張文兵，王萬成

（河海大學 能源與電氣學院，江蘇 南京 211000）

能源是人類社會存在與發(fā)展的物質基礎。過去200多年，建立在煤炭、石油、天然氣等化石燃料基礎上的能源體系極大地推動了人類社會的發(fā)展。然而，人們在物質生活和精神生活不斷提高的同時，也越來越感悟到大規(guī)模使用化石燃料所帶來的嚴重后果，資源日益枯竭，環(huán)境不斷惡化。能源與環(huán)境問題已成為全球可持續(xù)發(fā)展所面臨的主要問題。因此，人類必須尋求一種新的、清潔、安全、可靠的可持續(xù)能源系統(tǒng)。風力發(fā)電以其無污染和可再生性，日益受到世界各國的重視，風能成為保持增長最快的能源。風能資源是清潔的可再生能源，風力發(fā)電是新能源中技術最成熟、最具規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一。世界上很多國家，已經充分認識到風電在調整能源結構、緩解環(huán)境污染等方面的重要性，對風電的開發(fā)給予了高度的重視[1-2]。

風電變流器是將風力發(fā)電機輸出的電壓幅值、頻率變化的電能轉換為恒壓、恒頻的交流電能的裝置，是風力發(fā)電系統(tǒng)中的一個重要部件。因此，研制適用于風電轉換的高可靠性、高效率、控制及供電性能良好的風力發(fā)電變流系統(tǒng)，是風力發(fā)電技術的研究重點，具有重要的意義。風電變流器可以分為兩部分：轉子側模塊和網側模塊。文中著重研究了網側風電變流器的控制系統(tǒng)，以達到2個控制目標：1）保證其良好的輸入特性，即輸入電流的波形接近正弦，諧波含量少，功率因數(shù)接近1，這就為整個系統(tǒng)的功率因數(shù)的控制提供了一個途徑；2）保證直流母線電壓的穩(wěn)定，直流母線電壓的穩(wěn)定是風電變流器正常工作的前提[3-5]。

1 控制系統(tǒng)硬件設計

圖1所示是網側變流器控制板電路結構圖，包括DSP控制板 （DSP芯片是TI公司的TMS320LF2407A，負責A/D采樣、運算控制等功能），信號采集電路，信號放大調節(jié)電路（對霍爾傳感器采集的電壓、電流信號進行放大、偏移處理），IGBT驅動、保護電路（使用光耦隔離將DSP控制板和強電部分隔離起來，降低干擾，并實現(xiàn)IGBT模塊的保護功能）。下面介紹這幾部分的電路實現(xiàn)。

1.1 控制芯片的選擇

文中采用的是面向數(shù)字控制、運動控制的TMS320C2000系列的TMS320LF2407A，它們兼DSP的高運算速度和單片機的強控制能力。TMS320LF2407A芯片集成了16通道10位500 ns的高性能A/D轉換器；CAN2.0模塊等模塊。TMS320LF2407A具有2個事件管理器模塊EVA和EVB事件管理器包括：2個16位通用定時器，8個16位PWM （脈寬調制）通道，可以實現(xiàn)三相反相器控制、PWM的中心或邊緣校正，當外部引腳DPINTX出現(xiàn)低電平時快速關閉PWM通道，防止擊穿故障的可編程的PWM死區(qū)控制，對外部事件進行定時捕捉的3個捕獲單元，片內光電編碼器接口電路，如此功能強大使得TMS320LF2407A大大簡化了外部硬件電路的設計[6-8]。

圖1 網側變流器控制板電路結構圖Fig.1 Circuit diagram of control panel of the grid-side converter

1.2 信號采樣電路設計

根據(jù)圖1，可以看到系統(tǒng)設計中需要采集模擬信號包括了網側電流、網側電壓、直流母線電壓。本設計選用了霍爾元件作為電壓、電流傳感器。選用的霍爾電流傳感器型號為CHB-50A，其工作原理為霍爾磁補償，額定電流為50 A，匝數(shù)比為1：1 000，工作電壓為±5 V，具體電路如圖2所示。

圖2 電壓、電流采樣電路Fig.2 Voltage and current sampling circuit

1.3 信號調節(jié)電路設計

電壓、電流采樣電路輸出的電流信號首先經過一個功率電阻轉換為相應的電壓信號，電壓信號經RC濾波后與一直流電壓給定信號相加后經比例放大，送入DSP的A/D口。與直流電壓給定信號疊加的目的是使輸入的交流信號經過直流偏置后在0～3.3 V之間變化，滿足DSP的A/D口對輸入信號的要求。濾波以及比例放大是為了減小干擾。如圖3所示為電流、電壓信號的調節(jié)電路。

圖3 電壓、電流調節(jié)電路Fig.3 Voltage and current regulation circuit

1.4 電源轉換電路設計

圖4所示為電源轉換電路。本控制板的輸入電壓為僅為±15 V，由于控制系統(tǒng)中的部分芯片需要5 V電源，而且LF2407A芯片的供電電壓只能是3.3 V，因而需要將±15 V電源變換為5 V和3.3 V，作為DSP和外設的電源。因此，使用LM2576S元件作為±15 V/5 V的轉換芯片，使用TPS7333QP元件作為5 V/3.3 V的轉換芯片。LM2576S輸入可為7～40 V，輸出為5 V，輸出最大電流為3 A。TPS7333QP輸入可為3.77～10 V，輸出為3.3 V，輸出最大電流為500 mA。

圖4 電源轉換電路Fig.4 Power conversion circuit

1.5 IGBT驅動電路設計

IGBT驅動電路設計，由DSP輸出的6路3.3 V的PWM信號首先經電平轉換為5 V的PWM信號。之后輸出的信號作為IGBT驅動模塊EXB841的輸入。IGBT驅動電路設計要求：1）動態(tài)驅動能力強，能為IGBT柵極提供具有陡峭前后沿的驅動脈沖。否則IGBT會在開通及斷過程中產生較大的開關損耗。2）能向IGBT提供適當?shù)恼蚝头聪驏艍?。一般?15 V左右的正向柵壓比較恰當，取-5 V反向柵壓讓IGBT能可靠截止。3）具有柵壓限幅電路，保護柵極不被擊穿。IGBT柵極極限電壓一般為±20 V，驅動信號超出此范圍可能破壞柵極。4）當IGBT處于負載短路或過流狀態(tài)時，能在IGBT允許時間內通過逐漸降低柵壓自動抑制故障電流，實現(xiàn)IGBT的軟關斷。驅動電路的軟關斷過程不應隨輸人信號的消失而受到影響。

圖5 IGBT驅動電路Fig.5 IGBT drive circuit

驅動電路中D6起保護作用，避免EXB841的6腳承受過電壓，通過D7檢測是否過電流，接D8的目的是為了改變EXB模塊過流保護起控點，以降低過高的保護閾值從而解決過流保護閾值太高的問題。R19，C10和D11接在+20 V電源上保證穩(wěn)定的電壓。D9和D10避免柵極和射極出現(xiàn)過電壓，R21是防止IGBT誤導通。

2 控制系統(tǒng)軟件的設計

根據(jù)整個裝置所要完成的不同功能，將控制系統(tǒng)軟件劃分為主程序和中斷服務程序。主程序中包括DSP初始化和定時器設置，如圖6（a）所示；中斷程序包括A/D采樣，過流過壓判斷，對采樣數(shù)據(jù)處理和計算，產生PWM波形等，如圖6（b）所示。編程時采用順序結構，使調用子程序方便。

圖6 程序流程圖Fig.6 Program flow chart

3 結束語

本文詳細介紹了基于DSP的網側風電變流器控制板的硬件和軟件結構。經過多次試驗測試表明，該控制板具有很好的穩(wěn)定度，并且很好的達到了控制目標，由該控制板控制的變流器能夠很好的滿足雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的要求。

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