基于DSP與FPGA的雙饋式風電變流器控制系統

摘要：針對雙饋式變速恒頻(VSCF)風電機組的控制方式進行了研究，并以2 MW VSCF風電機組為模型，設計了基于FMS320C28346型DSP與現場可編程門陣列(FPGA)的雙饋風力發電變流器系統，控制系統硬件平臺采用標準6U機箱，具有高可靠性與抗干擾性。該系統將矢量控制技術應用于發電機控制，并對網側和轉子側變流器采用雙閉環控制策略。最后在自主研發的2 MW雙饋式變流器樣機上進行了大量實驗和長期的現場試運行，驗證了控制方法的可行性與實用性。
關鍵詞：變流器；變速恒頻；雙饋

1 引言
目前風電技術可分為恒速恒頻控制方式和VSCF控制方式。VSCF風力發電機可提供更高的風能利用效率，故越來越多地用于大功率機組。在此設計了基于TMS320C28346型DSP與FPGA的雙饋式風力發電變流器系統。控制系統平臺采用主頻300 MHz的DSP芯片與FPGA共同控制，大大提高了系統的穩定性以及實時性。控制系統采用矢量控制技術和功率閉環的變速控制策略。最后在自主研發的2 MW雙饋式風電變流器的樣機上進行了實驗和現場試運行，驗證了控制系統的可靠性。

2 控制系統硬件平臺
1．5 MW雙饋式風電變流器硬件平臺采用主頻為150 MHz的TMS320C28335+CPLD方案，但在進行低電壓穿越實驗與強勵磁實驗過程中，發現運算速度無法滿足實驗要求。因此設計了風電、光伏變流器統一的硬件平臺。采用模塊化設計，按照功能劃分為系統核心控制板、開關電源、開入接口板、采樣板、光纖接口板、通訊板、故障錄波板與總線底板，并在機箱中預留插板位置。其中核心控制板采用TMS320C28346型DSP與FPGA芯片共同構成，極大地提升了可靠性與運算速度。控制平臺采用模塊化設計思想，能兼容全功率等級雙饋、直驅變流器與光伏逆變器控制系統，配備多路信號采集通道、信號輸出通道與通訊接口，具備多種PWM輸出和保護方案，采用標準6U機箱結構，控制系統硬件平臺總體方案見圖1。

2 MW雙饋式變流器均采用塔上安裝方式，給故障診斷帶來一定困難。為提高調試與故障診斷速度，采用WIFI通訊與故障錄波相結合的方
案。采用大容量NVSRAM與FLASH芯片相結合，實時性能較高的故障發生時間的變量存儲在掉電不丟失的快速NVSRAM中，實時性相對較低的運行數據存在FLASH芯片中。當變流器出現故障停機時，塔下調試人員可通過電腦或手持設備與控制系統進行WIFI連接，并讀取故障前后120 s內的系統運行數據，以便于故障診斷與分析。現場調試結束后，可通過WIFI模塊將FLASH芯片中的運行數據發送到互聯網上，以供廠商遠程監控，可提高風電場運行效率。

3 DSP與FPGA核心板設計
DSP與FPGA控制板是控制平臺的核心，主要包括傳感器信號調理電路、故障保護電路、通訊電路、存儲電路等。系統結構如圖2所示，FPG A通過數據總線、地址總線、控制I／O分別與ADS8364和DSP芯片連接，實現數據交換。

FPGA設計屬于數字電路硬件設計，運行速度相對較快，故一般將算法比較固定且對系統實時性和速度要求較高的算法模塊加入到FPGA，主要包括：A／D芯片控制、空間矢量脈寬調制(SVPWM)計算、Park與Clarke變換計算、PWM輸出控制、快速保護邏輯控制與開入開出邏輯控制。將需要經常修改的軟件算法放到DSP中實現，主要功能包括數據的存儲與調用、系統運行控制、數據通訊、PI調節器控制、低電壓穿越控制等功能。FPAG通過控制ADS8364采樣得到傳感器數據進入FPGA內部的數據運算單元，根據預置的Clarke與Park變換算法進行運算，得到正序與負序的ud，uq，id，iq，并將計算結果傳送給DSP；DSP調用直流穩壓計算模塊、電流電壓閉環PI模塊、低電壓穿越檢測模塊對FPGA輸入的數據進行計算，并將計算結果通過數據總線傳送給FPGA，FPGA將接收到的計算結果進行Park反變換，并通過SVPWM模塊產生12路PWM波形分別來控制機側變流器和網側變流器IGBT開關器件開通與關斷，進而控制變流器輸出所需的電壓波形。