基于DSP與FPGA的雙饋式風電變流器控制系統(tǒng)

摘要：針對雙饋式變速恒頻(VSCF)風電機組的控制方式進行了研究，并以2 MW VSCF風電機組為模型，設(shè)計了基于FMS320C28346型DSP與現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的雙饋風力發(fā)電變流器系統(tǒng)，控制系統(tǒng)硬件平臺采用標準6U機箱，具有高可靠性與抗干擾性。該系統(tǒng)將矢量控制技術(shù)應用于發(fā)電機控制，并對網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器采用雙閉環(huán)控制策略。最后在自主研發(fā)的2 MW雙饋式變流器樣機上進行了大量實驗和長期的現(xiàn)場試運行，驗證了控制方法的可行性與實用性。
關(guān)鍵詞：變流器；變速恒頻；雙饋

1 引言
目前風電技術(shù)可分為恒速恒頻控制方式和VSCF控制方式。VSCF風力發(fā)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(shè)計了基于TMS320C28346型DSP與FPGA的雙饋式風力發(fā)電變流器系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)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(tǒng)的穩(wěn)定性以及實時性?？刂葡到y(tǒng)采用矢量控制技術(shù)和功率閉環(huán)的變速控制策略。最后在自主研發(fā)的2 MW雙饋式風電變流器的樣機上進行了實驗和現(xiàn)場試運行，驗證了控制系統(tǒng)的可靠性。

2 控制系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)運算速度無法滿足實驗要求。因此設(shè)計了風電、光伏變流器統(tǒng)一的硬件平臺。采用模塊化設(shè)計，按照功能劃分為系統(tǒng)核心控制板、開關(guān)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(gòu)成，極大地提升了可靠性與運算速度?？刂破脚_采用模塊化設(shè)計思想，能兼容全功率等級雙饋、直驅(qū)變流器與光伏逆變器控制系統(tǒng)，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(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)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(diào)試與故障診斷速度，采用WIFI通訊與故障錄波相結(jié)合的方
案。采用大容量NVSRAM與FLASH芯片相結(jié)合，實時性能較高的故障發(fā)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(shù)據(jù)存在FLASH芯片中。當變流器出現(xiàn)故障停機時，塔下調(diào)試人員可通過電腦或手持設(shè)備與控制系統(tǒng)進行WIFI連接，并讀取故障前后120 s內(nèi)的系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，以便于故障診斷與分析?，F(xiàn)場調(diào)試結(jié)束后，可通過WIFI模塊將FLASH芯片中的運行數(shù)據(jù)發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)上，以供廠商遠程監(jiān)控，可提高風電場運行效率。

3 DSP與FPGA核心板設(shè)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(diào)理電路、故障保護電路、通訊電路、存儲電路等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，F(xiàn)PG A通過數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制I／O分別與ADS8364和DSP芯片連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

FPGA設(shè)計屬于數(shù)字電路硬件設(shè)計，運行速度相對較快，故一般將算法比較固定且對系統(tǒng)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(diào)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(jīng)常修改的軟件算法放到DSP中實現(xiàn)，主要功能包括數(shù)據(jù)的存儲與調(diào)用、系統(tǒng)運行控制、數(shù)據(jù)通訊、PI調(diào)節(jié)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(shù)據(jù)進入FPGA內(nèi)部的數(shù)據(jù)運算單元，根據(jù)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(jié)果傳送給DSP；DSP調(diào)用直流穩(wěn)壓計算模塊、電流電壓閉環(huán)PI模塊、低電壓穿越檢測模塊對FPGA輸入的數(shù)據(jù)進行計算，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)果進行Park反變換，并通過SVPWM模塊產(chǎn)生12路PWM波形分別來控制機側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器IGBT開關(guān)器件開通與關(guān)斷，進而控制變流器輸出所需的電壓波形。