張文兵，王萬成

（河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211000）

能源是人類社會(huì)存在與發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。過去200多年，建立在煤炭、石油、天然氣等化石燃料基礎(chǔ)上的能源體系極大地推動(dòng)了人類社會(huì)的發(fā)展。然而，人們?cè)谖镔|(zhì)生活和精神生活不斷提高的同時(shí)，也越來越感悟到大規(guī)模使用化石燃料所帶來的嚴(yán)重后果，資源日益枯竭，環(huán)境不斷惡化。能源與環(huán)境問題已成為全球可持續(xù)發(fā)展所面臨的主要問題。因此，人類必須尋求一種新的、清潔、安全、可靠的可持續(xù)能源系統(tǒng)。風(fēng)力發(fā)電以其無污染和可再生性，日益受到世界各國的重視，風(fēng)能成為保持增長最快的能源。風(fēng)能資源是清潔的可再生能源，風(fēng)力發(fā)電是新能源中技術(shù)最成熟、最具規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一。世界上很多國家，已經(jīng)充分認(rèn)識(shí)到風(fēng)電在調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、緩解環(huán)境污染等方面的重要性，對(duì)風(fēng)電的開發(fā)給予了高度的重視[1-2]。

風(fēng)電變流器是將風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的電壓幅值、頻率變化的電能轉(zhuǎn)換為恒壓、恒頻的交流電能的裝置，是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的一個(gè)重要部件。因此，研制適用于風(fēng)電轉(zhuǎn)換的高可靠性、高效率、控制及供電性能良好的風(fēng)力發(fā)電變流系統(tǒng)，是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究重點(diǎn)，具有重要的意義。風(fēng)電變流器可以分為兩部分：轉(zhuǎn)子側(cè)模塊和網(wǎng)側(cè)模塊。文中著重研究了網(wǎng)側(cè)風(fēng)電變流器的控制系統(tǒng)，以達(dá)到2個(gè)控制目標(biāo)：1）保證其良好的輸入特性，即輸入電流的波形接近正弦，諧波含量少，功率因數(shù)接近1，這就為整個(gè)系統(tǒng)的功率因數(shù)的控制提供了一個(gè)途徑；2）保證直流母線電壓的穩(wěn)定，直流母線電壓的穩(wěn)定是風(fēng)電變流器正常工作的前提[3-5]。

1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖1所示是網(wǎng)側(cè)變流器控制板電路結(jié)構(gòu)圖，包括DSP控制板 （DSP芯片是TI公司的TMS320LF2407A，負(fù)責(zé)A/D采樣、運(yùn)算控制等功能），信號(hào)采集電路，信號(hào)放大調(diào)節(jié)電路（對(duì)霍爾傳感器采集的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行放大、偏移處理），IGBT驅(qū)動(dòng)、保護(hù)電路（使用光耦隔離將DSP控制板和強(qiáng)電部分隔離起來，降低干擾，并實(shí)現(xiàn)IGBT模塊的保護(hù)功能）。下面介紹這幾部分的電路實(shí)現(xiàn)。

1.1 控制芯片的選擇

文中采用的是面向數(shù)字控制、運(yùn)動(dòng)控制的TMS320C2000系列的TMS320LF2407A，它們兼DSP的高運(yùn)算速度和單片機(jī)的強(qiáng)控制能力。TMS320LF2407A芯片集成了16通道10位500 ns的高性能A/D轉(zhuǎn)換器；CAN2.0模塊等模塊。TMS320LF2407A具有2個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB事件管理器包括：2個(gè)16位通用定時(shí)器，8個(gè)16位PWM （脈寬調(diào)制）通道，可以實(shí)現(xiàn)三相反相器控制、PWM的中心或邊緣校正，當(dāng)外部引腳DPINTX出現(xiàn)低電平時(shí)快速關(guān)閉PWM通道，防止擊穿故障的可編程的PWM死區(qū)控制，對(duì)外部事件進(jìn)行定時(shí)捕捉的3個(gè)捕獲單元，片內(nèi)光電編碼器接口電路，如此功能強(qiáng)大使得TMS320LF2407A大大簡化了外部硬件電路的設(shè)計(jì)[6-8]。

圖1 網(wǎng)側(cè)變流器控制板電路結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Circuit diagram of control panel of the grid-side converter

1.2 信號(hào)采樣電路設(shè)計(jì)

根據(jù)圖1，可以看到系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要采集模擬信號(hào)包括了網(wǎng)側(cè)電流、網(wǎng)側(cè)電壓、直流母線電壓。本設(shè)計(jì)選用了霍爾元件作為電壓、電流傳感器。選用的霍爾電流傳感器型號(hào)為CHB-50A，其工作原理為霍爾磁補(bǔ)償，額定電流為50 A，匝數(shù)比為1：1 000，工作電壓為±5 V，具體電路如圖2所示。

圖2 電壓、電流采樣電路Fig.2 Voltage and current sampling circuit

1.3 信號(hào)調(diào)節(jié)電路設(shè)計(jì)

電壓、電流采樣電路輸出的電流信號(hào)首先經(jīng)過一個(gè)功率電阻轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)RC濾波后與一直流電壓給定信號(hào)相加后經(jīng)比例放大，送入DSP的A/D口。與直流電壓給定信號(hào)疊加的目的是使輸入的交流信號(hào)經(jīng)過直流偏置后在0～3.3 V之間變化，滿足DSP的A/D口對(duì)輸入信號(hào)的要求。濾波以及比例放大是為了減小干擾。如圖3所示為電流、電壓信號(hào)的調(diào)節(jié)電路。

圖3 電壓、電流調(diào)節(jié)電路Fig.3 Voltage and current regulation circuit

1.4 電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

圖4所示為電源轉(zhuǎn)換電路。本控制板的輸入電壓為僅為±15 V，由于控制系統(tǒng)中的部分芯片需要5 V電源，而且LF2407A芯片的供電電壓只能是3.3 V，因而需要將±15 V電源變換為5 V和3.3 V，作為DSP和外設(shè)的電源。因此，使用LM2576S元件作為±15 V/5 V的轉(zhuǎn)換芯片，使用TPS7333QP元件作為5 V/3.3 V的轉(zhuǎn)換芯片。LM2576S輸入可為7～40 V，輸出為5 V，輸出最大電流為3 A。TPS7333QP輸入可為3.77～10 V，輸出為3.3 V，輸出最大電流為500 mA。

圖4 電源轉(zhuǎn)換電路Fig.4 Power conversion circuit

1.5 IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，由DSP輸出的6路3.3 V的PWM信號(hào)首先經(jīng)電平轉(zhuǎn)換為5 V的PWM信號(hào)。之后輸出的信號(hào)作為IGBT驅(qū)動(dòng)模塊EXB841的輸入。IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)要求：1）動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，能為IGBT柵極提供具有陡峭前后沿的驅(qū)動(dòng)脈沖。否則IGBT會(huì)在開通及斷過程中產(chǎn)生較大的開關(guān)損耗。2）能向IGBT提供適當(dāng)?shù)恼蚝头聪驏艍?。一般?15 V左右的正向柵壓比較恰當(dāng)，取-5 V反向柵壓讓IGBT能可靠截止。3）具有柵壓限幅電路，保護(hù)柵極不被擊穿。IGBT柵極極限電壓一般為±20 V，驅(qū)動(dòng)信號(hào)超出此范圍可能破壞柵極。4）當(dāng)IGBT處于負(fù)載短路或過流狀態(tài)時(shí)，能在IGBT允許時(shí)間內(nèi)通過逐漸降低柵壓自動(dòng)抑制故障電流，實(shí)現(xiàn)IGBT的軟關(guān)斷。驅(qū)動(dòng)電路的軟關(guān)斷過程不應(yīng)隨輸人信號(hào)的消失而受到影響。

圖5 IGBT驅(qū)動(dòng)電路Fig.5 IGBT drive circuit

驅(qū)動(dòng)電路中D6起保護(hù)作用，避免EXB841的6腳承受過電壓，通過D7檢測是否過電流，接D8的目的是為了改變EXB模塊過流保護(hù)起控點(diǎn)，以降低過高的保護(hù)閾值從而解決過流保護(hù)閾值太高的問題。R19，C10和D11接在+20 V電源上保證穩(wěn)定的電壓。D9和D10避免柵極和射極出現(xiàn)過電壓，R21是防止IGBT誤導(dǎo)通。

2 控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

根據(jù)整個(gè)裝置所要完成的不同功能，將控制系統(tǒng)軟件劃分為主程序和中斷服務(wù)程序。主程序中包括DSP初始化和定時(shí)器設(shè)置，如圖6（a）所示；中斷程序包括A/D采樣，過流過壓判斷，對(duì)采樣數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，產(chǎn)生PWM波形等，如圖6（b）所示。編程時(shí)采用順序結(jié)構(gòu)，使調(diào)用子程序方便。

圖6 程序流程圖Fig.6 Program flow chart

3 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了基于DSP的網(wǎng)側(cè)風(fēng)電變流器控制板的硬件和軟件結(jié)構(gòu)。經(jīng)過多次試驗(yàn)測試表明，該控制板具有很好的穩(wěn)定度，并且很好的達(dá)到了控制目標(biāo)，由該控制板控制的變流器能夠很好的滿足雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的要求。

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