专利名称：一种直驱型风力发电系统逆变器的数字化单周期控制方法
技术领域：
本发明涉及直驱型风力发电系统并网逆变器的控制方法，特别涉及用于风力发电系统逆变器的数字化单周期控制方法。
背景技术：
随着风力发电技术的不断发展，直驱型风力发电系统因其维护成本低、噪声小、具有较好的低电压穿越能力而受到越来越多的关注。在直驱型风力发电系统中，其功率变换环节需要将能量从电机完全转换到电网，所以需要较大的功率容量，其控制也显得尤为重要。传统的空间矢量调制技术与正弦调制技术相比，其直流电压利用率更高、电流总谐波畸变更小而损耗也相应更小，因此一直被用来控制并网逆变器，实现电网侧有功功率和无功功率的独立调节。随着风力发电的不断推广，风力发电机的单机容量不断增大，随之而来的是系统的损耗也越来越大，这不仅造成能量的大量浪费，同时也对电路元件造成了较大的损坏，严重影响着这个系统的运行可靠性和寿命。直驱型风力发电系统示意图如图1所示。
单周期控制是一种大信号非线性PWM控制方法，其基本思想是通过控制开关的占空比，使每个开关周期内开关变量的平均值在静态或瞬态时都与控制参考量相等或成比例，从而在一个开关周期实现控制目标。运用这种方法可以使输入或负载扰动在单个开关周期内迅速消除，具有很好的动态性能。因其动态响应速度快，电流谐波畸变很低，并且在一个开关周期内，逆变器六个开关只有两个动作，其他四个开关保持不变，这样会大大降低开关损耗，另外其控制电路简单，不需要乘法器，只需要一个复位积分器和两个RS触发器等线性逻辑器件，因此运算速度大大降低，这在实时性要求较高的控制领域具有很大的优势。鉴于单周期控制的诸多优点，其在电力电子设备中的应用越来越广泛，目前在三相功率因数校正电路、有源滤波等领域已经得到了应用。
现有单周期控制技术采用了搭建模拟电路，使用复位积分电路和RS触发电路来实现单周期控制，灵活性、通用性差。
专利200380107205，名称为“具有浪涌电流限制、风扇电机速度控制的单周期控制PFC升压转换器IC”，将单周期控制应用于了整流电路中，包括整流器，其可连接到交流输入并具有经整流的直流输出，所述直流输出被提供给直流总线；电感器，其具有被连接在所述直流总线的一个支线中的第一和第二端，所述电感器的第一端被耦合到所述整流器的所述输出；包括用来控制开关的控制电路的集成电路，所述集成电路包括用于封装所述控制电路的外壳，所述集成电路具有电源端、接地端、被耦合到所述转换器电路的输出的第一控制输入端以及被耦合到用来感测所述直流总线中的电流的传感器的第二控制输入端，并且还具有连接到所述开关的输出端；具有第一端的升压整流器二极管，所述二极管的所述第一端被耦合到所述电感器的所述第二端；所述二极管具有第二端；以及被连接到所述二极管的所述第二端的存储电容器；其中，所述控制电路包括单周期控制电路，所述单周期控制电路具有积分器，所述积分器在时钟信号的各个周期被所述时钟信号复位，所述积分器接收被提供于所述第一控制输入端的信号以作为输入；所述经功率因数校正的升压转换器电路还包括浪涌电流限制电路，其用于将通过所述电感器的电流限制到低于预定电平的值，然而仍然是基于模拟电路去实现单周期控制，灵活性不强，通用性差，且不利于提高控制电路的可靠性和开放性。本发明将单周期控制应用于逆变器当中，特别直驱型风力发电系统的并网逆变器当中，降低了并网电流的畸变率并减少了开关损耗，同时基于DSP实现弹周期控制，拓宽了单周期控制的应用场合，提高了系统的可靠性，其实现方案目前国内外专利文献中尚未见报道。
发明内容
本发明的目的是克服传统单周期控制实现方法复杂，通用性差的缺点，并克服现有技术对于风力发电系统控制动态响应慢，谐波含量高的缺点。针对传统单周期控制电路灵活性差等缺点，采用了DSP实现单周期控制。将本发明应用于直驱型风力发电系统并网逆变器，可实现整个发电系统的最大功率输出，减小系统对电网的谐波污染提高系统的效率。
本发明采用数字信号处理芯片DSP实现单周期控制，提高了单周期控制方法的通用性、可移植性和维护性。并且用单周期控制方法控制直驱型风力发电系统中并网逆变器的最大功率输出，有效地降低了大功率发电系统中的开关损耗和电流谐波，提高整个系统的效率。
应用本发明数字化单周期控制方法的风力发电系统由风电机组、发电机、整流和斩波电路、直流侧电容、并网逆变器、电网侧滤波电感和电网构成。由风电机组拖动风力发电机，把捕获的风能转化为电能，通过整流和斩波电路转化为直流电，直流侧电容作为能量缓冲环节，稳定直流侧电压，由并网逆变器把直流电逆变为交流电，通过滤波电感并入电网。
本发明采用DSP实现单周期控制，实现了单周期控制的数字化实现，并用于控制直驱型风力发电系统中的并网逆变器，将直流电逆变为稳定的三相交流电。
本发明中，数值处理芯片DSP的输出与隔离驱动电路的输入相连，具体来说，DSP的端口PWM1、PWM3、PWM5、PWM7、PWM9、PWM11的输出作为控制信号连接到隔离驱动电路中，隔离驱动电路的输出分别连接逆变器的6个开关管。
本发明控制方法的具体步骤包括计算扇区号、计算辅助变量Up，Un，Ip，In以及计算数字信号处理芯片DSP中比较寄存器的数值三个步骤。最后由数字信号处理芯片DSP产生控制信号，控制开关管开通和关断。本发明的具体工作过程如下 步骤1计算扇区号s。
在每一次调制过程中，首先根据三相线电压Uab、Ubc、Uca计算扇区号s的取值。其中Uab表示A、B相线电压；Ubc表示B、C相线电压；Uca表示C、A相线电压，Uab、Ubc、Uca可以通过采集三相交流电压得到。
如果Uab≥Uca≥Ubc，则s＝1；如果Uab≥Ubc≥Uca，则s＝2；如果Ubc≥Uab≥Uca，则s＝3；如果Ubc≥Uca≥Uab，则s＝4；如果Uca≥Ubc≥Uab，则s＝5；如果Uca≥Uab≥Ubc，则s＝6。
步骤2根据扇区号s、三相线电压和三相电感电流计算相应的辅助变量。
采用的方式是根据扇区号s的不同执行不同的计算式。如果扇区号s等于1，则辅助变量依次为Up＝Uab、Un＝-Ubc、Ip＝Ia、In＝Ic；如果扇区号s等于2，则辅助变量依次为Up＝Uab、Un＝-Uca、Ip＝-Ib、In＝-Ic；如果扇区号s等于3，则辅助变量依次为Up＝Ubc、Un＝-Uca、Ip＝Ib、In＝Ia；如果扇区号s等于4，则辅助变量依次为Up＝Ubc、Un＝-Uab、Ip＝-Ic、In＝-Ia；如果扇区号s等于5，则辅助变量依次为Up＝Uca、Un＝-Uab、Ip＝Ic、In＝Ib；如果扇区号s等于6，则辅助变量依次为Up＝Uca、Un＝-Ubc、Ip＝-Ia、In＝-Ib，其中，其中Uab表示A、B相线电压；Ubc表示B、C相线电压；Uca表示C、A相线电压，Uab、Ubc、Uca可以通过采集三相交流电压得到。Ia为A相电感电流，Ib为B相电感电流，Ic为C相电感电流，Ia、Ib、Ic可以通过采集A、B、C三相电感上的电流得到。
步骤3计算数字信号处理芯片DSP中比较寄存器的数值。
数字信号处理芯片DSP的内部有两个独立的定时器T1和T3。其中，定时器T1对应三个比较寄存器CMPR1，CMPR2和CMPR3，设三个比较寄存器CMPR1，CMPR2和CMPR3的数值分别为v1、v2、v3。定时器T1由0开始增计数到T，之后由T减计数到0，再增计数到T，如此重复，期间当计数值小于CMPR1的数值v1时，相应的DSP输出端口PWM1输出高电平，PWM2输出低电平；当计数值大于CMPR1的数值v1时，相应的DSP输出端口PWM1输出低电平，PWM2输出高电平。当计数值小于CMPR2的数值v2时，相应的DSP输出端口PWM3输出高电平，PWM4输出低电平；当计数值大于CMPR2的数值v2时，相应的DSP输出端口PWM3输出低电平，PWM4输出高电平。当计数值小于CMPR3的数值v3时，相应的DSP输出端口PWM5输出高电平，PWM6输出低电平；当计数值大于CMPR3的数值v3时，相应的DSP输出端口PWM5输出低电平，PWM6输出高电平。
定时器T3由0开始增计数到T，之后由T减计数到0，再增计数到T，如此重复，期间当计数值小于CMPR4的数值v4时，相应的DSP输出端口PWM7输出高电平，PWM8输出低电平；当计数值大于CMPR4的数值v4时，相应的DSP输出端口PWM7输出低电平，PWM8输出高电平。当计数值小于CMPR5的数值v5时，相应的DSP输出端口PWM9输出高电平，PWM10输出低电平；当计数值大于CMPR5的数值v5时，相应的DSP输出端口PWM9输出低电平，PWM10输出高电平。当计数值小于CMPR6的数值v6时，相应的DSP输出端口PWM11输出高电平，PWM12输出低电平；当计数值大于CMPR6的数值v6时，相应的DSP输出端口PWM11输出低电平，PWM12输出高电平。
比较寄存器CMPR1的数值v1，比较寄存器CMPR2的数值v2，比较寄存器CMPR3的数值v3，比较寄存器CMPR4的数值v4，比较寄存器CMPR5的数值v5，比较寄存器CMPR6的数值v6的计算方法为如果扇区号s等于1，v1＝vp、v2＝0、v3＝0、v4＝T、v5＝vn、v6＝0；如果扇区号s等于2，v1＝T、v2＝0、v3＝0、v4＝vp、v5＝0、v6＝vn；如果扇区号s等于3，v1＝vn、v2＝0、v3＝vp、v4＝0、v5＝0、v6＝T；如果扇区号s等于4，v1＝0、v2＝vn、v3＝T、v4＝0、v5＝0、v6＝vp；如果扇区号s等于5，v1＝0、v2＝T、v3＝vn、v4＝0、v5＝vp、v6＝0；如果扇区号s等于6，v1＝0、v2＝vp、v3＝0、v4＝vn、v5＝T、v6＝0。其中，T为定时器的周期计数值，vp＝(k*Up-2*k1*Ip-k1*In)*T，vn＝(k*Un-2*k1*In-kl*Ip)*T，Un，Up，In，Ip的值在步骤2中计算，k与kl为常系数，影响逆变器输出的电流大小即输出功率的大小。
步骤4数字信号处理芯片DSP输出控制信号控制开关管 数字信号处理芯片DSP的端口PWM1输出的信号经隔离驱动电路后控制开关管S1，数字信号处理芯片DSP的端口PWM3输出的信号经隔离驱动电路后控制开关管S2，数字信号处理芯片DSP的端口PWM5输出的信号经隔离驱动电路后控制开关管S3，数字信号处理芯片DSP的端口PWM7输出的信号经隔离驱动电路后控制开关管S4，数字信号处理芯片DSP的端口PWM9输出的信号经隔离驱动电路后控制开关管S5，数字信号处理芯片DSP的端口PWM11输出的信号经隔离驱动电路后控制开关管S6。
步骤5等待至下一次调制过程开始时，重复上述过程。
本发明通过采用数字信号处理芯片DSP，完全实现了单周期控制的数字化，使单周期控制应用更加广范，通用性更好。
本发明所用的输出端口不限于PWM1、PWM3、PWM5、PWM7、PWM9和PWM11，所用的6个输出端口可以从六组输出端口中分别选一组合而成，六组输出端口分别为PWM1/PWM2、PWM3/PWM4、PWM5/PWM6、PWM7/PWM8、PWM9/PWM10和PWM11/PWM12。
图1单周期控制直驱型风力发电系统并网逆变器示意图； 图2数字控制芯片DSP的主流程图； 图3数字控制芯片DSP的中断函数流程图； 图4计算辅助变量的流程图； 图5比较寄存器计算流程图。
具体实施例方式 下面结合附图和具体实施方式
进一步说明本发明。
图1所示为单周期控制直驱型风力发电系统并网逆变器的示意图，也是本发明所基于的拓扑，主要由风电机组、发电机、整流和斩波电路、直流侧电容、并网逆变器、电网侧滤波电感和电网构成。由风电机组拖动风力发电机，把捕获的风能转化为电能，通过整流和斩波电路转化为直流电，直流侧电容作为能量缓冲环节，稳定直流侧电压，由并网逆变器把直流电逆变为交流电，通过滤波电感并入电网。数字信号处理芯片DSP的端口PWM1、PWM3、PWM5、PWM7、PWM9、PWM11的输出作为隔离驱动电路的输入，隔离驱动电路的输出分别连接逆变器的6个开关管S1～S6，其中PWM1控制S1，PWM3控制S2，PWM5控制S3，PWM7控制S4，PWM9控制S5，PWM11控制S6。
图2所示为本发明采用DSP实现单周期控制时DSP的主流程图，程序首先关中断，之后进行初始化，如初始化端口配置和变量等，接着开中断并使能定时器开始计数，最后程序进入循环等待过程，等待中断的发生，在中断处理函数中加入实现单周期控制的指令便可以使DSP输出的控制信号按照单周期控制方法的规律变化。
图3所示为DSP中断处理函数的流程，也就是具体实现单周期控制方法的流程图，程序首先判断是不是定时器中断，如果不是则直接开中断并返回。如果是由定时器引起的中断，接下来计算扇区号s，其计算方法是根据采集的三相线电压Uab，Ubc和Uca，比较其相对大小关系。具体来说，如果Uab≥uca≥Ubc，则s＝1；如果Uab≥Ubc≥Uca，则s＝2；如果Ubc≥Uab≥Uca，则s＝3；如果Ubc≥Uca≥Uab，则s＝4；如果Uca≥Ubc≥Uab，则s＝5；如果Uca≥Uab≥Ubc，则s＝6。如果扇区号s等于1，则辅助变量依次为Up＝Uab、Un＝-Ubc、Ip＝Ia、In＝Ic；如果扇区号s等于2，则辅助变量依次为Up＝Uab、Un＝-Uca、Ip＝-Ib、In＝-Ic；如果扇区号s等于3，则辅助变量依次为Up＝Ubc、Un＝-Uca、Ip＝Ib、In＝Ia；如果扇区号s等于4，则辅助变量依次为Up＝Ubc、Un＝-Uab、Ip＝-Ic、In＝-Ia；如果扇区号s等于5，则辅助变量依次为Up＝Uca、Un＝-Uab、Ip＝Ic、In＝Ib；如果扇区号s等于6，则辅助变量依次为Up＝Uca、Un＝-Ubc、Ip＝-Ia、In＝-Ib，其中，其中Uab表示A、B相线电压；Ubc表示B、C相线电压；Uca表示C、A相线电压，Uab、Ubc、Uca可以通过采集三相交流电压得到。Ia为A相电感电流，Ib为B相电感电流，Ic为C相电感电流，Ia、Ib、Ic可以通过采集A、B、C三相电感上的电流来得到。由此得到辅助变量Up，Un，Ip，In，根据辅助变量Up，Un，Ip，In和扇区号s计算和更新比较寄存器CMPR1~CMPR6的数值v1～v6，v1物理意义是在保持伏秒平衡时开关管S1闭合状态所持续时间，v2物理意义是在保持伏秒平衡时开关管S2闭合状态所持续时间，v3物理意义是在保持伏秒平衡时开关管S3闭合状态所持续时间，v4物理意义是在保持伏秒平衡时开关管S4闭合状态所持续时间，v5物理意义是在保持伏秒平衡时开关管S5闭合状态所持续时间，v6物理意义是在保持伏秒平衡时开关管S6闭合状态所持续时间。
具体来说，如果扇区号s等于1，v1＝vp、v2＝0、v3＝0、v4＝T、v5＝vn、v6＝0；如果扇区号s等于2，v1＝T、v2＝0、v3＝0、v4＝vp、v5＝0、v6＝vn；如果扇区号s等于3，v1＝vn、v2＝0、v3＝vp、v4＝0、v5＝0、v6＝T；如果扇区号s等于4，v1＝0、v2＝vn、v3＝T、v4＝0、v5＝0、v6＝vp；如果扇区号s等于5，v1＝0、v2＝T、v3＝vn、v4＝0、v5＝vp、v6＝0；如果扇区号s等于6，v1＝0、v2＝vp、v3＝0、v4＝vn、v5＝T、v6＝0。其中，T为定时器的周期计数值，vp＝(k*Up-2*k1*Ip-K1*In)*T，vn＝(k*Un-2*k1*In-k1*Ip)*T，Un，Up，In，Ip的值在步骤2中计算，k与k1为常系数，影响逆变器输出的电流大小即输出功率的大小。最后开中断返回，中断函数处理程序执行结束。
图4所示为辅助变量量Up，Un，Ip，In的计算流程，如果扇区号s等于1，则辅助变量依次为Up＝Uab、Un＝-Ubc、Ip＝Ia、In＝Ic；如果扇区号s等于2，则辅助变量依次为Up＝Uab、Un＝-Uca、Ip＝-Ib、In＝-Ic；如果扇区号s等于3，则辅助变量依次为Up＝Ubc、Un＝-Uca、Ip＝Ib、In＝Ia；如果扇区号s等于4，则辅助变量依次为Up＝Ubc、Un＝-Uab、Ip＝-Ic、In＝-Ia；如果扇区号s等于5，则辅助变量依次为Up＝Uca、Un＝-Uab、Ip＝Ic、In＝Ib；如果扇区号s等于6，则辅助变量依次为Up＝Uca、Un＝-Ubc、Ip＝-Ia、In＝-Ib，其中，其中Uab表示A、B相线电压；Ubc表示B、C相线电压；Uca表示C、A相线电压，Uab、Ubc、Uca可以通过采集三相交流电压得到。Ia为A相电感电流，Ib为B相电感电流，Ic为C相电感电流，Ia、Ib、Ic可以通过采集A、B、C三相电感上的电流来得到。
图5所示为计算比较寄存器CMPR1~CMPR6的数值v1~v6的流程，具体来说，如果扇区号s等于1，v1＝vp、v2＝0、v3＝0、v4＝T、v5＝vn、v6＝0；如果扇区号s等于2，v1＝T、v2＝0、v3＝0、v4＝vp、v5＝0、v6＝vn；如果扇区号s等于3，v1＝vn、v2＝0、v3＝vp、v4＝0、v5＝0、v6＝T；如果扇区号s等于4，v1＝0、v2＝vn、v2＝vn、v3＝T、v4＝0、v5＝0、v6＝vp；如果扇区号s等于5，v1＝0、v2＝T、v3＝vn、v4＝0、v5＝vp、v6＝0；如果扇区号s等于6，v1＝0、v2＝vp、v3＝0、v4＝Vn、v5＝T、v6＝0。其中，T为定时器的周期计数值，vp＝(k*Up-2*k1*Ip-k1*In)*T，vn＝(k*Un-2*k1*In-k1*Ip)*T，其中，Un，Up，In，Ip的值在步骤2中计算得到，k与k1为常系数，影响逆变器输出的电流大小即输出功率的大小。
计算并更新比较寄存器的数值以后，DSP端口的电平便会相应变化，对于定时器T1来说，计数值小于CMPR1时，相应的DSP输出端口PWM1输出高电平，PWM2输出低电平；当计数值大于CMPR2时，相应的DSP输出端口PWM1输出低电平，PWM2输出高电平。当计数值小于CMPR2时，相应的DSP输出端口PWM3输出高电平，PWM4输出低电平；当计数值大于CMPR2时，相应的DSP输出端口PWM3输出低电平，PWM4输出高电平。当计数值小于CMPR3时，相应的DSP输出端口PWM5输出高电平，PWM6输出低电平；当计数值大于CMPR3时，相应的DSP输出端口PWM5输出低电平，PWM6输出高电平。对于定时器T3来说，当计数值小于CMPR4时，相应的DSP输出端口PWM7输出高电平，PWM8输出低电平；当计数值大于CMPR4时，相应的DSP输出端口PWM7输出低电平，PWM8输出高电平。当计数值小于CMPR5时，相应的DSP输出端口PWM9输出高电平，PWM10输出低电平；当计数值大于CMPR5时，相应的DSP输出端口PWM9输出低电平，PWM10输出高电平。当计数值小于CMPR6时，相应的DSP输出端口PWM11输出高电平，PWM12输出低电平；当计数值大于CMPR6时，相应的DSP输出端口PWM11输出低电平，PWM12输出高电平。输出的控制信号经隔离驱动电路后，控制逆变器各开关管开通和关断，实现了单周期控制方法下的逆变。
本发明利用单周期控制动态性能好，一个工频周期总开关次数少，电路损耗以及电流总谐波畸变小的特点，将其利用TI公司的DSP芯片DSP2407中提供的PWM比较输出单元及可以灵活设置工作方式的定时器单元实现了单周期控制中的积分复位，从而实现了单周期控制的DSP实现，提高了这种优秀控制方法的通用性，将单周期控制应用在直驱型风力发电系统的并网逆变器上，能够大大减小系统的损耗，在风力发电单机容量越来越大的情况下具有很大的实用价值，同时最大可能的给电网输送有功功率，能够显著提高系统的工作效率和减小对电网的谐波污染。利用DSP实现单周期控制的数字化，大大减小了控制电路体积，方便了参数的设置，有利于这种优秀控制方法的大力推广。
权利要求
1.一种直驱型风力发电系统逆变器的数字化单周期控制方法，其特征在于在每一次调制过程中，首先根据三相线电压Uab、Ubc、Uca计算扇区号s的取值；然后根据扇区号s、三相线电压Uab、Ubc、Uca和三相电感电流Ia、Ib、Ic计算辅助变量Up、Un、Ip、In，计算数字信号处理芯片DSP中比较寄存器的数值，由数字信号处理芯片DSP采用单周期控制方法产生控制信号，控制逆变器开关管S1～S6的开通和关断。
2.根据权利要求1所述的直驱型风力发电系统逆变器的数字化单周期控制方法，其特征在于，DSP的端口PWM1、PWM3、PWM5、PWM7、PWM9、PWM11的输出作为控制信号连接到隔离驱动电路中，隔离驱动电路的输出分别连接逆变器的开关管S1～S6，DSP的端口PWM1控制S1，PWM3控制S2，PWM5控制S3，PWM7控制S4，PWM9控制S5，PWM11控制S6。
全文摘要
一种直驱型风力发电系统逆变器的数字化单周期控制方法，其特征在于在每一次调制过程中，首先根据三相线电压Uab、Ubc、Uca计算扇区号s的取值；然后根据扇区号s、三相线电压Uab、Ubc、Uca和三相电感电流Ia、Ib、Ic计算辅助变量Up、Un、Ip、In，计算数字信号处理芯片DSP中比较寄存器的数值，由数字信号处理芯片DSP采用单周期控制方法产生控制信号，控制逆变器开关管S1～S6的开通和关断。本发明克服了模拟控制电路体积大，参数调节不便等问题。并将其应用在直驱型风力发电系统并网逆变器上，实现系统对电网的最大功率输出，同时减小系统损耗和电流谐波畸变。
文档编号H02J3/38GK101272054SQ20081010604
公开日2008年9月24日 申请日期2008年5月7日 优先权日2008年5月7日
发明者李建林, 斌 赵, 高志刚, 旭 李, 许洪华 申请人:中国科学院电工研究所