，，

（國電南京自動化股份有限公司，江蘇南京 210032）

1 引言

隨著分布式能源設(shè)備接入電網(wǎng)的數(shù)量不斷增加，為了保護(hù)電網(wǎng)的安全，電網(wǎng)公司對并網(wǎng)逆變器提出了新的要求，例如要求逆變器具備低電壓穿越功能、不對稱運行功能、無功調(diào)節(jié)等［1］。傳統(tǒng)的單DSP控制平臺，存在運算速度相對較慢、動態(tài)響應(yīng)不及時的缺點，不能夠滿足越來越復(fù)雜的控制算法需求。本文設(shè)計了基于DSP與FPGA的變流器控制系統(tǒng)平臺，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與實時性［2］?？刂葡到y(tǒng)采用矢量控制技術(shù)方法和功率閉環(huán)的變速控制策略。為了應(yīng)對風(fēng)電場故障診斷的惡劣環(huán)境，采用了基于WIFI模塊的故障信息傳輸系統(tǒng)。

2 控制系統(tǒng)硬件平臺

為了統(tǒng)一公司變流器硬件平臺方案，并解決低電壓穿越試驗過程中出現(xiàn)的運算速度無法滿足試驗要求等問題，針對光伏并網(wǎng)逆變器、雙饋風(fēng)電變流器與直驅(qū)型風(fēng)電變流器設(shè)計了統(tǒng)一的硬件平臺。控制系統(tǒng)硬件平臺采用模塊化設(shè)計，配置的板件包括：底板、CPU板、模擬量板、開關(guān)量板、接口擴(kuò)展板、2塊光纖板、電源板，通訊板與故障錄波板，并留有3塊可擴(kuò)展板?？刂葡到y(tǒng)硬件平臺總體方案如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)硬件平臺總體方案Fig.1 The overall configuration of control system hardware platform

2.1 故障錄波與傳輸模塊設(shè)計

針對風(fēng)電變流器與光伏逆變器的安裝環(huán)境，不利于現(xiàn)場調(diào)試人員進(jìn)行故障診斷，設(shè)計了帶WIFI模塊的故障信息傳輸系統(tǒng)，通過無線的方式將變流器的故障信息傳輸?shù)浆F(xiàn)場維護(hù)人員的接收單元中，進(jìn)行故障分析，免去維護(hù)人員到設(shè)備安裝地讀取故障數(shù)據(jù)，方便了現(xiàn)場人員對變流器的維護(hù)［3］。其設(shè)計方案如圖2所示。

圖2 故障錄波與傳輸模塊設(shè)計方案Fig.2 Fault recording and communication module design

故障錄波與傳輸模塊包括故障信息處理單元、WIFI通信單元和故障信息采集終端單元。故障信息處理單元定時將變流器運行時的長期正常參數(shù)，包括運行過程中的電網(wǎng)電壓、電流，輸出電壓、電流，以及控制過程中的中間變量，循環(huán)記錄到第一緩存隊列的各個數(shù)據(jù)存儲單元，并當(dāng)變流器出現(xiàn)故障時，在等待一段時間后將當(dāng)前故障標(biāo)識以及第一緩存隊列中數(shù)據(jù)記錄到故障信息緩存隊列，并寫入故障信息存儲單元——非易失性隨機(jī)訪問存儲器（NVRAM）；發(fā)送單元通過調(diào)用特定的命令代碼將讀取出來的故障數(shù)據(jù)通過SPI接口向WIFI模塊發(fā)送，WIFI模塊接收到故障信息后，進(jìn)行打包處理，然后通過無線以點對點方式發(fā)送給接收單元，接收單元再對故障信息進(jìn)行解包讀取。變流器無故障時可以通過I/O接口將WIFI模塊設(shè)置成“休眠”模式，只有在變流器故障時才將模塊“喚醒”，整個系統(tǒng)的功耗很低。

2.2 DSP-FPGA核心板設(shè)計

核心板主要核心器件為TI公司的TMS320C28346 DSP和XILINX公司的SPARTANⅢ（XC3SD1800A-CS484A4）FPGA。在主機(jī)板上完成AD采樣、開入、開出處理、邏輯處理、232/485通訊、CANOPEN通訊、總線驅(qū)動、軟硬件看門狗、日歷時鐘、E2PROM等功能。FPGA通過數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制IO分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7606和DSP芯片連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 DSP+FPGA控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 DSP+FPGA control system structure

利用FPGA的時序嚴(yán)格、速度快、可編程性好等特點，一般將功能比較固定且對系統(tǒng)實時性和速度要求比較高的功能加入到FPGA［4］，主要包括：AD芯片控制、兩電平SVPWM計算/三電平SVPWM計算、PARK與CLARKE變換計算、電網(wǎng)電壓正負(fù)序解耦、PWM輸出邏輯控制、快速保護(hù)邏輯控制與開入開出邏輯控制。DSP具有大數(shù)據(jù)處理能力和高運算速度，主要功能完成系統(tǒng)運行控制、網(wǎng)絡(luò)通訊、PI調(diào)節(jié)器控制、低電壓穿越控制等功能。

FPGA通過控制AD7606采樣得到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)入FPGA內(nèi)部的數(shù)據(jù)運算單元，根據(jù)預(yù)置的CLARKE與PARK變換算法進(jìn)行運算，得到正序與負(fù)序的Ud，Uq，Id，Iq，并將計算結(jié)果傳送給DSP；DSP調(diào)用直流電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器、電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器、最大功率點跟蹤模塊、低電壓穿越檢測模塊對FPGA輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，并將計算結(jié)果通過數(shù)據(jù)總線傳送給FPGA，F(xiàn)PGA將接收到的計算結(jié)果進(jìn)行PARK反變換，并通過SVPWM模塊與PWM邏輯控制模塊產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波對IGBT開關(guān)器件開通與關(guān)斷進(jìn)行控制。

3 雙PWM變流器的控制

光伏逆變器為單PWM控制器，雙饋變流器、直驅(qū)變流器中均采用了背靠背雙PWM控制器。因此采用雙PWM控制器作為設(shè)計對象，風(fēng)電雙PWM型變流器由網(wǎng)側(cè)和機(jī)側(cè)2個PWM變流器組成，各自功能相對獨立。網(wǎng)側(cè)變流器的主要功能是實現(xiàn)交流側(cè)輸入單位功率因數(shù)控制和保持直流環(huán)節(jié)電壓穩(wěn)定。機(jī)側(cè)變流器的主要功能是在轉(zhuǎn)子側(cè)實現(xiàn)DFIG的矢量變換控制，確保DFIG輸出解耦的有功功率和無功功率。2個變流器通過相對獨立的控制系統(tǒng)完成各自的功能。本文中的雙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DFIG定子磁鏈定向進(jìn)行控制，網(wǎng)側(cè)變流器則是通過電網(wǎng)電壓定向進(jìn)行控制。

3.1 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制

轉(zhuǎn)子側(cè)變流器目標(biāo)是有功功率和無功功率的解耦控制，并為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)提供勵磁，以實現(xiàn)定子側(cè)的恒頻輸出。為實現(xiàn)DFIG的功率解耦控制，列出DFIG的有功、無功功率［5］：

采用基于定子磁場定向的矢量控制策略并忽略工頻下的DFIG定子電阻，可簡化為

由式（2）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、無功功率Qs與勵磁分量ids成正比。因為Ps和Qs的調(diào)節(jié)是通過DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)電壓型變換器實現(xiàn)的，推導(dǎo)出轉(zhuǎn)子電壓和iqs，ids之間的關(guān)系如下：

其中

將轉(zhuǎn)子電壓分解為解耦項和補(bǔ)償項，既簡化了控制，又能保證控制的精度和動態(tài)響應(yīng)的快速性。構(gòu)建轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器控制系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器控制策略Fig.4 Control strategy of rotor side converter

在轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制中，通過檢測定子兩相電壓得到定子磁通角，并進(jìn)行定子磁鏈計算。通過光電編碼器得到轉(zhuǎn)子速度，積分可得轉(zhuǎn)子的初始位置角度。定子電壓的頻率減去轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速頻率可得到轉(zhuǎn)差頻率。在轉(zhuǎn)速功率雙閉環(huán)控制中，根據(jù)主控的無功給定，計算出d軸電流指令，使定子側(cè)運行在指定的功率因數(shù)；根據(jù)主控的轉(zhuǎn)矩給定和實際的磁鏈可推導(dǎo)出q軸電流指令，以此來調(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反變換到兩相靜止坐標(biāo)系下，作為SVPWM的輸入值來控制轉(zhuǎn)子側(cè)變流器。

3.2 網(wǎng)側(cè)變流器的控制

網(wǎng)側(cè)變流器的控制目標(biāo)是：保持輸出直流電壓恒定且有良好的動態(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)變流器的控制中，由于電網(wǎng)電壓保持不變，所以我們采用基于電網(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dq坐標(biāo)系下的電流分量id，iq進(jìn)行解耦控制得：

式中：id，iq分別為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下d，q軸電流分量；us為電網(wǎng)電壓分別為d，q軸電壓分量解耦項；Δudr，Δuqr分別為d，q軸電壓耦合補(bǔ)償項；udr，uqr分別為變流器輸出d，q軸電壓分量。由此，設(shè)計出網(wǎng)側(cè)PWM變流器控制模型見圖5。

圖5 網(wǎng)側(cè)變換器控制策略Fig.5 Control strategy of grid side converter

整個系統(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)［7］。電壓外環(huán)中，將直流環(huán)節(jié)實測電壓值和指令值做比較，誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)作為d軸電壓的指令值。電流內(nèi)環(huán)中，將實測電流的q軸分量和指令值做比較，誤差經(jīng)過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SVPWM的調(diào)制信號，以此來控制網(wǎng)側(cè)變流器。

4 兩電平/三電平SVPWM的FPGA實現(xiàn)

光伏逆變器與風(fēng)電變流器均采用了SVPWM調(diào)制，與SPWM相比SVPWM具有諧波抑制效果好、電壓利用率高等優(yōu)點。光伏逆變器為三電平拓?fù)洌L(fēng)電變流器為兩電平拓?fù)?，因此在通用平臺中，采用FPGA實現(xiàn)了兩電平與三電平兩種拓?fù)涞腟VPWM調(diào)制模塊［8］。

整個算法采用頂層文件設(shè)計方式，使用VHDL語言編寫。通過AD控制模塊控制AD7606芯片進(jìn)行采樣，采樣得到的電壓、電流分別進(jìn)入CALARK變換模塊和三相鎖相環(huán)模塊。DSP通過PI調(diào)節(jié)器輸出的Ud，Uq，經(jīng)過PARK變換后得到Uα，Uβ，并送入SVPWM模塊調(diào)制。SVPWM控制計算模塊分為兩電平SVPWM計算模塊與三電平SVPWM計算模塊。

兩電平SVPWM計算模塊根據(jù)Uα，Uβ進(jìn)行扇區(qū)判斷，并在對應(yīng)的扇區(qū)下計算矢量作用時間，進(jìn)行標(biāo)幺化處理后進(jìn)入比較模塊與三角波進(jìn)行比較輸出PWM波形；并加入過調(diào)制處理，為防止上、下橋臂出現(xiàn)直通，加入死區(qū)控制模塊，死區(qū)時間由DSP控制；PWM脈沖分配模塊將設(shè)置了死區(qū)時間的PWM輸出與保護(hù)信號進(jìn)行邏輯計算，保證在出現(xiàn)故障及過流時能及時的封鎖脈沖。兩電平SVPWM FPGA算法結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 兩電平SVPWM FPGA算法結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Two-level SVPWM algorithm flow-chart of FPGA

三電平SVPWM計算模塊根據(jù)Uα，Uβ進(jìn)行大扇區(qū)判斷（1～6）［9］；并將每個大扇區(qū)中的Uα，Uβ歸一化到大扇區(qū)1，并進(jìn)行小扇區(qū)判斷（1～6）；采用7段式PWM產(chǎn)生方式，以N型小矢量為起始矢量，每個PWM周期中使P型小矢量和N型小矢量的作用時間相等，以此確定矢量作用順序與3種矢量的作用時間；矢量作用時間經(jīng)過標(biāo)幺化處理后進(jìn)入比較器單元；為防止互補(bǔ)上、下管出現(xiàn)直通，加入死區(qū)控制模塊死區(qū)與最小脈沖處理模塊，死區(qū)時間由DSP控制。三電平SVPWMFPGA算法結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 三電平SVPWM FPGA算法結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Three-level SVPWM algorithm flow-chart of FPGA

5 實驗驗證

基于DSP與FPGA的變流器控制平臺目前應(yīng)用于1.5 MW雙饋風(fēng)電變流器、2 MW雙饋風(fēng)電變流器與三電平光伏逆變器3種機(jī)型。以2MW雙饋變流器為參考模型，交流電網(wǎng)電壓等級為AC 690 V，額定中間直流電壓為1 100 V，網(wǎng)側(cè)變流器額定容量670 kV·A，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器額定容量960 kV·A。

圖8為定子并網(wǎng)后的波形，定子電壓和電網(wǎng)電壓完全吻合，并網(wǎng)后定子電流正弦波程度很高，說明該系統(tǒng)具有良好的并網(wǎng)特性，且并網(wǎng)對電網(wǎng)的沖擊小。

圖8 并網(wǎng)時定子電壓電流波形Fig.8 Stator′s voltage and current waveforms when converter is grid-connected

圖9顯示變流器在超同步狀態(tài)下，即1755r/min時網(wǎng)側(cè)輸出感性無功，無功電流達(dá)到580 A，功率因數(shù)為0.949。

圖9 網(wǎng)側(cè)發(fā)給定無功功率波形Fig.9 Generated reactive power waveforms of gird-side converter

以1.5 MW雙饋變流器為參考模型，交流電網(wǎng)電壓等級為AC 690 V，額定中間直流電壓為1 100 V，網(wǎng)側(cè)變流器額定容量400 kV·A，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器額定容量700 kV·A。

圖10中，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，轉(zhuǎn)矩為8 000 N·m，此時發(fā)電機(jī)處于亞同步運行狀態(tài)，此時定子電壓超前定子電流120°。由圖10可以看出該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)特性。

以三電平光伏逆變器為參考模型，交流電網(wǎng)電壓等級為AC 380 V，設(shè)計容量為20 kV·A，滿載MPPT范圍：350～800 V。圖11顯示了逆變器輸出的AC相線電壓波形。

圖10 亞同步運行時各參數(shù)波形Fig.10 Waveforms when DFIG is under-synchronous

圖11 逆變器輸出三電平AC相線電壓波形Fig.11 Three-level inverter output phase AC line voltage waveform

6 結(jié)論

基于DSP與FPGA控制平臺已經(jīng)在1.5 MW，2 MW雙饋式變流器與光伏逆變器中進(jìn)行了長時間試驗驗證，其中1.5 MW機(jī)型已經(jīng)在華電國際寧夏寧東3期風(fēng)電場現(xiàn)場運行一年半時間，綜合風(fēng)能利用率達(dá)到了99%；2 MW機(jī)型已經(jīng)在中船重工（重慶）海裝風(fēng)電設(shè)備有限公司完成了整機(jī)測試，并在遼寧鐵嶺風(fēng)場進(jìn)行了試運行；光伏逆變器已經(jīng)進(jìn)入并網(wǎng)測試階段；長期試驗結(jié)果表明了該系統(tǒng)控制平臺具有高可靠性與穩(wěn)定性。

［1］何向濤，胡書舉，趙斌.風(fēng)電系統(tǒng)中幾種電網(wǎng)電壓跌落檢測方法的比較研究［J］.電氣傳動，2010，40（7）：12-17.

［2］郭偉峰，楊世彥，楊威.基于FPGA-DSP全數(shù)字控制的并聯(lián)有源電力濾波器［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2007，22（5）：38-44.

［3］南京國電南自風(fēng)電自動化技術(shù)有限公司.一種帶WIFI模塊的風(fēng)電故障信息傳輸系統(tǒng)：中國，實用新型，CN 201220621867.5［P］.2013.

［4］王鑫，王俊林.基于FPGA的風(fēng)電機(jī)組輸入輸出控制器［J］.太陽能，2012，（19）：27-31.

［5］張厚升，趙艷雷.基于矢量解耦控制的風(fēng)電并網(wǎng)逆變器研究［J］.電氣傳動，2010，40（9）：28-32.

［6］駱皓，林明耀，胡炫.基于開關(guān)頻率函數(shù)的雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁I-PI雙電流環(huán)參數(shù)整定［J］.電力自動化設(shè)備，2010，30（4）：59-62.

［7］劉其輝.變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運行與控制研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2005.

［8］南京國電南自風(fēng)電自動化技術(shù)有限公司.基于DSP與FPGA的三電平逆變器控制系統(tǒng)：中國.實用新型，CN201220622155.5［P］.2013.

［9］戴鵬，李俊杰，朱洪順.基于DSP與FPGA的5電平逆變器研究［J］.電氣傳動，2012，42（10）：29-33.