基于DSP控制的雙PWM風電并網換流器的設計

摘要：為了解決風力發電的分散性和波動性以及接入電網對電力系統造成沖擊等問題，提高整個系統的電壓頻率穩定性，文章以DSP作為主控制器，研究設計了一種基于雙PWM控制的風電并網換流器。針對風力發電并網換流器的主電路，設計了整流和逆變部分的雙PWM電路拓撲結構，從而提高了系統的動態響應，減少了損耗和沖擊，實現了電能的雙向傳輸，同時還能提高風力發電機側功率因數。最后對設計的系統進行仿真驗證。
關鍵詞：主控制器；雙PWM控制；并網換流器；拓補結構

0 引言
在能源危機愈演愈烈的今天，尋找綠色環保的新能源替代傳統的化石燃料已成為人類共同的期待。風能作為綠色能源的的一種，它的開發和利用能夠解決傳統能源帶來的諸多問題，是理想的替代能源。通過風電機組將風能轉化為電能是一種非常有效的能源利用手段。隨著數字信號處理芯片的誕生，很多先進的控制算法得以應用，大量出現在風力并網控制系統中。

1 主電路設計
并網控制器的結構如圖1所示，控制核心由DSP芯片完成，通過驅動電路控制兩個換流器的工作。過去一般采用二極管整流器件和晶閘管有源換流器，但由于運行中存在響應慢、電流諧波和損耗大以及不能實現四象限運行等缺點。本文對兩個變流環節均采用基于全控型器件四象限運行的PWM換流器，不僅可以減少系統的沖擊和損耗，還可以實現電能的雙向傳輸，提高系統的動態響應和風力發電機網側的功率因數，使輸出電壓電流波形為標準正弦。整個系統由輸入濾波電感、智能功率模塊(IPM)、直流濾波電容三部分組成。雙PWM換流器整體硬件構成如圖1所示。

為了便于分析，將整個系統分成交流電網側、網側PWM逆變器、直流側、轉子側PWM換流器和雙饋發電機。雙PWM換流器主電路拓撲結構如圖2所示。

功能描述：
(1)雙PWM換流器在結構和功能上都相對獨立。
(2)雙PWM換流器的兩端均可實現能量的雙向流動，且兩側均可在整流／逆變狀態之間進行轉換。
(3)雙PWM型換流器具有較強的無功功率控制能力。
1．1 整流電路選型
由于采用雙PWM調制，所以在發電機側采用PWM電路(見圖3)。由于此電路本身就具有BOOST升壓功能，故無需額外的升壓電路，就可以讓發電機在很寬的風速范圍內運行，而且允許功率雙向流動，減少了系統對電網的諧波污染。

1．2 后級變換電路選型
后級變換電路采用SPWM電路(如圖4)，在輸入直流電壓的情況下，輸出為標準的正弦波電壓。

由DSP控制器發出方波控制信號，使輸出端產生基波為正弦波的方波電壓，再經過濾波裝置即可產生標準的正弦波電壓輸出(如圖5)。

網側換流器的控制目標是：1)保持輸出直流電壓穩定并且有優良的動態響應能力。2)確保交流側輸入電流為正弦且功率因數為1。故輸入電流的有效控制是網側換流器控制的關鍵。從本質上講，網側換流器是一個涉及交、直流電能形態轉換的能量變換系統。由于無窮大電網電壓基本恒定，對輸入電流實施快速有效的控制也就能有效地控制能量流動的速度和大小。