基于DSP的永磁風(fēng)電機(jī)組多電平SPWM控制

張志海+盧秀和

摘 要：基于永磁風(fēng)電機(jī)組容量的增大，功率變換器需要承受更高的電壓等級，多電平技術(shù)的應(yīng)用無疑是很好的解決方案，以中點(diǎn)鉗位型三電平逆變器為基礎(chǔ)，分析了拓?fù)涞墓ぷ髟?，建立了不?guī)則采樣法的數(shù)學(xué)模型，闡述了多電平載波調(diào)制技術(shù)產(chǎn)生SPWM波形的分類，采用數(shù)字法DSP芯片控制產(chǎn)生多路SPWM波形，通過MATLAB和Simulink仿真實(shí)驗，驗證了DSP控制方式的優(yōu)越性，逆變器能承受更高的電壓等級，輸出的正弦波更加標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機(jī)組；逆變器；三電平；DSP；控制方法

中圖分類號：F407.61 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）19-0029-02

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人類社會對清潔能源的需求，風(fēng)力發(fā)電有了很大的發(fā)展，永磁直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是風(fēng)能的一個重要實(shí)現(xiàn)方式，有著單機(jī)容量大，效率高，結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，因為風(fēng)力發(fā)電機(jī)只通過功率變換器和電網(wǎng)連接，所以對逆變器的承受電壓能力要求較高，基于現(xiàn)代可控功率器件的可承受電壓電流能力和開關(guān)頻率的限制，單一的器件不能實(shí)現(xiàn)永磁直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，器件開關(guān)頻率低會導(dǎo)致諧波率增大，增大濾波系統(tǒng)的投資，電網(wǎng)中非線性元素影響正常系統(tǒng)工作；受限于器件制作技術(shù)，器件開關(guān)頻率高會減少器件本身的使用壽命，無形地增加了成本，因此，多電平脈沖調(diào)制技術(shù)可以完美實(shí)現(xiàn)永磁直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，解決了功率器件一系列的問題，是風(fēng)電技術(shù)研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。正弦脈寬調(diào)制（sinusoidal pulse width modulation SPWM）技術(shù)使用成熟，原理簡單，輸出諧波小，有著實(shí)際應(yīng)用價值。基于單片機(jī)，DSP等微處理器的發(fā)展，數(shù)字實(shí)現(xiàn)SPWM控制技術(shù)相當(dāng)成熟，便于實(shí)時控制和實(shí)現(xiàn)。通過MATLAB和Simulink仿真實(shí)驗，驗證了DSP控制方式的優(yōu)越性，逆變器能承受更高的電壓等級，輸出的正弦波更加標(biāo)準(zhǔn)。

1 主電路拓?fù)?/p>

隨著風(fēng)電單機(jī)容量的增大，多電平技術(shù)日益發(fā)展，趨于成熟，按照拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，多電平變流器大致有二極管鉗位型，飛跨電容型，級聯(lián)H橋型和一些派生類型。隨著電平數(shù)的增大，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會變得復(fù)雜，不利于系統(tǒng)的運(yùn)行，實(shí)際應(yīng)用以三電平和五電平居多，中點(diǎn)鉗位三電平拓?fù)潆娐芳夹g(shù)成熟，應(yīng)用最廣，電路如圖1。多電平技術(shù)在同一頻率下，諧波小的多，承受電壓只有原來的一半左右。

2 載波調(diào)制和采樣法

傳統(tǒng)的SPWM波形由比較器比較正弦波和等腰三角波產(chǎn)生，稱為硬件法，與之對應(yīng)的軟件法成本更低，實(shí)時控制更理想。軟件法產(chǎn)生SPWM波形需要實(shí)時計算的程序支持，因此，建立精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型是一個重點(diǎn)。

2.1 載波調(diào)制

載波和調(diào)制波比較產(chǎn)生SPWM波形，即可控器件的開關(guān)信號，多電平需要多個載波，n電平需要（n-1）個載波，根據(jù)每個載波的相對位置可以分為同相層疊（Phase Disposition，PD）；正負(fù)反相層疊式（Phase Opposition Disposition，POD）；交替反向?qū)盈B式（Alternative Phase Opposition Disposition，APOD）。同相層疊含有奇數(shù)次數(shù)的諧波分量，正負(fù)反相層疊只能用于電平數(shù)為偶數(shù)，交替反向?qū)盈B式?jīng)]有載波分量。當(dāng)載波數(shù)頻率是調(diào)制波頻率3的整數(shù)倍時，產(chǎn)生的SPWM波形是對稱的。

2.2 采樣法

載波調(diào)制是如何產(chǎn)生SPWM波形，采樣法是如何用軟件法實(shí)現(xiàn)SPWM波形的數(shù)學(xué)模型，自然采樣法效果最好，但計算最為復(fù)雜，一般不予采用；規(guī)則采樣法是自然采樣法的簡化，大大減少了計算量，但是，采樣效果不理想；不規(guī)則采樣法計算量不大，采樣效果優(yōu)于規(guī)則采樣法，廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際中。圖2中正弦波信號為Umsinωt，ω是正弦波角頻率，三角波峰值為US，三角波周期為TC，t1、t2是采樣時刻，ton1、ton2、toff1、toff2是SPWM波控制功率開關(guān)器件的通斷時間；M是正弦波峰值與三角波峰值的比值，即M=Um/US。

9式中，k取奇數(shù)或偶數(shù)時，分別表示在底點(diǎn)和頂點(diǎn)對稱軸時刻采樣。實(shí)際應(yīng)用都是三相波形，即再添加兩條頻率相同，相位互差120°的調(diào)制波即可。

3 DSP控制

TMS320 F28335具有150MHz的高速處理能力，具備32位浮點(diǎn)處理單元，6個DMA通道支持ADC、MCBSP和EMIF，有多達(dá)18路的PWM輸出，適用于多電平，其中有6路為TI特有的更高精度的PWM輸出（HRPWM），12位16通道ADC。用可編程邏輯器件（GPLD）輔助控制可以實(shí)現(xiàn)多路SPWM波形控制。

基于TMS320LF28335的波形生成思想：利用DSP事件管理器模塊的比較單元、通用定時器、死區(qū)發(fā)生單元和輸出邏輯來生成三相12路SPWM波形。通過設(shè)置定時的周期寄存器，可以產(chǎn)生一定周期的載波信號。在TMS320LF28335中，定時器的計數(shù)模式有四種，可選擇連續(xù)增/減模式。在此計數(shù)模式下，定時器計數(shù)器設(shè)置此循環(huán)：從0開始，遞增至周期寄存器的值，遞減到0。在定時器不斷計數(shù)的同時，比較單元的比較邏輯實(shí)時地比較定時器計數(shù)器的值和比較寄存器的值，當(dāng)兩個值相等時將產(chǎn)生比較匹配信號。PWM電路中的波形發(fā)生器接收到信號，產(chǎn)生PWM脈沖信號，經(jīng)過死區(qū)單元產(chǎn)生可以驅(qū)動同一橋臂的可控器件互補(bǔ)信號。

整個程序由主程序和定時器下溢中斷程序組成。主程序不斷地查詢串口，當(dāng)一旦檢測到有字符，將用戶關(guān)心的變量通過串行通訊接口SCI發(fā)送給PC機(jī)。定時器下溢中斷程序主要完成比較寄存器的計算和賦值，來調(diào)節(jié)輸出PWM波的脈沖寬度，設(shè)置死去時間防止可控器件短路擊穿。

4 仿真

基于MATLAB/Simulink仿真軟件搭建模型，驗證SPWM控制方法，部分仿真參數(shù)如下：直流側(cè)電壓為600V，濾波電感L為2mH，電容C為10μF，負(fù)載為阻性負(fù)載功率為100kW，SPWM信號由Discrete PWM Generator模塊產(chǎn)生，調(diào)制度m為0.8，調(diào)制波頻率為50Hz，載波頻率為20kHz。DSP采用Q15格式，調(diào)制比N為256，采用不規(guī)則采樣法，正弦表初始化為512，采用定時器下溢中斷服務(wù)完成比較寄存器的更新，產(chǎn)生SPWM波形，如圖3所示，輸出電壓波形如圖4所示。

5 結(jié)束語

本文介紹了中點(diǎn)鉗位三電平逆變電路的拓?fù)浜驮?，分析了載波層疊和不規(guī)則采樣法的模型，給出了DSP控制產(chǎn)生SPWM波形的過程，從上面的仿真波形可以得出，可以用DSP數(shù)字控制三電平逆變電路的反相載波調(diào)制和不規(guī)則采樣法，對解決大容量永磁風(fēng)電機(jī)組的逆變器承受電壓和輸出電壓諧波要求高的問題有很大的指導(dǎo)意義。

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