科技创新与应用 2017年19期 Tecnology Inovation and Application 术创新 基于DSP的水磁风电机组多电平SPWM控制 张志海,卢秀和 (长春工业大学电气与电子工程学院,吉林长春130012) 摘要:基于永磁风电机鉏容量的增大,功率变换器需要承受更高的电压等级,多电平技术的应用无疑是很好的解决方案,以中点钳位型 三电平逆变器为基础,分析了拓扑的工作原理,建立了不規则采样法的数学模型,阐述了多电平载波调制技术产生S邛M波形的分类,采用 教字法芯片控制产生多路SwM波形,通过 MATLAF和 Simulink仿真实验,验证了IP控制方式的优越性,逆变器能承受更高的电压 等级,输出的正弦波更加标准 关键词:风电机组;逆变器;三电平;DP;控制方法 中图分类号:F4051 文献标志码:A 文章编号:2095-245(2017)190029-02 引言 2载波调制和采样法 随着经济的发展以及人类社会对清洁能源的需求,风力 传统的SM波形由比较器比较正弦波和等腰三角波 发电有了很大的发展,永磁直驱型风力发电系统是风能的一产生,称为硬件法,与之对应的软件法成本更低,实时控制更 个重要实现方式,有着单机容量大,效率高,结构简单的优点,理想。软件法产生SPWM波形需要实时计算的程序支持,因 因为风力发电机只通过功率变换器和电网连接,所以对逆变此,建立精准的数学模型是一个重点 器的承受电压能力要求较高,基于现代可控功率器件的可承2.1载波调制 受电压电流能力和开关频率的限制,单一的器件不能实现水 载波和调制波比较产生SPWM波形,即可控器件的开关 磁直驱型风力发电系统的优点,器件开关频率低会导致谐波信号,多电平需要多个载波,n电平需要(n-1)个载波,根据每 率增大,增大滤波系统的投资,电网中非线性元素影响正常系个载波的相对位置可以分为同相层叠(鬥 hase Disposition 统工作;受限于器件制作技术,器件开关频率高会减少器件本PD);正负反相层叠式(臣 ase Opposition Disposition,OD);交 身的使用寿命,无形地增加了成本,因此,多电平脉冲调制技替反向层叠式( Alternative Phase Opposition Disposition, 术可以完美实现永磁直驱型风力发电系统的优点,解决了功APOD)。同相层叠含有奇数次数的谐波分量,正负反相层叠只 率器件一系列的问题,是风电技术研究的重点和热点。正弦脉能用于电平数为偶数,交替反向层叠式没有载波分量。当载波 宽调制( sinusoidal pulse width adulation SPWM)技术使用成数频率是调制波频率3的整数倍时,产生的SPWM波形是对 熟,原理简单,输出谐波小,有着实际应用价值。基于单片机,称的。 ISP等微处理器的发展,数字实现SwM控制技术相当成熟, 22采样法 便于实时控制和实现。通过 MATLAB和 Simulink仿真实验 载波调制是如何产生SPWM波形,采样法是如何用软件 验证了DSP控制方式的优越性,逆变器能承受更高的电压等法实现SPwM波形的数学模型,自然采样法效果最好,但计算 级,输出的正弦波更加标准。 最为复杂,一般不予采用;规则采样法是自然采样法的简化 1主电路拓扑 大大减少了计算量,但是,采样效果不理想;不规则采样法计 随着风电单机容量的增大,多电平技术日益发展,趋于成算量不大,采样效果优于规则采样法,广泛应用于工程实际 熟,按照拓扑结构,多电平变流器大致有二极管钳位型,飞跨中。图2中正弦波信号为 Usino,ω是正弦波角频率,三角波 电容型级联H桥型和一些派生类型。随着电平数的增大,拓峰值为U,三角波周期为T,t、t是采样时刻,ta、tn、tate 扑结构会变得复杂,不利于系统的运行,实际应用以三电平和是SPwM波控制功率开关器件的通断时间;M是正弦波峰值 五电平居多,中点钳位三电平拓扑电路技术成熟,应用最广,与三角波峰值的比值,即M=U/Us 电路如图1。多电平技术在同一频率下,谐波小的多,承受电 压只有原来的一半左右。 Uasin or U. sin or 图2不规则采样法 图1永磁直驱型风电系统 利用三角形相似定理 作煮筒介表湖2-),男,山东德州人,颂士研究生,从事数字传动拉制技术研究;声秀和(1×2-,男,吉林长春人,博士,救校,从事数学传动控制
技术创新 科技创新与应用 Technology Innovation and application 017年19期 器的计数模式有四种,可选择连续增/减模式。在此计数模式 下,定时器计数器设置此循环:从0开始,递增至周期寄存器 的值,递减到O。在定时器不断计数的同时,比较单元的比较 逻辑实时地比较定时器计数器的值和比较寄存器的值,当两 当采样时刻的位置分别在三角波的顶点和底点对称轴个值相等时将产生比较匹配信号。PWM电路中的波形发生器 接收到信号,产生PM脉冲信号,经过死区单元产生可以驱 动同一桥臂的可控器件互补信号 整个程序由主程序和定时器下溢中断程序组成。主程序 不断地查询串口,当一旦检测到有字符,将用户关心的变量通 过串行通讯接口SCI发送给PC机。定时器下溢中断程序主要 Te+b 完成比较寄存器的计算和赋值,来调节输出PwM波的脉冲 宽度,设置死去时间防止可控器件短路击穿 4仿真 基于 MATLABSimulink仿真软件搭建模型,验证SPwM 将1式代入2式3式可得 控制方法,部分仿真参数如下:直流侧电压为600V,滤波电感 L为2nH,电容C为10,负载为阻性负载功率为10kW, -Min wt1) SPWM信号由 Discrete PWM Generator模块产生,调制度m 为O8,调制波频率为5OL,载波频率为2耿。DAP采用Q15 (-+Msinw'tn (4)格式,调制比N为256采用不规则采样法,正弦表初始化为 tn,=.(1-Mim2) 512,采用定时器下溢中断服务完成比较寄存器的更新,产生 PWM波形,如图3所示,输出电压波形如图4所示 根据方程组4,不对称规则采样法条件下生成SPWM波 的脉冲宽度 因为一个三角载波周期内采样两次,所以有 t2=Tk/2(k=,35…,2N-D 结合实际控制,根据载波比的概念: 图3SHwM的仿真波形输出 7) 由7式得 把8式代入到方程组4得 图4输出电压波形 ∏1+ Msin TkNI(k=0.24…,2N-2) 5结束语 本文介绍了中点钳位三电平逆变电路的拓扑和原理,分 +Msin(mkN(k=13.5…,2N-1) 析了载波层叠和不规则采样法的模型,给出了DSP控制产生 9式中k取奇数或偶数时,分别表示在底点和顶点对称SPWM波形的过程,从上面的仿真波形可以得出,可以用DSP 轴时刻采样。实际应用都是三相波形,即再添加两条频率相数字控制三电平逆变电路的反相载波调制和不规则采样法 同,相位互差120的调制波即可 对解决大容量永磁风电机组的逆变器承受电压和输出电压谐 3DP控制 波要求高的问题有很大的指导意义 IMS320F28335具有150M的高速处理能力,具备32 位浮点处理单元,6个DMA通道支持ADC、 MCBSP和EMF,参考文献 有多达18路的PWM输出,适用于多电平,其中有6路为∏I[李建林,许洪华,等,风力发电中的电力电子变流技术杺机械工 特有的更高精度的PWM输出(HRWM),12位16通道ADC业出版社,200 用可编程逻辑器件(GPI)辅助控制可以实现多路SPWM波四巫付专,沈虹,等,电能变换与控M电子工业出版社,2014 形控制。 []李瑞永磁直驱风力发电变流器的并联运行研究哈尔滨工业大 基于TMs320F28335的 生成思想:利用DP事件管学2013 理器模块的比较单元通用定时器死区发生单元和输出逻辑[李帆,士龙,耿擎,等,子TNO2835的单极性S啊M的实 来生成三相12路 SPWM波形。通过设置定时的周期寄存,于浩N℃三电平逆变器中点电位的控制方法研究安徽大学 可以产生一定周期的载波信号。在TM32OF2835中,定时2014
