徐昕遠(yuǎn)，趙葵銀，向道樸，李世軍

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 廣州天河供電公司，廣州 510000；2.湖南工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湘潭 411104）

0 引言

風(fēng)力發(fā)電對(duì)于緩解當(dāng)前的能源緊張局勢(shì)，為傳統(tǒng)的發(fā)電方式尋找替代能源提供了一種有效途徑.直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)因其維護(hù)成本低、噪聲小、具有較好的低電壓穿越能力而成為風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的主流系統(tǒng)之一［1］.本文以20 kW風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)逆變器為研究對(duì)象，對(duì)逆變器所需信號(hào)檢測(cè)與信號(hào)調(diào)理電路、故障報(bào)警電路進(jìn)行設(shè)計(jì).風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)，采用雙PWM逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示.

圖1 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為了有效濾除并網(wǎng)產(chǎn)生的高次諧波，濾波器采用LCL濾波器（L2設(shè)計(jì)為工頻隔離變壓器的副邊漏感），通過一個(gè)變比為340∶380的工頻隔離變壓器，Δ/Y連接到電網(wǎng).濾波處理后的諧波電流非常小，近似于正弦輸入電流.

網(wǎng)側(cè)逆變器采用電壓型三相PWM逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電壓型PWM逆變器是兩電平拓?fù)?，?jiǎn)單可靠且容易實(shí)現(xiàn).逆變器正常工作時(shí)，直流側(cè)電壓必須保持恒定不變，并網(wǎng)逆變器輸出電壓與電網(wǎng)并網(wǎng)，將受電網(wǎng)電壓的鉗制不可調(diào)節(jié).為了抑制諧波，逆變器處于單位功率因數(shù)逆變.通過對(duì)PWM變流器的四象限運(yùn)行展開討論，可以得知控制網(wǎng)側(cè)電流是實(shí)現(xiàn)PWM變流器電能雙向傳輸?shù)年P(guān)鍵.結(jié)合前饋解耦控制，利用dq坐標(biāo)變換技術(shù)，系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制策略［2］.應(yīng)用MATLAB對(duì)電流閉環(huán)、雙環(huán)穩(wěn)壓、軟件鎖相和并網(wǎng)發(fā)電的仿真研究表明，交流電流內(nèi)環(huán)響應(yīng)時(shí)間短，基本無超調(diào)，跟隨性好.直流電壓外環(huán)的控制使直流側(cè)電壓穩(wěn)定，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間短［3］，系統(tǒng)具有優(yōu)良的并網(wǎng)特性.

1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示.

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，主要包括：逆變器主電路、DSP主控核心、模擬信號(hào)調(diào)理、故障報(bào)警、開入開出信號(hào)控制及IGBT驅(qū)動(dòng)，硬件設(shè)計(jì)的可靠性將影響整個(gè)設(shè)備的安全和穩(wěn)定.

本并網(wǎng)逆變器主要技術(shù)指標(biāo)如下：（1）輸出額定功率：20 kW；（2）直流母線電壓范圍：600～750 V；（3）輸出交流電壓適應(yīng)范圍：380 V（1±10%）；（4）輸出交流額定電流為35 A.

2 信號(hào)檢測(cè)與調(diào)理電路設(shè)計(jì)

信號(hào)檢測(cè)與調(diào)理電路是系統(tǒng)的重要組成部分.依據(jù)實(shí)時(shí)控制和系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求，必須對(duì)逆變器直流側(cè)電壓、交流側(cè)電壓、電流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè).檢測(cè)信號(hào)由傳感器輸出，經(jīng)過前置跟隨、低通濾波、無失真放大、電壓偏置及限幅電路，輸出0～3 V信號(hào)，以滿足DSP的片內(nèi)A/D采樣要求.

對(duì)強(qiáng)電信號(hào)采集，選擇霍爾器件和電壓互感器PT，使強(qiáng)電和檢測(cè)回路完全隔離.本設(shè)計(jì)中：（1）交流側(cè)電流檢測(cè)選用LEM公司LT108-S7霍爾傳感器，輸入電流范圍為-150 A～+150 A，輸出額定電流有效值為50 mA，變比為1∶2000；（2）考慮到電網(wǎng)電壓頻率變化范圍較小，電網(wǎng)側(cè)交流電壓檢測(cè)選用電壓互感器PT380 V/5 V；（3）直流側(cè)母線電壓檢測(cè)選用電壓霍爾傳感器LV25-P/SP2，額定輸出電流為10 mA，輸入電壓范圍為10～1500 V.

2.1 信號(hào)檢測(cè)電路

信號(hào)檢測(cè)電路如圖3所示.逆變器交流側(cè)電流經(jīng)LT108-S7霍爾傳感器M端輸出的最大不報(bào)警電流為31.8 mA，選100 Ω電阻采樣，得M端采樣電壓最大值VM等于3.18 V.信號(hào)檢測(cè)電路由兩級(jí)電路構(gòu)成.第一級(jí)前置電壓跟隨起到緩沖作用；第二級(jí)為二階低通濾波電路，設(shè)置信號(hào)的截止頻率為5 kHz，消除高頻干擾.

二階有源低通濾波器設(shè)計(jì)中：令C＝C1＝C2，R＝R1＝R2，特征角頻率：

低通濾波的通帶電壓增益：

等效品質(zhì)因數(shù)：

依據(jù)幅頻響應(yīng)表達(dá)式：

取Q＝0.707，通帶電壓增益A0＝1.586時(shí)，頻率響應(yīng)較平坦，濾波器上限截止角頻率fH：

本設(shè)計(jì)取：C1＝C2＝20 nF，按照式（1）可以計(jì)算得：R1＝R2＝1.592 kΩ，取R1＝R2＝1.591 kΩ；由A0＝1.586，為了減少運(yùn)放偏置電流的影響，取R4＝3.182 kΩ，依式（2）計(jì)算選取R3＝5.427 kΩ.

信號(hào)檢測(cè)電路的輸入電壓VM、輸出電壓V2波形如圖4所示.圖中示波器測(cè)試值為峰值，輸入與輸出同相位，電壓增益A0＝6.998/4.412＝1.586，符合設(shè)計(jì)要求.

圖4 信號(hào)檢測(cè)電路輸入、輸出電壓波形

信號(hào)檢測(cè)電路的幅頻響應(yīng)曲線如5所示.可以看出，通帶電壓增益A0＝4.006 dB，下降3 dB時(shí)的上限頻率fH＝5 kHz，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，濾波特性平坦.改變輸入信號(hào)VM的頻率為200 Hz，輸入信號(hào)與輸出信號(hào)沒有相位改變，信號(hào)相位失真很小.

圖5 信號(hào)檢測(cè)電路幅頻響應(yīng)曲線

2.2 放大與偏置電路

放大與偏置電路如圖6所示，電路由兩級(jí)放大電路構(gòu)成.第一級(jí)反相比例放大電路，以信號(hào)檢測(cè)電路的輸出信號(hào)V2作為電路輸入，調(diào)節(jié)放大系數(shù)，使第一級(jí)輸出電壓-1.5 V～1.5 V；第二級(jí)偏置電路，抬高1.5 V偏置電壓，輸出為0～3 V，二極管D1、D2構(gòu)成輸出限幅3 V的保護(hù)電路，符合DSP片內(nèi)AD對(duì)采樣電壓的要求.

圖6 放大與偏置電路

圖7為放大與偏置電路的輸入、輸出電壓波形.由圖7可知：輸入信號(hào)V2＝6.931 V～-6.931 V（峰值），調(diào)節(jié)電阻R7，第一級(jí)輸出V3＝-1.5 V～1.5 V，第二級(jí)偏置電路輸出V4＝0～3 V，滿足設(shè)計(jì)要求.

圖7 放大與偏置電路輸入、輸出波形

3 故障報(bào)警電路設(shè)計(jì)

為了保證并網(wǎng)逆變器安全運(yùn)行，保護(hù)電路不可缺少.除驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)部集成了短路和過流保護(hù)功能外，網(wǎng)側(cè)逆變器設(shè)計(jì)了直流母線過壓、交流過流、交流過壓和欠壓、系統(tǒng)過溫保護(hù)報(bào)警電路.

3.1 交流過流故障報(bào)警電路

交流過流故障報(bào)警電路如圖8所示.該電路以信號(hào)檢測(cè)電路圖3的V2為輸入電壓，第一級(jí)為比例放大，通過調(diào)節(jié)R15使輸出電壓V5＝2.8 V，然后通過二極管半波整流濾波，得到V6＝3.7 V的臨界報(bào)警電壓，以3.7 V作為第二級(jí)電壓比較電路的給定電壓.當(dāng)逆變器過流時(shí)，V6高于給定電壓3.7 V時(shí)，V7輸出高電平，通過光耦TLP521-1隔離導(dǎo)通后，輸出低電平信號(hào)la-alarm，送給DSP發(fā)出過流故障報(bào)警信號(hào).

圖8 交流過流故障報(bào)警電路

過流故障報(bào)警電路各級(jí)輸出電壓波形如圖9所示，示波器測(cè)試值為峰值.

圖9 過流故障報(bào)警電路輸出電壓波形

當(dāng)V2＝6.935 V時(shí)，V5＝-3.928 V，臨界報(bào)警電壓V6＝3.573 V直流電壓，取給定電壓3.7 V，滿足設(shè)計(jì)要求.用相同的設(shè)計(jì)方法，可以設(shè)計(jì)直流母線過壓、欠壓檢測(cè)和報(bào)警電路.

3.2 過溫報(bào)警電路

過溫報(bào)警電路是檢測(cè)IGBT溫度是否過溫，一旦超過設(shè)定溫度，向DSP發(fā)出報(bào)警信號(hào)，封鎖IGBT的驅(qū)動(dòng)脈沖，電路如圖10所示.

圖10 過溫報(bào)警電路

J1端子連接溫度繼電器JUC-162F/85-1H-P，正常情況下，J1常開觸頭斷開，光耦不導(dǎo)通，電路輸出高電平；當(dāng)溫度超過85℃時(shí)，J1常開觸頭閉合，使光耦導(dǎo)通，電路輸出低電平，給DSP發(fā)出temp1過溫報(bào)警信號(hào).

3.3 故障保護(hù)程序設(shè)計(jì)

圖11為故障保護(hù)程序流程圖.當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，逆變器將立即封鎖脈沖，同時(shí)斷開主接觸器，并且返回故障類型、提示故障信息.

圖11 故障保護(hù)程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

按照以上設(shè)計(jì)，本文將信號(hào)調(diào)理與故障報(bào)警電路設(shè)計(jì)在同一PCB，研制了信號(hào)調(diào)理板.另外還研制了開入開出電路板、IGBT驅(qū)動(dòng)及適配電路板和逆變器樣機(jī)，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.

按照?qǐng)D1接線，交流側(cè)通過隔離變壓器接對(duì)稱的三相電阻，進(jìn)行電流閉環(huán)實(shí)驗(yàn).通過此實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)電流內(nèi)環(huán)PI參數(shù)，驗(yàn)證電流內(nèi)環(huán)的準(zhǔn)確性和動(dòng)態(tài)特性.開關(guān)頻率8 kHz，母線電容取400 V/1950 μF，濾波電容值Cu為450 V/33 μF，濾波電感L1取1.24 mH.給定交流電流的峰值為5 A，通過測(cè)試流過每相電阻的電流值來驗(yàn)證給定電流跟蹤的正確性.如圖12所示CH3為電阻上的電流波形.電流鉗變比為100 mV∶1 A，因此電流有效值為3.46 A，峰值4.89 A.從波形看，電流閉環(huán)成功.

圖12 電流閉環(huán)實(shí)驗(yàn)波形

5 結(jié)論

本文結(jié)合雙PWM逆變器主電路的實(shí)際工作特點(diǎn)、雙閉環(huán)控制對(duì)硬件的設(shè)計(jì)要求，主要對(duì)20 kW并網(wǎng)逆變器的信號(hào)檢測(cè)與調(diào)理電路、故障報(bào)警電路進(jìn)行了設(shè)計(jì).合理選擇了電路結(jié)構(gòu)和各元器件參數(shù)，選擇二階低通濾波、光耦隔離、放大、整流和限幅電路的設(shè)計(jì)方案，達(dá)到了處理速度快、精度高、抗干擾能力強(qiáng)的設(shè)計(jì)要求，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性.