因故障引起的过流对功率器件及控制芯片造成的损害，需要设计有效的过流保护电路。本文设计的过流保护电路如图4-6所示，采用LM339作为过流保护电路控制芯片，过流保护电路将并网电流作为过流保护输入信号。
C80R80R81TL082U5C81-15VR82+3.3VR85R83R84C83+3.3VR96R97R98C92PDPINTAC931OUTC84+5VIref-LR88C852OUTVCC2IN-2IN+1IN-+3.3VR92Iref-H1IN+OUT3OUT4GND4IN+4IN-3IN+3IN-CIref-LIref-H88+3.3VR87INV_aR86R87R86C85INV_b+3VRC86R90LM339R91C87C88
图4-6 过流保护电路
在软件方面，只要检测到直流电流或交流电流过流，比较器就输出低电平，然后经过滤波进入到DSP的PNPINTA脚，封锁驱动信号，从硬件和软件两方面实现过流保护。
1.5辅助电源设计
在整个硬件实验平台中，需要多路电源，分别给DSP、驱动电路、采样电路、保护电路、光耦等供电。本文辅助电源电路采用反激式拓扑，开关管采用MOSFET,型号为2SK1119，耐压值1000V。控制芯片采用UC3844，其内部振荡频率为80 kHz，供给开关管的PWM信号开关频率为40kHz。其电路如图4-7所示。输入电压范围为100V~450V直流电压，输出五路电压，其中两路共地，另外三路共地，输出电压分别是+15V，+5V，+15V，-15V，+5V，分别给驱动电路、光耦隔离电路、采样电路、保护电路和DSP供电。
DCBUSC1C2R1R2R3R4R7C4C5R10R11R12R13R14C8R17R18D10C25C26-15VR25R24D3Q1*C23C24DR8+16VDD1D2*R5C3R6*D14D15C20KA7805123C21PGND+5V+15VC22R21R22+15VR23C9PGNDPS2501_1*TKA781514D78051C143C15+15VC16PGNDVref8_R191_COM1C1723C18+5VC192Vc78_VrefC6R9C71_COMUC3844Vc78Vref4R/C2VfOut6GND59RefA1COMIsen3Vc7D4R16CTL431PGND
图4-7辅助电源电路
二、网侧变换器软件设计
2.1控制芯片的选取
DSP是在模拟信号转化为数字信号后能够完成高速实时处理的专用处理器，其中最具代表性的是美国TI公司生产的TMSC320C2000系列产品。TMS320C28x系列DSP是目前控制领域最高性能的处理器，具有精度高、速度快、集成度高等特点，特别适用于电机控制、电力电子技术等领域。本文采用TI公司的TMS320F2812作为主控芯片。
2.2软件总体设计
小型永磁直驱风电系统并网控制主要包括以下几大功能模块：（1）初始化模块；（2）锁相环模块；（3）Clark变换模块；（4）Park变换模块；（5）PI运算模块；（5）Park逆变换模块；（6）SVPWM模块；（7）故障保护处理模块。
整个系统总体程序包括以下几个部分：（1）主程序；（2）PWM中断服务子程序；（3）AD采样中断服务子程序；（4）故障保护处理子程序。
主程序主要完成系统寄存器初始化设置。PWM中断服务子程序主要实现电压外环、电流内环的并网控制算法；AD采样中断服务子程序主要完成直流母线电压、电网电压、并网电流的信号采集，过压、过流判断以及数字滤波处理；故障处理子程序主要完成过流、过压保护处理。
首先系统初始化、其次关中断、然后初始化中断向量表，完成所需中断服务子程序的设置，再初始化I/O口及外设，使能相应的中断，最后开中断，等待中断发生。
2.3PWM中断服务子程序设计
PWM下溢中断时进入PWM中断服务子程序，PWM中断服务子程序采用增减计数模式，开关频率为10kHz。PWM中断服务子程序是整个控制算法的核心，电压外环、电流内环并网控制算法就是在这个中断里面实现的。PWM中断服务子程序包括系统电压、电流Clark、Park变换、锁相环运算、PI运算、Park逆变换、SVPWM运算等功能。PWM中断服务子程序流程如下：
（1）PWM下溢中断时，进入PWM中断服务子程序，更新采样值； （2）对电网电压进行Clark、Park变换； （3）三相软件锁相环运算；
（4）判断锁相是否成功，若锁相不成功，则关闭PWM输出； （5）若锁相成功，则进行电流Clark、Park变换；
（6）电压外环PI运算，并将结果作为电流内环d轴分量的给定值； （7）电流内环PI运算，并将结果作为SVPWM模块的输入量； （8）进行SVPWM运算，更新PWM驱动信号； （9）清除中断标志位，返回主程序。
2.4 AD采样中断服务程序设计
AD采样中断服务子程序主要实现电网电压uab、ubc、uca、并网电流ia、ib、ic以及母线电压udc的采集、过流、过压判断以及电网电压信号的数字滤波。采样频率为10kHz。AD采样中断服务子程序如下：
（1）当AD采样中断发生时，更新采样值；
（2）判断母线电压、电网电压是否过压、判断并网电流是否过流。如果有过压或者过流产生，则关断PWM输出；
（3）如果没有过压和过流产生，则对采集的信号进行低通数字滤波处理，滤波截止频率为500Hz；
（4）清除中断标志位，返回主程序。
2.5 故障保护子程序设计
由于电网电压的波动以及误操作造成的过压或者过流都会对功率器件造成损害，危及系统的安全运行。因此，为了提高系统的可靠性和安全性，系统必须具有故障检测和保护功能。本文的故障保护有硬件保护和软件保护。
在硬件方面，当检测到的并网电流信号超出设定的阈值范围时，LM339输出的低电平送至TMS320F2812的PDPINTA和PDPINTB引脚，TMS320F2812将PWM输出引脚置为高阻态，封锁PWM输出；同时，本文将LM339输出的低电平信号取反后送给IPM的过流保护引脚ITRIP（ITRIP低电平有效），使IPM不工作。
在软件方面，在程序中设计了PDPINT中断子程序及故障处理程序。当系统产生过流时，程序进入PDPINT中断子程序，软件将PWM输出设置为强制高电平，封锁PWM输出，从而避免开关管直通导致的过流对功率器件造成的损害。
三、总结
本文介绍了小型永磁直驱风电系统网侧变换器硬件和软件的设计过程。在硬件方面，设计了网侧变流的主电路，设计了母线电压、母线电容、滤波电感和滤波电容的参数，并设计了系统的采样电路、隔离电路、保护电路以及辅助电源电路；在软件方面，在软件方面，设计了并网控制算法的流程，并简单研究了PWM中断服务子程序、AD采样中断服务子程序及故障保护子程序。
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