基于TMS320F28335的風(fēng)機(jī)并網(wǎng)變流器低電壓穿越實(shí)現(xiàn)方法

余勇，吳玉楊，洪婷婷

(陽光電源股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引言

大功率變速恒頻并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，是目前國內(nèi)技術(shù)最成熟、最大規(guī)模開發(fā)利用和商業(yè)化發(fā)展前景的新能源發(fā)電方式之一。由于電壓型PWM并網(wǎng)變流器具有能量雙向流動(dòng)、直流電壓穩(wěn)定和實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償?shù)裙δ?，故其成為是風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵部件，不論是在雙饋風(fēng)電機(jī)組中還是在全功率風(fēng)電機(jī)組中，都得了廣泛應(yīng)用[1－3]。

隨著風(fēng)電裝機(jī)容量在系統(tǒng)中所占比例不斷增加，風(fēng)電機(jī)組，尤其是風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)變流器的低電壓穿越能力(LVRT)將對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響。因此，對(duì)于并網(wǎng)變流器而言，不僅需要在電網(wǎng)發(fā)生跌落瞬間保持并網(wǎng)運(yùn)行，還要求能夠及時(shí)向電網(wǎng)輸出足夠容量的無功電流，以支持電網(wǎng)恢復(fù);而在電網(wǎng)恢復(fù)瞬間，則要求及時(shí)撤銷無功電流支持，以保障電網(wǎng)系統(tǒng)的安全。因此，并網(wǎng)變流器應(yīng)具備快速的并網(wǎng)電流控制能力，這點(diǎn)不論是對(duì)雙饋風(fēng)機(jī)變流器還是全功率風(fēng)機(jī)變流器的低電壓穿越過程的順利實(shí)現(xiàn)，都至關(guān)重要。只不過在雙饋風(fēng)機(jī)變流器中，電網(wǎng)正常時(shí)，部分有功功率經(jīng)變流器并網(wǎng);而在低電壓穿越時(shí)，因容量限制，變流器僅承擔(dān)了部分的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償功能。

1 并網(wǎng)變流器數(shù)學(xué)模型及控制方法

圖1中，Vdc為 VSR直流側(cè)電壓;idc為 VSR直流側(cè)電流;ek，ik，vk(k=a，b，c)分別為三相電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)，三相交流輸入電流和三相交流電壓;il為VSR負(fù)載電流。

圖1 電壓型PWM并網(wǎng)變流器

定義開關(guān)函數(shù)Sk，當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)，Sk=1，關(guān)斷時(shí)，Sk=0。根據(jù)基爾霍夫定律，可得VSR在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型方程:

式中:

該三相靜止對(duì)稱坐標(biāo)系中的VSR數(shù)學(xué)模型，具有物理意義清晰、理解直觀簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，較好地變現(xiàn)了三相 VSR在交流側(cè)、直流側(cè)都可以分別等效為與開關(guān)函數(shù)Sk相關(guān)的受控電壓源特性及受控電流源特性[4]。但是，這種數(shù)學(xué)模型中，VSR交流側(cè)均為時(shí)變交流量，不利于系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的跟蹤控制。因此，可以將上述靜止坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型，轉(zhuǎn)化到與電網(wǎng)基波頻率同步旋轉(zhuǎn)的(d、q)坐標(biāo)系中，數(shù)學(xué)模型方程:

經(jīng)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)后，三相對(duì)稱靜止坐標(biāo)系中的基波正弦變量轉(zhuǎn)化為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流分量，從而簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)三相交流系統(tǒng)的無靜差快速跟蹤，也為變量間的解耦控制提供了可能。

對(duì)于并網(wǎng)變流器而言，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般采用雙環(huán)控制，即直流側(cè)電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)。直流側(cè)電壓環(huán)的控制在于為機(jī)側(cè)變流器的控制提供穩(wěn)定的電壓支撐，并實(shí)現(xiàn)有功功率在電網(wǎng)與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組間的雙向流動(dòng);而電流內(nèi)環(huán)的作用在于跟蹤電壓外環(huán)的有功電流指令，并可依據(jù)風(fēng)機(jī)主控及電網(wǎng)實(shí)際情況，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的功率因數(shù)調(diào)節(jié)或動(dòng)態(tài)無功支持。因此可以看出，三相VSR的控制目標(biāo)首要的是實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流，即實(shí)現(xiàn)VSR網(wǎng)側(cè)電流ik，的準(zhǔn)確快速控制。采用前饋解耦控制策略，當(dāng)電流調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器是，則vd、vq的控制方程如下:

式 中 KiP、KiI——電流內(nèi)環(huán)比例和積分調(diào)節(jié)增益;——并網(wǎng)電流 iq、id電流指令。

前饋解耦電流控制框圖見圖2。

圖2 前饋解耦電流控制環(huán)

在 dq坐標(biāo)系中q軸與電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)矢量e重合，則電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)d軸分量ed=0。

2 低電壓穿越過程

在最新的國網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于兆瓦級(jí)以上風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越(LVRT)的技術(shù)要求，改變了傳統(tǒng)的一旦出現(xiàn)電網(wǎng)跌落故障風(fēng)電機(jī)組就可以離網(wǎng)，將風(fēng)電機(jī)組變流器等同于普通的有源用電設(shè)備，對(duì)變流器進(jìn)行保護(hù)的思想，而是要求在一定的電壓跌落深度和時(shí)間內(nèi)，風(fēng)電機(jī)組依然能夠繼續(xù)并網(wǎng)，并盡可能地向電網(wǎng)提供無功電流，以支持電網(wǎng)恢復(fù)。在并網(wǎng)變流器和電網(wǎng)電壓跌落深度之間有著嚴(yán)格的比例關(guān)系限定，乃至在深度跌落情況下，并網(wǎng)變流器全部的額定容量都可能被用來實(shí)現(xiàn)無功支持功能。

一般而言，在電網(wǎng)發(fā)生跌落時(shí)刻起，2個(gè)電網(wǎng)周期左右，風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)變流器就能夠發(fā)出足夠的無功電流，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)無功支持功能。

在低電壓期間，特別是跌落到50%以下的深度跌落階段，由于網(wǎng)側(cè)變流器全部的電流容量被用于完成電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無功支持，而有功電流控制，或者直流側(cè)電壓的控制就被放在了次要的位置。這時(shí)或限制風(fēng)電機(jī)組有功功率輸出，或通過直流側(cè)chopper卸荷電路來維持直流側(cè)電壓在安全范圍內(nèi)。

電網(wǎng)恢復(fù)后，網(wǎng)側(cè)變流器一方面應(yīng)迅速撤銷動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償功能，以免出現(xiàn)電網(wǎng)恢復(fù)階段的過壓，另一方面應(yīng)按照規(guī)定斜率恢復(fù)有功出力。

總的來說，依據(jù)電網(wǎng)狀態(tài)，準(zhǔn)確迅速地控制并網(wǎng)電流的有功及無功電流，是網(wǎng)側(cè)變流器LVRT的主要工作內(nèi)容。在電網(wǎng)電壓跌落或恢復(fù)的瞬態(tài)過程中，并不總是要求網(wǎng)側(cè)變流器的電流始終處于可控狀態(tài)，允許出現(xiàn)短時(shí)的 IGBT閉鎖，但時(shí)間應(yīng)被嚴(yán)格限制。

因此，對(duì)于并網(wǎng)變流器而言，除了在硬件上進(jìn)行針對(duì)性地設(shè)計(jì)，如可能需加裝直流側(cè)Chopper卸荷電路外，在軟件上主要的工作包括:電網(wǎng)電壓狀態(tài)辨識(shí)，并網(wǎng)電流特別是無功電流控制以及運(yùn)行狀態(tài)間的切換。狀態(tài)切換過程如圖3所示。

圖3 風(fēng)機(jī)變流器LVRT運(yùn)行狀態(tài)

3 風(fēng)機(jī)并網(wǎng)變流器實(shí)現(xiàn)

TMS320F28335數(shù)字信號(hào)處理器是TI公司推出的32位浮點(diǎn)DSP控制器。與以往定點(diǎn)DSP相比，TMS320F28335增加了單精度浮點(diǎn)運(yùn)算單元(FPU)和高精度 PWM，且 Flash增加了一倍(256K×16Bit)，同時(shí)增加了DMA功能，可將ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果直接存入DSP的任一存儲(chǔ)空間。此外，它還增加了CAN通訊模塊、SCI接口和SPI接口。TMS320F28355的主頻最高為150 MHz，同時(shí)具有外部存儲(chǔ)擴(kuò)展接口、看門狗、三個(gè)定時(shí)器、18個(gè)PWM輸出和16通道的12位AD轉(zhuǎn)換器。與前代DSP相比，平均性能提升50%，并與定點(diǎn)C28x控制器軟件兼容，從而簡(jiǎn)化軟件開發(fā)，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。因此，被廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制用電力電子變流器中。

基于TMS320F28335的風(fēng)機(jī)并網(wǎng)變流器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理見圖4。

以TMS320F28335DSP為控制系統(tǒng)核心。硬件電路主要包括主電路、DSP控制板、采樣及過壓過流硬件保護(hù)電路、電源電路、CAN通訊接口電路、IGBT驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路、IO口驅(qū)動(dòng)及反饋電路。在控制上，采用直流電壓外環(huán)和有功、無功電流控制內(nèi)環(huán)，其中電流環(huán)采用了基于電網(wǎng)電壓前饋的交差解耦控制策略，以提高電流控制速度。

圖4 基于DSP28335的并網(wǎng)變流器框圖

程序流程見圖5。

圖5 中斷程序流程圖

除上述中斷流程框圖中表現(xiàn)的程序功能外，在軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程中，還涉及到的有 DSP內(nèi)核初始化、參數(shù)辨識(shí)初始化、電壓及電流環(huán)調(diào)節(jié)器初始化、程序控制標(biāo)志初始、中斷配置、電網(wǎng)狀態(tài)保護(hù)、并網(wǎng)電流保護(hù)、直流過壓保護(hù)(含Chopper動(dòng)作)、變流器硬件繼電器控制及節(jié)點(diǎn)監(jiān)控等。

圖6 LVRT模擬裝置

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)論

這里以TMS320F28335為控制器，設(shè)計(jì)并測(cè)試500 kW并網(wǎng)變流器。電網(wǎng)電壓690 V，直流側(cè)電壓1 100 V左右，額定電流400 A。以無源電抗器短路方式模擬電網(wǎng)短路故障，見圖6。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，斷開K1，合上K2，模擬電網(wǎng)電壓跌落。為了能夠準(zhǔn)確模擬電網(wǎng)不同的跌落深度并保證電網(wǎng)安全，需要合理選擇搭配X1和 X2電抗值[5]。

實(shí)驗(yàn)主要考核并網(wǎng)變流器在電網(wǎng)跌落深度至20%，持續(xù)時(shí)間625 ms情況下的動(dòng)態(tài)無功支持功能。測(cè)試結(jié)果見圖7。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電網(wǎng)跌落發(fā)生瞬間，變流器不僅正常運(yùn)行，且及時(shí)在15 ms左右就以額定容量向電網(wǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)無功支持;在電網(wǎng)恢復(fù)瞬間，變流器及時(shí)降低無功支持電流至零。變流器硬件系統(tǒng)和軟件控制工作及時(shí)可靠，表現(xiàn)出良好的動(dòng)、靜態(tài)特性。

圖7 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)波形

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