基于DSP的永磁風電機組多電平SPWM控制

張志海+盧秀和

摘 要：基于永磁風電機組容量的增大，功率變換器需要承受更高的電壓等級，多電平技術的應用無疑是很好的解決方案，以中點鉗位型三電平逆變器為基礎，分析了拓撲的工作原理，建立了不規則采樣法的數學模型，闡述了多電平載波調制技術產生SPWM波形的分類，采用數字法DSP芯片控制產生多路SPWM波形，通過MATLAB和Simulink仿真實驗，驗證了DSP控制方式的優越性，逆變器能承受更高的電壓等級，輸出的正弦波更加標準。

關鍵詞：風電機組；逆變器；三電平；DSP；控制方法

中圖分類號：F407.61 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）19-0029-02

引言

隨著經濟的發展以及人類社會對清潔能源的需求，風力發電有了很大的發展，永磁直驅型風力發電系統是風能的一個重要實現方式，有著單機容量大，效率高，結構簡單的優點，因為風力發電機只通過功率變換器和電網連接，所以對逆變器的承受電壓能力要求較高，基于現代可控功率器件的可承受電壓電流能力和開關頻率的限制，單一的器件不能實現永磁直驅型風力發電系統的優點，器件開關頻率低會導致諧波率增大，增大濾波系統的投資，電網中非線性元素影響正常系統工作；受限于器件制作技術，器件開關頻率高會減少器件本身的使用壽命，無形地增加了成本，因此，多電平脈沖調制技術可以完美實現永磁直驅型風力發電系統的優點，解決了功率器件一系列的問題，是風電技術研究的重點和熱點。正弦脈寬調制（sinusoidal pulse width modulation SPWM）技術使用成熟，原理簡單，輸出諧波小，有著實際應用價值。基于單片機，DSP等微處理器的發展，數字實現SPWM控制技術相當成熟，便于實時控制和實現。通過MATLAB和Simulink仿真實驗，驗證了DSP控制方式的優越性，逆變器能承受更高的電壓等級，輸出的正弦波更加標準。

1 主電路拓撲

隨著風電單機容量的增大，多電平技術日益發展，趨于成熟，按照拓撲結構，多電平變流器大致有二極管鉗位型，飛跨電容型，級聯H橋型和一些派生類型。隨著電平數的增大，拓撲結構會變得復雜，不利于系統的運行，實際應用以三電平和五電平居多，中點鉗位三電平拓撲電路技術成熟，應用最廣，電路如圖1。多電平技術在同一頻率下，諧波小的多，承受電壓只有原來的一半左右。

2 載波調制和采樣法

傳統的SPWM波形由比較器比較正弦波和等腰三角波產生，稱為硬件法，與之對應的軟件法成本更低，實時控制更理想。軟件法產生SPWM波形需要實時計算的程序支持，因此，建立精準的數學模型是一個重點。

2.1 載波調制

載波和調制波比較產生SPWM波形，即可控器件的開關信號，多電平需要多個載波，n電平需要（n-1）個載波，根據每個載波的相對位置可以分為同相層疊（Phase Disposition，PD）；正負反相層疊式（Phase Opposition Disposition，POD）；交替反向層疊式（Alternative Phase Opposition Disposition，APOD）。同相層疊含有奇數次數的諧波分量，正負反相層疊只能用于電平數為偶數，交替反向層疊式沒有載波分量。當載波數頻率是調制波頻率3的整數倍時，產生的SPWM波形是對稱的。

2.2 采樣法

載波調制是如何產生SPWM波形，采樣法是如何用軟件法實現SPWM波形的數學模型，自然采樣法效果最好，但計算最為復雜，一般不予采用；規則采樣法是自然采樣法的簡化，大大減少了計算量，但是，采樣效果不理想；不規則采樣法計算量不大，采樣效果優于規則采樣法，廣泛應用于工程實際中。圖2中正弦波信號為Umsinωt，ω是正弦波角頻率，三角波峰值為US，三角波周期為TC，t1、t2是采樣時刻，ton1、ton2、toff1、toff2是SPWM波控制功率開關器件的通斷時間；M是正弦波峰值與三角波峰值的比值，即M=Um/US。

9式中，k取奇數或偶數時，分別表示在底點和頂點對稱軸時刻采樣。實際應用都是三相波形，即再添加兩條頻率相同，相位互差120°的調制波即可。

3 DSP控制

TMS320 F28335具有150MHz的高速處理能力，具備32位浮點處理單元，6個DMA通道支持ADC、MCBSP和EMIF，有多達18路的PWM輸出，適用于多電平，其中有6路為TI特有的更高精度的PWM輸出（HRPWM），12位16通道ADC。用可編程邏輯器件（GPLD）輔助控制可以實現多路SPWM波形控制。

基于TMS320LF28335的波形生成思想：利用DSP事件管理器模塊的比較單元、通用定時器、死區發生單元和輸出邏輯來生成三相12路SPWM波形。通過設置定時的周期寄存器，可以產生一定周期的載波信號。在TMS320LF28335中，定時器的計數模式有四種，可選擇連續增/減模式。在此計數模式下，定時器計數器設置此循環：從0開始，遞增至周期寄存器的值，遞減到0。在定時器不斷計數的同時，比較單元的比較邏輯實時地比較定時器計數器的值和比較寄存器的值，當兩個值相等時將產生比較匹配信號。PWM電路中的波形發生器接收到信號，產生PWM脈沖信號，經過死區單元產生可以驅動同一橋臂的可控器件互補信號。

整個程序由主程序和定時器下溢中斷程序組成。主程序不斷地查詢串口，當一旦檢測到有字符，將用戶關心的變量通過串行通訊接口SCI發送給PC機。定時器下溢中斷程序主要完成比較寄存器的計算和賦值，來調節輸出PWM波的脈沖寬度，設置死去時間防止可控器件短路擊穿。

4 仿真

基于MATLAB/Simulink仿真軟件搭建模型，驗證SPWM控制方法，部分仿真參數如下：直流側電壓為600V，濾波電感L為2mH，電容C為10μF，負載為阻性負載功率為100kW，SPWM信號由Discrete PWM Generator模塊產生，調制度m為0.8，調制波頻率為50Hz，載波頻率為20kHz。DSP采用Q15格式，調制比N為256，采用不規則采樣法，正弦表初始化為512，采用定時器下溢中斷服務完成比較寄存器的更新，產生SPWM波形，如圖3所示，輸出電壓波形如圖4所示。

5 結束語

本文介紹了中點鉗位三電平逆變電路的拓撲和原理，分析了載波層疊和不規則采樣法的模型，給出了DSP控制產生SPWM波形的過程，從上面的仿真波形可以得出，可以用DSP數字控制三電平逆變電路的反相載波調制和不規則采樣法，對解決大容量永磁風電機組的逆變器承受電壓和輸出電壓諧波要求高的問題有很大的指導意義。

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