基于TMS320F28335的风机并网变流器低电压穿越实现方法

余勇，吴玉杨，洪婷婷

(阳光电源股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引言

大功率变速恒频并网风力发电技术，是目前国内技术最成熟、最大规模开发利用和商业化发展前景的新能源发电方式之一。由于电压型PWM并网变流器具有能量双向流动、直流电压稳定和实现无功补偿等功能，故其成为是风电机组的关键部件，不论是在双馈风电机组中还是在全功率风电机组中，都得了广泛应用[1－3]。

随着风电装机容量在系统中所占比例不断增加，风电机组，尤其是风电机组并网变流器的低电压穿越能力(LVRT)将对系统的稳定性产生显著影响。因此，对于并网变流器而言，不仅需要在电网发生跌落瞬间保持并网运行，还要求能够及时向电网输出足够容量的无功电流，以支持电网恢复;而在电网恢复瞬间，则要求及时撤销无功电流支持，以保障电网系统的安全。因此，并网变流器应具备快速的并网电流控制能力，这点不论是对双馈风机变流器还是全功率风机变流器的低电压穿越过程的顺利实现，都至关重要。只不过在双馈风机变流器中，电网正常时，部分有功功率经变流器并网;而在低电压穿越时，因容量限制，变流器仅承担了部分的动态无功补偿功能。

1 并网变流器数学模型及控制方法

图1中，Vdc为 VSR直流侧电压;idc为 VSR直流侧电流;ek，ik，vk(k=a，b，c)分别为三相电网电动势，三相交流输入电流和三相交流电压;il为VSR负载电流。

图1 电压型PWM并网变流器

定义开关函数Sk，当IGBT导通时，Sk=1，关断时，Sk=0。根据基尔霍夫定律，可得VSR在三相静止坐标系下的数学模型方程:

式中:

该三相静止对称坐标系中的VSR数学模型，具有物理意义清晰、理解直观简便等特点，较好地变现了三相 VSR在交流侧、直流侧都可以分别等效为与开关函数Sk相关的受控电压源特性及受控电流源特性[4]。但是，这种数学模型中，VSR交流侧均为时变交流量，不利于系统的实现快速准确的跟踪控制。因此，可以将上述静止坐标系数学模型，转化到与电网基波频率同步旋转的(d、q)坐标系中，数学模型方程:

经坐标旋转后，三相对称静止坐标系中的基波正弦变量转化为同步旋转坐标系中的直流分量，从而简化了控制系统设计，不仅实现了对三相交流系统的无静差快速跟踪，也为变量间的解耦控制提供了可能。

对于并网变流器而言，控制系统的设计一般采用双环控制，即直流侧电压外环和电流内环。直流侧电压环的控制在于为机侧变流器的控制提供稳定的电压支撑，并实现有功功率在电网与风力发电机组间的双向流动;而电流内环的作用在于跟踪电压外环的有功电流指令，并可依据风机主控及电网实际情况，实现风电机组的功率因数调节或动态无功支持。因此可以看出，三相VSR的控制目标首要的是实现并网电流，即实现VSR网侧电流ik，的准确快速控制。采用前馈解耦控制策略，当电流调节器采用PI调节器是，则vd、vq的控制方程如下:

式 中 KiP、KiI——电流内环比例和积分调节增益;——并网电流 iq、id电流指令。

前馈解耦电流控制框图见图2。

图2 前馈解耦电流控制环

在 dq坐标系中q轴与电网电动势矢量e重合，则电网电动势d轴分量ed=0。

2 低电压穿越过程

在最新的国网标准中，对于兆瓦级以上风电机组低电压穿越(LVRT)的技术要求，改变了传统的一旦出现电网跌落故障风电机组就可以离网，将风电机组变流器等同于普通的有源用电设备，对变流器进行保护的思想，而是要求在一定的电压跌落深度和时间内，风电机组依然能够继续并网，并尽可能地向电网提供无功电流，以支持电网恢复。在并网变流器和电网电压跌落深度之间有着严格的比例关系限定，乃至在深度跌落情况下，并网变流器全部的额定容量都可能被用来实现无功支持功能。

一般而言，在电网发生跌落时刻起，2个电网周期左右，风电机组并网变流器就能够发出足够的无功电流，实现了动态无功支持功能。

在低电压期间，特别是跌落到50%以下的深度跌落阶段，由于网侧变流器全部的电流容量被用于完成电网动态无功支持，而有功电流控制，或者直流侧电压的控制就被放在了次要的位置。这时或限制风电机组有功功率输出，或通过直流侧chopper卸荷电路来维持直流侧电压在安全范围内。

电网恢复后，网侧变流器一方面应迅速撤销动态无功补偿功能，以免出现电网恢复阶段的过压，另一方面应按照规定斜率恢复有功出力。

总的来说，依据电网状态，准确迅速地控制并网电流的有功及无功电流，是网侧变流器LVRT的主要工作内容。在电网电压跌落或恢复的瞬态过程中，并不总是要求网侧变流器的电流始终处于可控状态，允许出现短时的 IGBT闭锁，但时间应被严格限制。

因此，对于并网变流器而言，除了在硬件上进行针对性地设计，如可能需加装直流侧Chopper卸荷电路外，在软件上主要的工作包括:电网电压状态辨识，并网电流特别是无功电流控制以及运行状态间的切换。状态切换过程如图3所示。

图3 风机变流器LVRT运行状态

3 风机并网变流器实现

TMS320F28335数字信号处理器是TI公司推出的32位浮点DSP控制器。与以往定点DSP相比，TMS320F28335增加了单精度浮点运算单元(FPU)和高精度 PWM，且 Flash增加了一倍(256K×16Bit)，同時增加了DMA功能，可将ADC转换结果直接存入DSP的任一存储空间。此外，它还增加了CAN通讯模块、SCI接口和SPI接口。TMS320F28355的主频最高为150 MHz，同时具有外部存储扩展接口、看门狗、三个定时器、18个PWM输出和16通道的12位AD转换器。与前代DSP相比，平均性能提升50%，并与定点C28x控制器软件兼容，从而简化软件开发，缩短开发周期，降低开发成本。因此，被广泛应用于电机控制用电力电子变流器中。

基于TMS320F28335的风机并网变流器控制系统设计原理见图4。

以TMS320F28335DSP为控制系统核心。硬件电路主要包括主电路、DSP控制板、采样及过压过流硬件保护电路、电源电路、CAN通讯接口电路、IGBT驱动及保护电路、IO口驱动及反馈电路。在控制上，采用直流电压外环和有功、无功电流控制内环，其中电流环采用了基于电网电压前馈的交差解耦控制策略，以提高电流控制速度。

图4 基于DSP28335的并网变流器框图

程序流程见图5。

图5 中断程序流程图

除上述中断流程框图中表现的程序功能外，在软件系统的实现过程中，还涉及到的有 DSP内核初始化、参数辨识初始化、电压及电流环调节器初始化、程序控制标志初始、中断配置、电网状态保护、并网电流保护、直流过压保护(含Chopper动作)、变流器硬件继电器控制及节点监控等。

图6 LVRT模拟装置

4 实验验证及结论

这里以TMS320F28335为控制器，设计并测试500 kW并网变流器。电网电压690 V，直流侧电压1 100 V左右，额定电流400 A。以无源电抗器短路方式模拟电网短路故障，见图6。实验开始时，断开K1，合上K2，模拟电网电压跌落。为了能够准确模拟电网不同的跌落深度并保证电网安全，需要合理选择搭配X1和 X2电抗值[5]。

实验主要考核并网变流器在电网跌落深度至20%，持续时间625 ms情况下的动态无功支持功能。测试结果见图7。

实验结果表明，电网跌落发生瞬间，变流器不仅正常运行，且及时在15 ms左右就以额定容量向电网进行动态无功支持;在电网恢复瞬间，变流器及时降低无功支持电流至零。变流器硬件系统和软件控制工作及时可靠，表现出良好的动、静态特性。

图7 动态无功补偿实验波形

[1]Muller S，Deicke M，Doncker R W.oubly Fed Induction Generator Systems for Wind Turbines[J].IEEE Industry Application Magazine，2002，8(3):26 －33.

[2]刘其辉，贺益康，张建华.交流励磁变速恒频风力发电机并网控制策略[J].电力系统自动化，2006，30(3):51 －70.

[3]凌禹，张同庄，邱雪峰.直驱式风力发电系统最大风能追踪策略研究[J].电力电子技术，2007，41(7):1 －5.

[4]张兴.PWM整流器及其控制策略的研究[D].合肥:合肥工业大学，2003.

[5]赵洪，曾嵘，年珩.用于低电压穿越测试的电压跌落发生器研究[J].电力电子技术，2011，45(1):27－29.