基于DSP与FPGA的双馈式风电变流器控制系统

摘要：针对双馈式变速恒频(VSCF)风电机组的控制方式进行了研究，并以2 MW VSCF风电机组为模型，设计了基于FMS320C28346型DSP与现场可编程门阵列(FPGA)的双馈风力发电变流器系统，控制系统硬件平台采用标准6U机箱，具有高可靠性与抗干扰性。该系统将矢量控制技术应用于发电机控制，并对网侧和转子侧变流器采用双闭环控制策略。最后在自主研发的2 MW双馈式变流器样机上进行了大量实验和长期的现场试运行，验证了控制方法的可行性与实用性。
关键词：变流器；变速恒频；双馈

1 引言
目前风电技术可分为恒速恒频控制方式和VSCF控制方式。VSCF风力发电机可提供更高的风能利用效率，故越来越多地用于大功率机组。在此设计了基于TMS320C28346型DSP与FPGA的双馈式风力发电变流器系统。控制系统平台采用主频300 MHz的DSP芯片与FPGA共同控制，大大提高了系统的稳定性以及实时性。控制系统采用矢量控制技术和功率闭环的变速控制策略。最后在自主研发的2 MW双馈式风电变流器的样机上进行了实验和现场试运行，验证了控制系统的可靠性。

2 控制系统硬件平台
1．5 MW双馈式风电变流器硬件平台采用主频为150 MHz的TMS320C28335+CPLD方案，但在进行低电压穿越实验与强励磁实验过程中，发现运算速度无法满足实验要求。因此设计了风电、光伏变流器统一的硬件平台。采用模块化设计，按照功能划分为系统核心控制板、开关电源、开入接口板、采样板、光纤接口板、通讯板、故障录波板与总线底板，并在机箱中预留插板位置。其中核心控制板采用TMS320C28346型DSP与FPGA芯片共同构成，极大地提升了可靠性与运算速度。控制平台采用模块化设计思想，能兼容全功率等级双馈、直驱变流器与光伏逆变器控制系统，配备多路信号采集通道、信号输出通道与通讯接口，具备多种PWM输出和保护方案，采用标准6U机箱结构，控制系统硬件平台总体方案见图1。

2 MW双馈式变流器均采用塔上安装方式，给故障诊断带来一定困难。为提高调试与故障诊断速度，采用WIFI通讯与故障录波相结合的方
案。采用大容量NVSRAM与FLASH芯片相结合，实时性能较高的故障发生时间的变量存储在掉电不丢失的快速NVSRAM中，实时性相对较低的运行数据存在FLASH芯片中。当变流器出现故障停机时，塔下调试人员可通过电脑或手持设备与控制系统进行WIFI连接，并读取故障前后120 s内的系统运行数据，以便于故障诊断与分析。现场调试结束后，可通过WIFI模块将FLASH芯片中的运行数据发送到互联网上，以供厂商远程监控，可提高风电场运行效率。

3 DSP与FPGA核心板设计
DSP与FPGA控制板是控制平台的核心，主要包括传感器信号调理电路、故障保护电路、通讯电路、存储电路等。系统结构如图2所示，FPG A通过数据总线、地址总线、控制I／O分别与ADS8364和DSP芯片连接，实现数据交换。

FPGA设计属于数字电路硬件设计，运行速度相对较快，故一般将算法比较固定且对系统实时性和速度要求较高的算法模块加入到FPGA，主要包括：A／D芯片控制、空间矢量脉宽调制(SVPWM)计算、Park与Clarke变换计算、PWM输出控制、快速保护逻辑控制与开入开出逻辑控制。将需要经常修改的软件算法放到DSP中实现，主要功能包括数据的存储与调用、系统运行控制、数据通讯、PI调节器控制、低电压穿越控制等功能。FPAG通过控制ADS8364采样得到传感器数据进入FPGA内部的数据运算单元，根据预置的Clarke与Park变换算法进行运算，得到正序与负序的ud，uq，id，iq，并将计算结果传送给DSP；DSP调用直流稳压计算模块、电流电压闭环PI模块、低电压穿越检测模块对FPGA输入的数据进行计算，并将计算结果通过数据总线传送给FPGA，FPGA将接收到的计算结果进行Park反变换，并通过SVPWM模块产生12路PWM波形分别来控制机侧变流器和网侧变流器IGBT开关器件开通与关断，进而控制变流器输出所需的电压波形。