MW级直驱式风电全功率变流器系统设计与实现*

2014-08-08 11:38魏海峰

电机与控制应用 2014年8期

张懿，顾凯，魏海峰

(江苏科技大学电子信息学院，江苏镇江 212003)

0 引言

随着大容量风电机组的快速发展，作为与之的配套设备，大功率变流器已成为今后的发展趋势。2012年，国内陆上主流风电机组单机容量由1.5MW逐步迈向2MW和2.5MW。目前，3MW级风电机组已有小批量生产，紧跟国外技术发展水平开发的5MW和6MW风电机组也已投入运行[1]。

主流变流器有双馈式变流器和全功率变流器两种。虽然双馈型风力变流器应用较早，但是双馈型机组中常用的控制方法依赖于电机本身的参数，需要详尽准确的电机模型，变流器电路存在的非线性也会向电网注入谐波电流。而且双馈型变流器对电网电压和频率的波动比较敏感。在电网跌落和不对称时，需要特殊算法来实现，否则电流冲击和畸变均很严重，也会对电机产生危害。全功率变流器相对于双馈式变流器的优点在于将发电机和电网完全隔离，电机调速范围更宽，从而能实现更大范围的最大功率点跟踪运行。另外，在电网异常和故障状态下，变流器的兼容运行能力更强，比如电网跌落和不对称时，由于电机和电网隔离，还可以运行在对称状态。MW级风电机组以直驱型风电机组为主，由于直驱型风电机组的配套采用，MW级全功率变流器的份额也在加大[2-3]。现在风电装机比重大的国家，全功率变流器已经有取代双馈变流器的趋势。但是变流器的容量的增大，对变流器的控制、电路和结构设计有了更高的要求[4-7]。

本文设计并实现了MW级直驱式风电全功率变流器系统，阐述了全功率变流器的系统结构、硬件拓扑及软件流程，分析了系统的技术特点，并通过试验结果验证了系统设计的有效性。

1 系统结构

所设计全功率变流器采用背靠背双PWM控制方式，系统结构如图1所示。机侧变流器和网侧变流器作为风力发电机组的功率变换单元，通过直流侧连接，其硬件结构基本一致。图1中，与发电机相连的变流器为机侧变流器，其主要作用是调节电机转速进行机组最大风能跟踪的控制，实现永磁同步发电机(Permanet Magnet Synchro-nous Generator， PMSG)单位功率因数输出。与电网相连的变流器为网侧变流器，主要作用是实现有功、无功的解耦，控制直流侧电压的稳定，最终实现输出顺利并网。

该变流器系统还包含了进线电抗器、出线电抗器、制动单元和励磁模块。进线电抗器作用是降低发电机侧的电压尖峰，避免发电机过压，损坏电机。出线电抗器作用在于降低电网侧的低次谐波，满足电网的要求。并联在中间直流环节的制动单元，其作用是在电网发生穿越时保护直流单元正常工作，避免发电机转矩随着电网的波动而振动。在机侧变流器和发电机断路器之间还并联了一个预充电单元，通过预充电单元把直流母线电压冲到额定值，之后网侧变流器起动并与电网同步，这就保证闭合网侧断路器的时候，没有冲击电流，实现软起动。该变流器采用水冷却方式，由水/空气热交换器和闭环冷却回路组成。冗余冷却泵可以自动切换，确保无故障运行，延长零部件使用寿命。在起动与运行中，集成的热交换器旁通阀将冷却水温维持在设计要求范围内。

2 硬件设计

2.1 主电路设计

双PWM型变换电路具有能量双向流动、恒定直流电压控制、低谐波输入电流、功率因数可调等优点，非常适用于风力发电变流电路。本文采用的功率模块并联的方式实现其与风机容量的匹配，该结构设计的优点在于多组模块并联在一起，拥有共同的直流母线，减少了系统的复杂性，容易实现系统集成化，能够大大减小控制系统的体积。两个模块可分开控制，也可共用一个控制电路，由于两个模块的交流输入、直流输出等均相同，只要输入滤波电感的参数相同，就可使两个PWM电路均分负荷[8]。根据变流器容量的要求，主电路采用了两个模块并联的方式，制动单元和励磁模块连接在直流侧，发电机侧和网侧接有电压测量模块。

2.2 控制板电路设计

由于系统已采用双PWM结构，为提高设备的通用性及灵活性，机侧变流器与网侧变流器的DSP控制板电路采用相同的硬件结构。控制板电路主要是对弱电控制信号的处理，可分为DSP芯片电路、电源转换电路、信号采样、调节电路和IGBT驱动、保护电路等部分。

(1) DSP芯片电路。

DSP芯片所需的外围辅助电路包括进一步转换工作电源的电路、逻辑控制信号的处理电路、保护电路、PWM脉冲信号的一级放大电路、时钟/复位电路、以太网及CAN通信电路、DA输出转化电路、JTAG仿真接口和外部扩展RAM电路等[9]。

(2) 信号采样、调节电路。

采样电路将采集的信号转换成0～3V的电压信号，以满足DSP的AD口输入电压的需要。该控制系统需采集的信号有机侧电压、机侧电流、网侧电压、网侧电流和直流母线电压等。采集的强电信号和电流传感器采集输出的电流信号，都需要在采样电路上将其转换成相应的电压信号。而采集信号无论是电流信号或是电压信号经采样调理后，均为交流量，其幅值有正有负，为能满足DSP的A/D口对输入信号的要求，还需进行分压与提升，将采样调理后的-3～3V分压成-1.5～1.5V，再提升至 0～3V。

(3) 电源转换电路。

控制板需要的直流电有±24V、±15V、±5V等。电源转换电路的作用是为整个DSP控制电路提供工作电源。此外，还需要更低的工作电压，将在DSP芯片电路中单独转换。

(4) IGBT驱动、保护电路。

逆变电路主开关元件采用1000A/1700V的IGBT。由于其所需要的瞬时驱动电流很大，且该系统的性能要求相当高，经研究选用2SD315AI-17作为IGBT的驱动器件。该芯片内部集成了短路与过流保护电路、欠压监测电路。芯片的驱动电压为15V，PWM脉冲信号在经过DSP芯片电路的一级放大后，还需进行二级隔离放大。驱动芯片的故障信号可回馈给DSP，故障清除后，通过DSP的复位信号复位。为防止IGBT上下桥臂直通，设置了硬件死区保护[8-9]。

3 软件流程

软件以DSP TMS320F2812为核心实现对变流器运行的控制，包括数据采集、坐标变换、有功功率和无功功率计算、整流和逆变驱动电路的控制、EEPROM读数、电源切换等控制任务。控制系统的软件结构由主程序和3个中断程序组成。主程序在DSP复位后，对变量、调节器参数及各个模块进行初始化，包括系统时钟设定、中断使能、中断向量表的载入、PWM脉冲输出I/O电平设置、A/D转换工作模式及采样通道的设置等，用一些简单的参数修改即可，用于等待中断、响应中断的循环过程。3个中断子程序中，以A/D中断的优先级最高，可保证数据的有效性，提高系统的控制性能。A/D中断程序，主要负责对外部电流、电压等信号的采集。PWM主中断程序是控制系统的核心部分，其中包括A/D采样数据的处理、坐标变换、调节器的实现及其空间矢量算法的实现等关键的控制部分。1ms定时中断子程序的优先级最低，用作管理程序的定时控制。例如：运行状态的控制、故障检测和端子指令的处理等[10，11]。系统主程序流程图、中断子程序流程图分别如图2、图3所示。