（模式识别与智能系统专业论文）大功率变流器通用控制平台的设计与实现.pdf

东南大学学位论文独创性声明 舢1 1 1 l i l l l l l l l l l l l l l i l l l | l l l i i i l i i l l l | | l i l 删 y 17 613 61 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：篷塾歪! 困日 期：丝f ! ：查：乡p 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：主量童堑盈导师签名 摘要 摘要 大功率变流器同趋广泛地应用于供电电源、电气传动、电能质量控制等领域。 其控制器通过采集主电路电压、电流等参数，来输出p w m 信号，以实现变流器系 统的闭坏控制；另外还对变流器进行故障保护及与外界进行信息交互。由于大功 率变流器控制器在硬件、软件及开发途径等方面具有广泛共性，可以研制一种通 用的控制平台。通用控制平台能够满足多种大功率变流器对控制平台的不同需 求，缩短开发周期，实现控制平台软硬件的通用性和模块化。目前，国内大功率 变流器产品中通用控制器的应用案例较少，因此，本文提出一种基于双d s p 的大 功率变流器通用控制平台的设计方案，并对该方案的设计与实现作了详细介绍。 本文首先给出了课题的研究与应用背景，分析了大功率变流器以及控制器的 国内外相关技术的发展现状。接着本文对该项目做了详细的需求分析，比较了三 种设计方案，在此基础上，给出了控制平台的总体设计方案。 然后，本文将控制平台的硬件分为核心板、接口板和电源板三个部分，详细 介绍了核心板定点d s p t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 、浮点d s p t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 、f p g a e p 2 c 2 0 q 2 4 0 最小系统以及双口r a m 电路；接口板p w m 、a d 采样、i o 接口、通行接口等外围 接口模块，以及继电器电路和电源板电路；分析了控制平台的干扰源，并介绍了 抗干扰设计。 接着，本文给出了主c p u ( t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ) 部分和协处理器( t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 ) 部分软件设计，详细介绍了定点d s p 内主程序流程、e 2 p r o m 参数访问、双口r a m 通信、串口通信、状态检测等软件模块；阐述了浮点d s p 内a d 采集、s v p l | m 、p i 调节等软件模块的设计与实现。 最后，本文还介绍了控制平台的调试过程，给出平台的应用案例；对本文的 工作做了一个总结，并对后续的工作做了展望。 关键词：大功率变流器，通用控制平台，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 ，抗干扰， 模块化，s v p 删 a b s n 甚c t a b s t r a c t h i 曲p o w e rc o n v t 虮e f sh a v eb e 朋w i d e l ya p p l i e di nm a n yf i e l d s ，s u c h 鹬p o w e r 鳓p p l y d e c t r i c “访n g ，柚dp o w e rq u a l i 够m a n a g 锄e i l ta n ds oo n t h ec o n t r o l l e r so ft h eh i 曲1 p o w e r c o n v e r t e r sa p p l yc l o s e l o o pc o n t r o l l i n gb ys a m p l i n gv o l t a g ea n dc u r r e n to fm a i nc i r c u i t ，o u t p u t t i n g p w m s i 印a 1 t 1 1 e ya l s od e t e c tf a u l t s ，p r o t e c tt h ec o n v e r t e r sa i l dc o m m u n i c a t ew i t l lo t h e rd e v i c 懿 1 1 1 e r ei sa b r o a dc o m m o n n e s si i la s p e c t so f h a r d w a r e ，s o r w a r e 柚dd e v e l o p m e n to fc o n n 0 ls y s t 锄 o ft h eh i g h p o w e rc o n v e f t e r s s o ，i ti sp o s s i b l et od e s i g nau n i v e 幅a ld i g i t a lc o n 仃d lp l a t f 0 mf o r h i 9 1 l p o w 盯c o n v e n e r s t h e 舀m e m l 巾u 巾o s ec o n t r o lp l a b 锄n e e d st om e e tr e q u i r e m e n t sf b m v 暑l r i o u sk i n d so fh i g h - p o w 盱c o n w 斌e 姻a n di ts h o u l db ea b l et 0s h o n e nt 1 1 es y s t e md e v e l o p m 朋t c y c l e 锄dm a k et l l eh a r d 慨觚dt l l es o r w a r eo ft h ep l a 0 眦l l i l i v e 幅a l 狮dm o d u l 战h o w e v e r t l l e r ca r cf c wg 朗e r a l - p l l q ) o c o n 仃o lp l a b m 塔f o rl l i g l l - p o w e rc o n v e r t e 撂o nt h ed o m e s t i cm a r k e t a tt h ep r e s e n t a g a i l l s tt l i i ss t a t l l sq u o ，ag 即e r a l - p l i r p o s ec o n t r o lp l a h 0 眦w h i c hi sb a s e do nd u a l d s p si sd e v e l o p c d 1 1 1 ep a p 盯i n 仃0 d u c e st h ed e s i 印锄d 陀a l i z 撕o no ft h ep l a 响彻i l ld e t a i l f i r s t l y n l ep a p e ri i l 仃o d u c 嚣血er e s 暂c ha l l d 叩p l i c a t i o nb a c k 舢d ，锄d 锄a l y z 髓吐l e d e v c l o p l l l to fr e l a t e d 、r ka th o m e 锄d 百b r o a d t h t l l e 妇n 锄d sa 托d i s c u s s e di i lm ep 印e r 怂盯c o m p 痂l gm r e e 虹n d so fd e s i g n s ，t l l ep 印e rp r 懿t st h ef m a li m p l 锄e i l t i n gs c h 锄e s c c o n d l y t 1 1 eh 鲫d w a 坨d 髑i 印i sd i v i d c di i l t ot l i r s e c t i o 璐t h ef i r s ts e c t i i sk 锄e ib o a r d ， w h i c hi n c l u d e st l i e 瑚o u r c eo ft l l el e a s t s y s t 鼬o ff c d - p o 缸d s p ( t m s 3 2 0 f 2 812 ) ， n o a t i i l g 印i n td s p ( t m s 3 2 0 c 6 7 l3 ) a n df p g a ( e p 2 c 2 0 q 2 4 0 ) 锄dt l l ec i r c l l i to fd u a l - p 嘣ra m n es e c o n ds e c t i o ni sj o i n tb o a 咄w h j c hi 1 1 c l u d c st h ep 嘶p h e r a li n t e m c em o d u l e ss u c h 嬲p w m ， a ds 锄p l i i l g ，mi n t e r f a c e s ，c 伽咖m i c a t i o n “柏c 骼觚ds o t h er e l a yc i 枷i ti sa l s o i n 仃d d u c e di l lm i ss e 出t h el 勰ts e c 畦o ni sp o w e rb o 矾a r 盯m e 锄a l y s i so ft h ei i l t 日f 酾1 c e o f i g i n ，t h ep a p 盱d e s “b 鹤m ea n t i - j 锄m i i l gd e s i g n n i r d l y ，t l l es o 脚a 他d e s i 弘i si n n d d u c c di nd e t a i l ，w h i c hi n c l u d 髓m e f i 、张r eo f 丘】【e d - l 砷na n dn o a 缸g - p o 硫d s p a tf i 璐t ，m es o 脚a r ed e s i 印so f 丘】【e d - 1 ) o i n td s pa r ed i s c i l s s e d 跚c h 嬲m a i l lp r o g m mn o w e 2 p l t o m c 髂s ，d i l a l p o r tr a m ，s 舒a lc o m l i l _ u n i c a t i 觚ds t a t c 岫t i o n 锄d t h t l 坞f i 、) l ，a 聆d e s i g 啮o fa ds 扰l p l i l 冯，s v l w m ，p ir e g u l “a d e s c i 掀 f i l l a l l y ，m ed e b u g 酉n gp r o c 铝si si n 仃0 d u c e d h la d d i t i o n ，m e 印p l i c a t i o no ft h ec o n 仃0 l p l a t f o mi sp r e s 饥t e d a tl a s t ，ab r i e fs u m m a r i z ei sd 韶c r i b e d 孤i dm ef o l l o 、析n gr e s e a r c h 、j l ，o r ki s d i s c 璐s e d k e y w o r d s ：h i 曲- l 、懈c o n v a 吨g 饥e m l - p m p o s ec o n 仃d lp l a 怕曲，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ， t m s 3 2 0 c 6 7l3 ，a n t i - j 猢i n g ，m o d u l a r i z a t i o n ，s w m l i 目录 目录 摘要i b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论1 1 1 课题研究背景及意义l 1 2 相关技术的研究现状2 1 2 1 大功率变流器现状2 1 2 2 大功率变流器控制器研究现状上3 1 3 本文研究内容和章节安排4 第二章大功率变流器通用控制平台需求分析及总体设计：5 2 1 通用控制平台的功能需求分析5 2 1 1 大功率变流器主电路拓扑分析5 2 1 2 大功率变流器控制策略分析。6 2 1 3 控制平台基本功能需求8 2 1 4 主要技术指标要求1 0 2 2 变流器控制平台的方案比较- 1 0 2 2 1 基于定点d s p 与f p g a 的方案设计1 0 2 2 2 基于浮点d s p 与f p g a 的方案设计l l 2 2 3 基于浮点d s p 与定点d s p 的方案设计1 2 2 3 通用控制平台的总体方案设计1 2 2 3 1d s p 选择12 2 3 2 总体方案设计l3 2 4 本章小结。1 4 第三章通用控制平台硬件系统设计1 5 3 1 通用控制平台整体结构设计15 3 2 核心板硬件设计1 6 3 2 1t m s 3 2 0 f 2 8 12 及其外围电路设计1 6 3 2 2t m s 3 2 0 c 6 713 及其外围电路设计2 0 3 2 3 双口r 棚电路设计u 副2 3 3 2 4f p g a 及其外围电路设计。2 5 3 2 5 核心板电源及复位电路2 6 3 3 接口板硬件设计2 7 3 3 1 洲产生与光纤收发电路设计。2 7 3 3 2a d 采样电路设计2 9 3 3 3 开关量输入输出电路设计3 l 3 3 4 锁相环( p l l ) 电路设计n 叼。3 2 3 3 5 转速采集( q e p ) 电路设计嗍3 2 3 3 6 过流过压故障电路设计3 3 3 3 7 串行通信接口电路设计3 4 3 3 8 网络接口电路设计3 6 3 4 电源板硬件设计3 7 i l l 目录 3 5 本章小结3 7 第四章通用控制平台抗干扰及p c b 设计3 8 4 1 通用控制平台干扰分析3 8 4 1 1 干扰源分析矧2 5 1 3 8 4 1 2 干扰耦合路径分析3 8 4 2 通用控制平台抗干扰设计3 9 4 2 1 通用控制平台硬件抗干扰设计3 9 4 2 2 通用控制平台软件抗干扰设计4 0 4 3 控制平台p c b 设计4 1 4 3 1 控制平台核心板p c b 设计2 刀嗍4 l 4 3 2 控制平台接口板p c b 设计4 2 4 4 本章小结。4 3 第五章通用控制平台软件设计4 4 5 1 软件开发环境4 4 5 2 通用控制平台软件总体设计4 4 5 3 ，i m s 3 2 0 f 2 8 1 2 模块化程序设计4 7 5 3 1 系统初始化程序设计4 7 5 3 2e 2 p r o m 访问模块设计例4 7 5 3 3 状态检测与保护模块设计4 8 5 3 4 串口通信模块设计5 0 5 3 5 温度采集模块设计5 2 5 3 6 定时控制模块设计5 3 5 4 ，n l s 3 2 0 c 6 7 1 3 模块化程序设计5 4 5 4 1a d 采样模块设计5 4 5 4 2s v p 删模块设计5 6 5 4 3 数字pi 调节器模块设计。6 0 5 5 本章小结6 l 第六章通用控制平台的调试与应用6 2 6 1 软硬件调试6 2 6 2 控制平台在5 k w 交流器实验平台上的应用6 3 6 2 1 主要技术指标及主电路6 3 6 2 2 系统对控制平台的软硬件要求6 4 6 2 3 实验结果6 5 6 32 姗风电变流器6 7 6 3 1 主要技术指标及主电路6 7 6 3 2 系统对控制平台的软硬件要求6 8 6 4 本章小结。6 8 结束语6 9 一、工作总结6 9 二、展望6 9 致谢7 0 参考文献7 l 作者在攻读硕士学位期间发表的论文7 3 附录7 4 i v 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 我国“十一五”规划纲要提出，“十一五”期间单位国内生产总值能耗降低2 0 左右、主 要污染物排放总量减少l o 。该规划纲要的核心目标就是要建设能源节约型和环境友好型 社会，这些都是基于当前我国所面临诸多问题：资源储量不足、利用效率低、对煤炭和石 油等化石能源依赖度高造成环境污染日益严重。因此，必须加速开发和利用新型可再生清 洁能源，如风能、太阳能、海洋能、地热能、生物质能等等。 以上各种能源从原始资源状态转化为供人类实际使用的能源的过程，均与变流技术密 不可份。图1 1 所示为各种能源转化过程以及变流器在其中的作用。这些能源的的转化方 式虽然不同，但其能源并入电网时，都必须经过变流器进行调整。而且这些能源大多是不 稳定的，如阳光在日夜、早中晚的辐射强度不同，风力强度在各个季节和不同时段也是不 相同。它们转化为电能的过程中，必须利用电力电子变流技术对其进行控制瞳，。 霪礴菇豸一。一二二二二j = _ + 一f 瓦石i i i l d c 量摹曲蔓一一餐垂西；塑j 霞买豢气雩；_ 丁提炼= = = i 氢气储气罐j燃科电池一三= d e 与毫池矗电容_ _ = = 誓美流菇i = ：j 目* 一 ，o ，2 # 一一 【 一 一 一 f 匿叠叠二，痧硒晒= 一一：四鬻萎霪l 二盼墨塞适一一鬈蔓嚼一。 露骚绣 爿：肌水轮謦_ = = 嘏詈鼗擎暂谥啄罐毒流峨j 图1 1 能源转化过稗与蛮流器 同时，近年来随着以微处理器和先进的控制算法为主的数字控制技术的发展，以及新 型集高频、高电压和大电流等特点的大功率i g b t 和i p m 模块等功率半导体复合器件的推 出，现代数字控制大功率变流技术飞速发展起来。大功率变流器技术在交流变频调速、供 电电源、电力系统输配电、电能质量控制等方面已经获得日益广泛的应用。同时，光伏、 风力、燃料电池等新能源发电技术和交流电机应用的推广也形成了大功率变流器产品的巨 大市场嘲。 从主电路拓扑结构上看，大功率变流器装置具有相同或相近的主回路结构，其功能的 不同大多依赖于控制器的控制算法。从大功率变流器装置控制器结构组成上看，基本上是 由信号调理电路、a d 转换电路、微处理器p s p 或单片机) 核心电路、p w m 发生器、开关 量输入输出、与上位机通信( 串口或网口) 电路、程序数据存储器等部分组成h 1 。以微处理器 为基础的大功率变流器装置控制器具有广泛共性，其共性主要表现在硬件、软件和开发途 径三个方面，因此开发大功率变流器通用控制平台具有可行性。从有利于加快大功率变流 器装置的研制、开发，控制算法的试验、提高效率和缩短开发周期的观点来看，研制一种 变流器装置通用数字控制器开发平台很有必要，对它进行研究必将促进大功率变流器装置 控制算法的研究和缩短变流器产品的开发周期。同时开发大功率变流器通用控制平台可以 降低产品控制器重复开发带来的高成本，而且有利于软件的模块化和通用化瞄1 。 本设计主要结合东南大学与南自通华集团联合开发的2 m w 风电变流器、4 0 0 l “，a 岸 电电源以及5 k w 小实验平台装置等几个实际项目的需求，来设计一个能应用于大功率变 流器装置的通用控制平台，具有重要实际应用价值。 东南大学硕士学位论文 1 2 相关技术的研究现状 1 2 1 大功率变流器现状 变流器是由电力电子器件组成的各种电路拓扑，在有目的、精确地控制下，实现能量 形式变换( 如把交流电变为直流电或把直流电变为交流电) 、相数变换( 如把3 相变为单 相、2 相或更多相) 、频率变换( 如把标准的5 0 h z 变为o 至任意赫兹) 、幅值变换、相位变 换。电力电子变流器的种类繁多，根据电能转换形式不同，基本可以分为5 类： 1 a c d c 变流器：a c d c 变流器又称为整流器，将交流电转换为直流电。传统的整流器 采用晶闸管相控技术，控制简单、效率高，但功率因数小，对输入侧产生低次谐波， 污染电网。随着新型高开关频率，低关断电压、高耐压值的i g b t 、i p m 模块等功率器 件的出现，使输入端波形畸变小，功率因数增大。 2 d c d c 变流器：它是将一种规格的直流电变换为另一种规格的直流电，主要用于直流 电机驱动和开关电源。目前d c d c 变流器正朝着低电磁干扰，高开关功率密度，小型 化的方向发展。 3 d c a c 变流器：d c a c 变流器又称为逆变器，将直流电转换为交流电。逆变器可以将 直流电转化成目标频率和幅值的交流电，主要用作逆变电源和变频调速系统等。逆变 器主要有s p w m 、s v p v m 、无差拍等控制方式，当前研究热点为并联控制技术，输出 量控制等。 4 a c a c 变流器：它用于将一种规格的交流电变换为另一种规格的交流电。其中输入与 输出频率相同的称为交流调压器，频率不同的称为变频器。目前研究热点为交直交间 接变流器。 随着人们对电力能源需求的不断增大，以及现代电力电子开关功率器件的性能的不断 提升，目前变流器的单机容量不断扩大，例如风力发电变流器，国外有实力的企业在开发 3 5 m w 级机组，l m w 级机组已经商业化。大功率变流器的开发已经成为变流器装置研究 的核心。下面以典型的大功率变流器，风力发电变流器和光伏发电变流器为例，分析大功 率变流器的现状。 变流器在风力发电装置中应用的主流的技术方案，目前主要有双馈型和直驱型变流器 两种，属于风力发电机组大型核心部件之一。从目前的实际安装情况看，国内的m w 级风 电变流器多数为进口，其单台售价在9 0 万元左右。同众多工业自动化涉及的领域一样， 风电领域的自动化关键技术甚至产品始终为国外企业所掌控，由于风力发电整体技术起步 比较晚，所以现今我国风电场应用的风电变流器市场主要被维斯塔斯、西门子、a b b 等知 名国外品牌占领。 光伏发电是继风力发电之后又一重要的可再生清洁能源。光伏系统中，光伏阵列所发 的电能为直流电能，目前光伏发电系统主要采用蓄电池储存光伏阵列发出的直流电。蓄电 池增加了系统的投入，需要大量的人力物力对其进行维护。因此，需要逆变器将直流电逆 变并网，逆变并网变流器也已经成为光伏发电领域的研究热点。目前我国在小功率逆变器 上与国外处于同一水平，但在大功率并网逆变器上由于历史原因，技术上还有不小的差距。 1 0 0 k w 以上级别的并网逆变器，市场主要被s m a ，f r o i l r i 瑚，k a c o 等国外品牌所占领。 目前在新建项目上，大功率产品需求增长较快，全球2 0 0 9 年l o o k w 以上容量光伏发电增 长率达到了1 3 5 3 5 ，达到5 5 6 0 m w 。因此国内企业、科研院所急需在大功率并网变流器 技术上大力发展，以打开光伏发电并网市场。 综上所述，目前在大功率变流器领域，国外产品在技术和市场上都占主导地位，国外 产品具有结构高度集成，模块化设计，运行稳定，容量大等优点。随着经济大发展，大功 率变流器的市场需求也不断地扩大，国内需要大力发展大功率变流技术，走大容量化、模7 2 第一章绪论 块化、高频化的发展道路，以占领发展潜力非常巨大的大功率变流器市场。 1 2 2 大功率变流器控制器研究现状 变流器控制器是对变流器在运行过程中的各种情况进行检测和控制的系统，包括包括 程序执行与运算单元、开关状态量输入与输出控制、电压电流等模拟量采样输入与输出、 p w m 脉冲信号输出控制整流器或逆变器、通讯接口及电源板等。由于微电子技术和微处 理器技术的飞速发展，特别是各种嵌入微控制器的出现，变流器控制器出现了多样性的发 展趋势。目前从控制器执行控制的方式上大体可以划分为三种控制器：( 1 ) 顺序执行控制 器；( 2 ) 并行执行控制器；( 3 ) 混合控制器。 1 主要以d s p 为核心的顺序执行控制器 顺序控制器是根据一系列控制指令逐条执行，而这些指令通常用编程的代码予以实 现，目前最为常用的顺序控制器基本在微处理器上实现。全世界微处理器的品种己经超过 1 0 0 0 多种，流行体系结构有3 0 几个系列，目前常用的微处理器主要有单片机、a r m 和 d s p 。 单片机是将计算机的c p u ，r o m ，r a m ，i o 等基本部件微型化并集成到一块芯片上， 规模小、功能全、能满足大部分工业现场控制的需要，但在某些通讯、高速运算和快过程 控制领域，因运行速度不够而难以应用。 删是高性能、廉价、耗能低的r i s c 处理器，广泛应用在如手机、可视电话、t v 机顶盒等嵌入式消费类电子。a r m 优势主要体现在控制方面，具有丰富的外设资源，但 计算功能较弱，一般情况下需要嵌入式操作系统支持。 d s p 是一种数字信号来处理器，采用的是改进的哈佛设计，支持流水线操作。它运算 能力强，速度快，体积小，而且采用软件编程具有高度的灵活性，为各种复杂系统的控制 提供了一条有效途径。 变流器系统是一个典型的快过程系统，由于d s p 卓越的运算性能，许多复杂控制算法 都能在很短时间内实现，使得其数字控制得以实现。目前电力电子变流器大都是基于d s p 的数字控制。 2 基于f p g c p l d 的并行执行控制器 对一些快速性要求比较高或者需要并行处理某些事件的变流器系统，一般的d s p 处理 器难以满足其控制要求，而f p g p l d 的出现却为此提供了很好的解决方案。f p g a 和 c p l d 都是可编程逻辑器件，它们是在p a l ，g a l 等逻辑器件的基础上发展起来的，不仅 可以替代一些简单的数字i c 芯片，而且还可以用来实现一些复杂控制算法。f p g a 和c p l d 在设计上具有非常强的灵活性，通过编程可以实现各种复杂的电路。 3 基于d s p 和f p g c p l d 的数字控制器 虽然上面两种控制器在电力电子变流器控制方面都有自身巨大的优势，但也有其弱 点。基于d s p 的数字控制器最为灵活，但是由于d s p 顺序执行的特点，限制其在高频和 实时性要求高的应用场合。而基于f p g 刖c p l d 的数字控制器j 下好弥补d s p 这个缺点，他 具有并行性，适合高频、实时性要求较高的应用场合。但完全基于f p g 刖c p l d 数字控制 器相关设计较大难度，变流器设计人员缺乏相关设计指导。因此，许多研究者结合它们各 自优点设计出了两者混合控制系统。它不仅可以提高系统控制性能，而且还能为各种电力 电子变流器的研发提供一种通用控制平台。 因此，基于d s p 和f p g c p l d 的大功率变流器的通用控制平台，可以使研发人员脱 离繁重、重复的硬件设计，全身心投入产品的优化和新产品的开发，符合当前电力电子发 展的趋势。 从国内各方面的研究现状看，在大功率变流器领域内，目前还没有类似于在网络通信 系统已普遍应用的成熟的“开发平台 的出现。国内的大功率变流器产品基本上是分别开 3 第二章大功率变流器通用控制平台需求分析及总体设计 第二章大功率变流器通用控制平台需求分析及总体设计 2 1 通用控制平台的功能需求分析 变流器是通过控制功率器件的开通与关断实现对电能的变换和流动控制，以产生期望 的电压、电流、频率和波形的一种电能装置。随着电力电子技术、控制技术以及微处理器 技术的发展，大功率变流器的应用范围非常广，如大功率交流传动、高压输配电、新能源 发电、大容量电源装置等等。由于功能的不同，各种不同应用场合的变流器拥有不同的主 电路拓扑结构，而且随着各种先进的控制方法的提出，针对不同的应用也有各自最适合的 控制方法。因此，想要设计出一个适用于不同应用场合的，满足不同拓扑结构和控制策略 要求的通用的、标准的大功率控制平台是不可行的。通用控制平台的提出需要针对典型 大功率变流器拓扑结构和控制策略，并遵循以下几点要求： 能满足典型大功率变流器的控制要求，并且有一定的冗余 控制平台有良好的扩展性 控制板集成度较高 控制方法实现难度较低 控制器成本需要控制 2 1 1 大功率变流器主电路拓扑分析 根据第一章的分析，目前大功率变流器的容量已经可以达到3 5 m w ，然而电力电子开 关功率器件总受到最大的电流、电压、温度及其最大的开关频率的约束。对于现今常用的 功率器件，比如i g b t 和g t r 等，其最大容量为p m = u m h n ，开始呈现饱和的趋势。 主流的功率器件的容量和开关频率都已经很难满足当前大功率变流器对m w 级容量的需 求。因此人们在主电路拓扑做了很多研究工作，以提高大功率变流器的容量。下面通过分 析大功率变流器的两种主流的主电路拓扑结构，本文将给出主电路对控制的需求。 普通两电平变流器 这种拓扑结构较简单，是目前应用范围最广的大功率变流器主电路拓扑，一般靠开关 器件串并联获得大功率。以典型的交直交背靠背电压源型变流器( v s c ) 为例分析两电 平变流器结构，该主电路结构为大功率变流器领域应用范围最广的主电路拓扑结构。其电 路拓扑如图2 2 所示，输入端采用三相全桥p w m 可控整流，输出端采用三相全桥p w m 逆变，可以实现输入端电流正弦化、单位功率因数，便于控制直流母线电压的泵升，实现 能量双向流动，变流器四象限运行等诸多优点。 v s c l v s c 2 图2 1 背靠背电压源型变流器主电路拓扑 5 东南人学硕上学位论文 控制平台的主要功能是输出1 2 路p w m 信号分别驱动v s c l 和v s c 2 的三相桥臂；在 实现闭环控制时，需要通过主电路上安装的霍尔传感器采集v s c l 和v s c 2 的三相电流和 电压，以及直流母线电流电压信号等。同时，主回路上装有断路器、空气开关等保护装置， 便于控制器在发生故障时读入故障状态和输出保护信号。 二极管钳位型三电平( n p c ) 变流器 由于两电平变流器存在器件串联引起的均压问题、高的d u d t 、d i d t 以及谐波畸变等问 题，许多研究人员提出了多电平拓扑结构的大功率变流器。二极管钳位型三电平( n p c ) 变流器是其中应用最成熟的一种拓扑结构，如图2 3 所示。该主电路利用多个二极管对相 应的开关功率器件进行钳位，解决了功率器件的串联均压问题，电平数增加则d u d t 降低， 谐波畸变小。 i l 图2 2 二极管钳位型三电平变流器( n p c ) 主电路拓扑 由于需要控制的开关功率器件的增加，控制平台在驱动单个n p c 时就要输出1 2 路 p w m 信号，对控制器的p w m 硬件资源提出更高的要求，但可以降低p w m 开关频率。在 实现闭环控制时，也需要采集三相电流和电压，以及直流母线电流电压信号等。 2 1 2 大功率变流器控制策略分析 根据本文第一章的介绍，变流器是将电能经过交直、直交、直直、交交等变换，来 改变电能的电压、电流、频率和相位等特性的装鼍。在大功率变流领域普遍应用的是交 交变流器，而实际应用的交交变流器几乎都是采用交直交型的拓扑。交直交变流器的 控制主要包括交直变流器控制和直交变流器控制。下面将分别简要介绍交一直和直交变流 器的主流控制策略，在此基础上，文章将给出控制策略对控制器的需求。 交一直变流器的控制策略 交直变流器即整流器，将交流电压整流成直流电压，同时保持直流电压和电流的稳定。 在大多数大功率变流器应用领域，如交流传动、直驱风力发电等，往往需要变流器运行在 四象限，实现能量的回馈。整流器不仅需要实现可控整流，同时也能实现有源逆变。四象 限运行的变流器，整流采用p w m 可控整流。p w m 整流具有在直流侧提供幅值稳定平直 的直流电压和电流，单位交流功率因数，较快的动态响应速度，以及谐波畸变小等特点。 p w m 整流控制器目前应用最广泛的控制方式为同步旋转坐标系下的电流控制，控制 框图如图2 5 所示。它采用d q 坐标变换将三相坐标系下输入交流电流i a ，i b ，i c 变成直流量 i d ，i q ，用p i 调节器进行电流控制，消除误差。在d q 坐标系下，d 轴和q 轴电流是独立控 制的，d 轴电流为有功功率电流，q 轴电流为无功功率电流。为使整流器运行在单位功率 因数的状态下，需要使i q = o 。由于引入电流状态反馈和电网电压作为前馈控制，使得系统 输入电流解耦，提高了动态性能，稳定性比较高。 6 第二章大功率变流器通用控制平台需求分析及总体设计 3 8 0 v 交流电网 _ _ f 霹叫p l l 。_ 十十1 了考i j 而：盘j _ ：竺! ；一哆- ：! 三三氐1i l 坚，：一百面可堡二一+ _ 而矿一l 芷+ 上- j r、：，一 l d c m = ! 一一斋垃，d q 止，8 7 刖i jt 、。j 趔一| 丽雨_ _ 且i ”旦! ! u ，一一，7 1 _ 直流电j 矗检测：一一 一 图2 3p w m 整流器控制框图 在实现该控制策略时，控制器需要采集电源侧三相电流i a ，i b ，i “负载直流电压u d c 以 及对交流电进行同步锁相。运算过程中，控制器需要执行p i 调节、坐标变换和s v p w m 调制等运算。控制量输出为s v p w m 调制输出信号。 直一交变流器的控制策略 直一交变流器即逆变器，是将直流电变换成三相交流电，为负载或者电网提供所需电压、 电流和频率的电能变换装置。当前逆变器控制方法通常有以下三种方式： 1 ) 恒压频比控制( v w f ) ：恒压频比控制是一种简单的开环控制方法，主要用于异 步电机调速控制。v v v f 控制在改变逆变器输出频率的同时保持输出电压幅值和频率的比 值恒定，使电动机磁通保持恒定、输出转矩和过载能力不变。图2 4 所示为v v 、佰控制策略 结构图，由于电机转速n l 与三相电频率f l 成线性关系，改变设定频率f l 即可调速。同时，根 据u 卜f l 的关系，可以得到三相电压控制量，再经过p w m 输出控制三相逆变器，实现异步 电机调速控制。 图2 _ 4 恒压频比控制( 、，、n 下) 该控制策略为开环控制，控制目标参数由外部输入。在控制执行过程中，控制器需要 进行大量积分运算、乘法运算等，控制量以p w m 信号输出至功率开关器件。 2 ) 磁场定向控制( f o c ) ：f o c 控制利用旋转的转子磁场坐标定向，将定子电流分解 为励磁分量和转矩分量，并通过前馈解耦，实现定子电流磁链、转矩分量的独立控制。磁 场定向控制具有优异的转矩控制性能。图2 5 所示为f o c 控制策略结构图，调节d 轴电流i d 可调节磁场的强弱，调节q 轴电流i q 在磁场恒定的情况下可以实现对电磁转矩的控制。定子 三相电流i a ，i b ，i c 经过坐标转换得到i d ，i q 该控制策略采用速度与电流双闭环控制，转子给定 速度n ，| 和实际值n 比较得差值通过p i 调节器作为q 轴电流给定值i q 乖。i q 木与实测值i q 比较差 值再经过p i 调节器生成交轴电压给定值u q 宰d 轴电流给定值i d 木和实测值比较差值再经过p i 调节器生成d 电压给定值u d 宰u q 枣，u d 枣和。再经过坐标变换生成s v p w m 所需的( q ，b ) 坐标 系下电压分量，再经过s ，w m 调制生成逆变器p w m 驱动信号。 7 东南大学硕十学位论文 u d c 一亡_ 二二 掣驾露羞孑刁兰墨) ! - 一沪磊手g 贮，：d q 邮! 世一j 一巴弓 _ 二丕 i 一 三二_ 二= _ _ 一譬c 叵三一手j ab d aa b 【：a b 一j 且一二 查袭 0 转速计算一? 图2 5 磁场定向控制( f o c ) 在实现该控制策略时，控制器需要采集电源侧三相电流i a ，i b ，i c 、电机转速n 和位置。等。 运算过程中，控制器需要执行p i 调节、坐标变换和s v p w m 调制等运算。控制量输出为 s v p w m 调制输出信号，控制功率开关器件的通断。 3 ) 直接转矩控制( d t c ) ：直接转矩控制在开关频率允许的情况下，利用更多的开关 频率优化定子磁链轨迹，得到类似转子磁场定向控制的圆形磁链轨迹，同时，d t c 控制采 用多层滞环控制器，通过更优化的开关表，达到磁链和转矩的更优异的控制性能。图2 6 所示为d t c 控制策略结构图，被测信号有7 个，即定子三相电流i a ，i b ，i c 和电压u a ，u b ，u c ，以及 电机转速n 然后经电机磁链模型的u i 模型得到定子磁链1 l ，s 、转矩t e 和磁链位置o 转速信 号经速度p i 调节器输出转矩给定信号t e 毒。转矩给定信号和转矩实际值t e 比较经转矩滞环 调节器得到转矩开关信号c t c ，同时磁链给定信号和定子磁链1 l rs 比较再经过滞环调节得 到磁链开关信号c1 l r ，再结合磁链位置。经过查表法得到逆变器电压开关信号。 图2 - 6 直接转矩控制( d t c ) 在实现该控制策略时，控制器需要采集电源侧三相电流氓i b ，i c 、三相电压u a ，u b ，u c 、电 机转速n 和位置。等。运算过程中，控制器需要执行p i 调节、滞环调节、定子磁链v s 与转 矩t e 估算等运算。控制量输出为空间电压矢量，控制异步电机的转动与停止。 2 1 3 控制平台基本功能需求 根据本章前两节对大功率变流器的主流主电