1 引言

目前風電技術可分為恒速恒頻控制方式和VSCF控制方式。VSCF風力發電機可提供更高的風能利用效率，故越來越多地用于大功率機組。在此設計了基于TMS320C28346型DSP與FPGA的雙饋式風力發電變流器系統。控制系統平臺采用主頻300 MHz的DSP芯片與FPGA共同控制，大大提高了系統的穩定性以及實時性。控制系統采用矢量控制技術和功率閉環的變速控制策略。最后在自主研發的2 MW雙饋式風電變流器的樣機上進行了實驗和現場試運行，驗證了控制系統的可靠性。

2 控制系統硬件平臺

1．5 MW雙饋式風電變流器硬件平臺采用主頻為150 MHz的TMS320C28335+CPLD方案，但在進行低電壓穿越實驗與強勵磁實驗過程中，發現運算速度無法滿足實驗要求。因此設計了風電、光伏變流器統一的硬件平臺。采用模塊化設計，按照功能劃分為系統核心控制板、開關電源、開入接口板、采樣板、光纖接口板、通訊板、故障錄波板與總線底板，并在機箱中預留插板位置。其中核心控制板采用TMS320C28346型DSP與FPGA芯片共同構成，極大地提升了可靠性與運算速度。控制平臺采用模塊化設計思想，能兼容全功率等級雙饋、直驅變流器與光伏逆變器控制系統，配備多路信號采集通道、信號輸出通道與通訊接口，具備多種PWM輸出和保護方案，采用標準6U機箱結構，控制系統硬件平臺總體方案見圖1。

2 MW雙饋式變流器均采用塔上安裝方式，給故障診斷帶來一定困難。為提高調試與故障診斷速度，采用WIFI通訊與故障錄波相結合的方

案。采用大容量NVSRAM與FLASH芯片相結合，實時性能較高的故障發生時間的變量存儲在掉電不丟失的快速NVSRAM中，實時性相對較低的運行數據存在FLASH芯片中。當變流器出現故障停機時，塔下調試人員可通過電腦或手持設備與控制系統進行WIFI連接，并讀取故障前后120 s內的系統運行數據，以便于故障診斷與分析。現場調試結束后，可通過WIFI模塊將FLASH芯片中的運行數據發送到互聯網上，以供廠商遠程監控，可提高風電場運行效率。

3 DSP與FPGA核心板設計

DSP與FPGA控制板是控制平臺的核心，主要包括傳感器信號調理電路、故障保護電路、通訊電路、存儲電路等。系統結構如圖2所示，FPG A通過數據總線、地址總線、控制I／O分別與ADS8364和DSP芯片連接，實現數據交換。

FPGA設計屬于數字電路硬件設計，運行速度相對較快，故一般將算法比較固定且對系統實時性和速度要求較高的算法模塊加入到FPGA，主要包括：A／D芯片控制、空間矢量脈寬調制（SVPWM）計算、Park與Clarke變換計算、PWM輸出控制、快速保護邏輯控制與開入開出邏輯控制。將需要經常修改的軟件算法放到DSP中實現，主要功能包括數據的存儲與調用、系統運行控制、數據通訊、PI調節器控制、低電壓穿越控制等功能。FPAG通過控制ADS8364采樣得到傳感器數據進入FPGA內部的數據運算單元，根據預置的Clarke與Park變換算法進行運算，得到正序與負序的ud，uq，id，iq，并將計算結果傳送給DSP；DSP調用直流穩壓計算模塊、電流電壓閉環PI模塊、低電壓穿越檢測模塊對FPGA輸入的數據進行計算，并將計算結果通過數據總線傳送給FPGA，FPGA將接收到的計算結果進行Park反變換，并通過SVPWM模塊產生12路PWM波形分別來控制機側變流器和網側變流器IGBT開關器件開通與關斷，進而控制變流器輸出所需的電壓波形。

4 雙PWM變流器的控制

雙PWM型變流器由網側和機側兩個PWM變流器組成，各自功能相對獨立。網側變流器主要功能是實現交流側輸入單位功率因數控制和在各種狀態下保持直流環節電壓穩定，確保機側變流器乃至整個DFIG勵磁系統可靠工作，機側變流器主要功能是在轉子側實現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。兩個變流器通過相對獨立的控制系統完成各自的功能。這里的雙PWM型變流器采用不同的控制策略，其中機側變流器通過DFIG定子磁鏈定向進行控制，網側變流器則通過電網電壓定向進行控制，控制策略結構如圖3所示。

4．1 轉子側變流器控制

轉子側變流器目標是有功功率和無功功率解耦控制，并為發電機轉子側提供勵磁，以實現定子側的恒頻輸出。為實現DFIG的功率解耦控制，列出DFIG有功、無功功率：Ps=udsids+uqsiqs，Qs=uqsids-udsiqs。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：

Ps=-u1iqs，Qs=-u1ids （1）

由上式可知，DFIG輸出有功功率Ps與定子電流的轉矩分量iqs成正比，無功功率Qs與勵磁分量ids成正比。因為Ps和Qs的調節是通過DFIG轉子側電壓型變流器實現的，推導出轉子電壓與iqs，ids之間的關系如下：

udr’，uqr’為實現轉子電壓、電流解耦控制的解耦項；△udr，△uqr為消除轉子電壓、電流交叉耦合的補償項。將轉子電壓分解為解耦項和補償項，既簡化了控制，又能保證控制精度和動態響應的快速性。構建轉子側PWM變流器控制系統見圖4。

在轉子側變流器控制中，通過檢測定子兩相電壓得到定子磁通角，并進行定子磁鏈計算。通過光電編碼器得到轉子速度，積分可得轉子初始位置角度。定子電壓頻率減去轉子轉速頻率可得轉差頻率。在轉速功率雙閉環控制中，根據主控無功給定，計算出d軸電流指令，使定子側運行在指定的功率因數；根據主控的轉矩給定和實際的磁鏈可推導出q軸電流指令，以此來調節電機轉速。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系下，作為SVPWM的輸入值來控制轉子側變流器。

4．2 網側變流器控制

網側變流器控制目標是：保持輸出直流電壓恒定且有良好的動態響應能力；確保交流側輸入電流正弦，功率因數為1。

在網側變流器控制中，由于電網電壓保持不變，所以這里采用基于電網電壓定向矢量控制技術。將三相靜止坐標下的變流器模型轉換到兩相旋轉坐標系下，并將交流側三相電流變換到d，q坐標系下的電流分量id，iq進行解耦控制，得：

udr=-udr’+△udr+us，uqr=-uqr’-△uqr （3）

式中：us為電網電壓；udr，uqr為變流器輸出d，q軸電壓分量。

設計出網側PWM變流器控制模型如圖5所示。整個系統采用雙閉環控制，內環為電流控制環，外環為電壓控制環。電壓外環中，將直流環節實測電壓值與指令值做比較，誤差經過PI調節器調節作為d軸電壓的指令值。電流內環中，將實測電流的q軸分量與指令值做比較，誤差經過PI調節器作為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系下，得到電壓SVPWM的調制信號，以此來控制網側變流器。

5 SVPWM算法的FPGA實現

雙PWM型變流器采用電壓SVPWM方法控制其開關器件的通斷。與SPWM相比，SVPWM具有諧波抑制效果好、響應快速、電壓利用率高、電流波形畸變小、轉矩脈動低等優點，已在電機驅動方面得到了廣泛應用。在此主要闡述FPGA軟件設計中SVPWM算法的實現，如圖6所示。

整個算法采用頂層文件設計方式，使用Verilog HDL語言編寫。通過A／D控制模塊控制ADS8364芯片進行采樣，采樣得到的電壓、電流分別進入Clarke變換模塊和三相鎖相環模塊。DSP通過PI調節器輸出的ud，uq，經過Park變換后得到uα，uβ，并送入SVPWM模塊，進行扇區判斷與矢量作用時間計算。由于調制過程可能出現過調制現象導致輸出電壓波形出現失真，因此加入采用比例縮小算法的過調制模塊，信號經過調制后即可進入比較模塊與三角波進行比較輸出PWM波形，為防止上、下橋臂出現直通，加入死區控制模塊，死區時間由DSP控制；PWM脈沖分配模塊設置了死區時間的PWM輸出與保護信號進行邏輯計算，保證在出現故障及過流時能及時封鎖脈沖，保護逆變器。

6 實驗驗證

2 MW雙饋變流器應用于風力發電系統，交流電網電壓等級為690 V，額定中間直流電壓為1．1 kV，網側變流器額定容量670 kVA，轉子側變流器額定容量960 kVA。圖7示出直流電壓Udr；電網電壓、電流ug，ig；定子電流、電壓is，us實驗波形。

測試了滿載時的電流諧波畸變率（THD），此時發電機轉速1755 r·min-1，系統功率達2 150 kW，轉矩T=11 698 N·m，三相電流中最大的THD=2．94％，小于國標的5％。

圖7a為定子并網后的波形，可見，并網后定子電流正弦度很高，說明該系統具有良好的并網特性，且并網對電網沖擊小；由圖7b可見，發電機轉速為1 200 r·min-1，功率為200 kW，此時發電機處于亞同步運行狀態，可見該系統具有良好的穩態特性；圖7c顯示了變流器在超同步狀態下，即1755 r·min-1時網側輸出感性無功功率，無功電流達到580 A，功率因數為0．949。

7 結論

通過自主研發的2 MW雙饋式變流器控制系統獲得了良好的并網波形以及穩態后的電壓和電流波形，證實了網側和轉子側變流器控制策略的可行性。目前該系統已經完成了整機測試，并在風場進行了試運行，受到一致好評。