直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)逆變器控制的設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u8254直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)逆變器控制的設(shè)計(jì)案例 11591.1控制策略 187021.2控制技術(shù) 2156271.3控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能 3231241.4輔助電源設(shè)計(jì) 5131421.5A/D轉(zhuǎn)換 5248771.6檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 527551.6.1直流側(cè)采樣電路設(shè)計(jì) 670671.6.2交流側(cè)采樣電路設(shè)計(jì) 629351.7保護(hù)電路設(shè)計(jì) 7130921.8控制系統(tǒng)總體圖 7314971.9本章小結(jié) 8逆變器控制系統(tǒng)是本設(shè)計(jì)直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主要組成部分，本設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)主要包括TMS320LF2407A控制系統(tǒng)、采樣電路、輔助電源電路等主要幾部分?？刂葡到y(tǒng)將使用SVPWM控制技術(shù)及策略，以及對(duì)應(yīng)的檢測(cè)保護(hù)電路和其他相關(guān)的輔助電路，控制三相電壓型橋式逆變器正常工作，從而將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，從而保證主電路正常工作[11]。1.1控制策略本設(shè)計(jì)控制策略采用電壓電流雙閉環(huán)控制策略，采用逆變器電流作為內(nèi)環(huán)，網(wǎng)側(cè)電壓作為外環(huán)的雙閉環(huán)控制策略[12]。內(nèi)環(huán)通過采樣電路，將逆變器的瞬時(shí)電流值與給定電流值作比較，兩者產(chǎn)生的誤差信號(hào)與三角波為載波交截后產(chǎn)生SVPMW波形，來控制逆變器。外環(huán)通過檢測(cè)電路，檢測(cè)并網(wǎng)電壓的瞬時(shí)值，來確定是否滿足與電網(wǎng)的電壓滿足頻率相位、電壓幅值相同、相角差為0的并網(wǎng)條件[13]，其結(jié)構(gòu)如圖1.1所示：圖1.1雙閉環(huán)控制原理圖Fig1.1DoubleclosedloopcontrolschematicPI控制器是一種將比例（P）和積分（I）組成成一起的控制器，其主要特點(diǎn)是能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，如圖1.2所示：圖1.2PI調(diào)節(jié)器框圖Fig1.2BlockdiagramofPIregulator本設(shè)計(jì)雙閉環(huán)均使用PI控制器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓和電流的控制。1.2控制技術(shù)空間矢量PWM控制（SVPWM）是根據(jù)空間電壓（電流）矢量來控制逆變器的一種控制技術(shù)，與傳統(tǒng)的PWM控制技術(shù)相比，SVPWM控制技術(shù)具有開關(guān)損耗小、控制簡(jiǎn)單、輸出電壓高等優(yōu)點(diǎn)。SVPWM主要理論基礎(chǔ)為磁鏈軌跡法，即用逆變器每個(gè)開關(guān)周期輸出的三相脈沖電壓合成的空間電壓矢量，去逼近期望輸出的三相正弦波電壓合成空間電壓矢量，跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來控制電壓逆變器輸出電壓[14]。定義開關(guān)函數(shù)Sk為：S三相電壓型橋式逆變電路一共有6個(gè)IGBT，每個(gè)橋臂的導(dǎo)電角度為180°，同一相上下兩個(gè)橋臂交替導(dǎo)電，各相導(dǎo)電角度依次相差120°。用開關(guān)函數(shù)Sk表示逆變器的開關(guān)狀態(tài)有：000、001、010、011、100、101、110、111。通過查找資料，三相逆變器輸出的線電壓矢量UabUbcUcaU三相逆變器輸出的相電壓矢量UAUBUCU其中，Udc表示直流電壓。通過將以上8種開關(guān)狀態(tài)值代入上式得交流側(cè)電壓值：表1.1不同開關(guān)狀態(tài)交流值Table1.1ACvaluesofdifferentswitchingstatesabcUabUbcUcaUaUbUc000000000100Udc0-Udc2??010-UdcUdc0?2?1100Udc-UdcUU?0010-UdcUdc??2101Udc-Udc0U?U011-Udc0Udc?UU111000000000和111兩種工作狀態(tài)輸出的電壓為0，稱為零工作狀態(tài)，其余六種開關(guān)狀態(tài)下電壓幅值均為2/3Udc，八種開關(guān)狀態(tài)控制的空間電壓矢量如圖1.3所示[15]：圖1.3電壓空間矢量圖Fig1.3Voltagespacevectordiagram1.3控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能通過對(duì)控制系統(tǒng)分析，本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)采用TMS320LF2407A芯片，總引腳數(shù)為144，用其對(duì)本設(shè)計(jì)逆變器的控制。TMS320LF2407A自身具有PWM輸出口及轉(zhuǎn)化速度高達(dá)500ns的A/D轉(zhuǎn)換功能，可以輸出16位PWM波形，且運(yùn)行速度極快，具有2個(gè)16位定時(shí)器，其結(jié)構(gòu)如圖1.2所示：圖1.2控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig1.2Controlsystemstructuredrawing

1.4輔助電源設(shè)計(jì)TMS320LF2407A芯片正常工作需要輔助電源電路才能實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過分析比較，本設(shè)計(jì)選用TPS7333Q芯片來實(shí)現(xiàn)，TPS7333Q是一種內(nèi)部帶穩(wěn)壓器的芯片。輔助電源電路如圖1.3所示：圖1.3輔助電源電路Fig1.3Auxiliarypowercircuit1.5A/D轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳給TMS320LF2407A芯片。TMS320LF2407A芯片自帶A/D轉(zhuǎn)換器。本系統(tǒng)需要采集輸出交流電流、直流電壓的模擬信號(hào)，模擬電壓供電電壓Vpp接3V~1.6V。考慮系統(tǒng)的電壓、精度等問題，參考電壓高電平VREF+為1.3V，低電平VREF-接模擬地。1.6檢測(cè)電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)選用霍爾元件來實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓和電流的檢測(cè)功能，結(jié)構(gòu)如圖1.4所示。其基本原理為霍爾效應(yīng)?；魻栐哂蟹€(wěn)定、抗干擾強(qiáng)等多方面優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛使用。圖1.4霍爾元件結(jié)構(gòu)圖Fig1.4Hallelementstructuredrawing1.6.1直流側(cè)采樣電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用的霍爾傳感器型號(hào)是HNV025A。直流側(cè)采樣電路結(jié)構(gòu)如圖1.5所示。其相關(guān)元器件參數(shù)計(jì)算為：檢測(cè)電壓最高按400V計(jì)算，電阻R1=400V10mA=40kΩ，其消耗功率為P=400V×10mA=4W。次級(jí)電流I圖1.5直流側(cè)采樣電路圖Fig1.5DCsidesamplingcircuitdiagram1.6.2交流側(cè)采樣電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)交流電流電路采用的是HTC254B電流傳感器。此傳感器的工作頻率最小為20Hz，最大可達(dá)10kHz。其優(yōu)點(diǎn)為體積小，并且具備一定的隔離能力，所以安全可靠性高。其應(yīng)用范圍為有效值≤1.53V，所以需要經(jīng)過一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換，將電壓降低到一個(gè)合適的值[17]。整個(gè)交流電流采樣電路如圖1.6所示：圖1.6交流側(cè)采樣電路Fig1.6ACsidesamplingcircuit1.7保護(hù)電路設(shè)計(jì)由于三相電壓型逆變器經(jīng)過LCL濾波以后直接與電網(wǎng)連接，但是電網(wǎng)電壓并不是恒定不變，而是在一定范圍波動(dòng)，電壓值過高或者過低都有可能對(duì)整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行損壞。因此，為了防止上述情況需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的保護(hù)電路來預(yù)防。保護(hù)電路原理是把從上一步處理過的采樣電壓值反相放大，而與設(shè)計(jì)的電壓值比較。一旦出現(xiàn)過高的電壓，立刻中斷TMS320LF2407A芯片工作，從而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起到保護(hù)作用[18]，其結(jié)構(gòu)如圖1.7所示：圖1.7電流保護(hù)電路結(jié)構(gòu)圖Fig1.7Currentprotectioncircuitstructurediagram1.8控制系統(tǒng)總體圖將TMS320LF2407A主控制芯片及其相關(guān)輔助電路進(jìn)行整體連接，如圖1.8所示：圖1.9TMS320LF2407A及其輔助電路總體圖Fig1.9MS320LF2407Aanditsauxiliarycircuitgeneraldiagram1.9本章小結(jié)