基于DSP與FPGA的雙饋式風(fēng)電變流器控制系統

摘要：針對雙饋式變速恒頻(VSCF)風(fēng)電機組的控制方式進(jìn)行了研究，并以2 MW VSCF風(fēng)電機組為模型，設計了基于FMS320C28346型DSP與現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)的雙饋風(fēng)力發(fā)電變流器系統，控制系統硬件平臺采用標準6U機箱，具有高可靠性與抗干擾性。該系統將矢量控制技術(shù)應用于發(fā)電機控制，并對網(wǎng)側和轉子側變流器采用雙閉環(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(jìn)行了大量實(shí)驗和長(cháng)期的現場(chǎng)試運行，驗證了控制方法的可行性與實(shí)用性。
關(guān)鍵詞：變流器；變速恒頻；雙饋

1 引言
目前風(fēng)電技術(shù)可分為恒速恒頻控制方式和VSCF控制方式。VSCF風(fēng)力發(fā)電機可提供更高的風(fēng)能利用效率，故越來(lái)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(fēng)力發(fā)電變流器系統?？刂葡到y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(shí)時(shí)性?？刂葡到y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(fēng)電變流器的樣機上進(jìn)行了實(shí)驗和現場(chǎng)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(fēng)電變流器硬件平臺采用主頻為150 MHz的TMS320C28335+CPLD方案，但在進(jìn)行低電壓穿越實(shí)驗與強勵磁實(shí)驗過(guò)程中，發(fā)現運算速度無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)驗要求。因此設計了風(fēng)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(kāi)關(guān)電源、開(kāi)入接口板、采樣板、光纖接口板、通訊板、故障錄波板與總線(xiàn)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?？刂破脚_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(jiàn)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(lái)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(shí)時(shí)性能較高的故障發(fā)生時(shí)間的變量存儲在掉電不丟失的快速NVSRAM中，實(shí)時(shí)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(shí)，塔下調試人員可通過(guò)電腦或手持設備與控制系統進(jìn)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?，F場(chǎng)調試結束后，可通過(guò)WIFI模塊將FLASH芯片中的運行數據發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)上，以供廠(chǎng)商遠程監控，可提高風(fēng)電場(chǎng)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(guò)數據總線(xiàn)、地址總線(xiàn)、控制I／O分別與ADS8364和DSP芯片連接，實(shí)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(shí)時(shí)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(kāi)入開(kāi)出邏輯控制。將需要經(jīng)常修改的軟件算法放到DSP中實(shí)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(guò)控制ADS8364采樣得到傳感器數據進(jìn)入FPGA內部的數據運算單元，根據預置的Clarke與Park變換算法進(jìn)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(huán)PI模塊、低電壓穿越檢測模塊對FPGA輸入的數據進(jìn)行計算，并將計算結果通過(guò)數據總線(xiàn)傳送給FPGA，FPGA將接收到的計算結果進(jìn)行Park反變換，并通過(guò)SVPWM模塊產(chǎn)生12路PWM波形分別來(lái)控制機側變流器和網(wǎng)側變流器IGBT開(kāi)關(guān)器件開(kāi)通與關(guān)斷，進(jìn)而控制變流器輸出所需的電壓波形。