【正文】 CPLD 選用 Altera 公司的 EPM3128ATC100，對 PWM 信號進行邏輯編程，實現(xiàn)死區(qū)控制。 系統(tǒng)控制系統(tǒng)采用基于 DSP+CPLD 的雙芯片控制模式。 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖 圖 51 為系統(tǒng)實驗平臺原理框圖。 Simulink 提供了一個圖形化的建模環(huán)境，同過鼠標(biāo)單擊 和拖拉操作進行框圖式建模； （ 2）支持非線性； （ 3）支持混合系統(tǒng)仿真，即系統(tǒng)中包含連續(xù)采樣時間和離散采樣 時間； （ 4） MATLAB 與 Simulink 集成在一起，因此，無論何時再任何環(huán)境下都可以建模、分析和仿真用戶模型。通過仿真，驗證了設(shè)計的電能變換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的正確性及控制策略的合理性，為直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電能變換的研究提供了一定的信息。這提供了一個了解模型時如何組成以及它的各個部分時如何相 互聯(lián)系的方法。在 Simulink 軟件包中所有模型都是分級的，可以通過自上而下或者自下而上的方法建立模型。 Simulink 中的模型分析工具包括線性化工具和調(diào)整工具，這可以從 MATLAB 命令行獲取。除此之外，它還提供了圖形動畫處理方法，以方便用戶觀察系統(tǒng)仿真的整個過程，可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模。另外新版本的 MATLAB 還著重在圖形用戶界面（ GUI）的制作上作了很大的改善，對這方面有特殊要求的用戶也可以得到滿足。新版本的 MATLAB 對整個圖形處理功能作了很大的改進和完善，使它不僅在一般數(shù)據(jù)可視化軟件都具有的功能（例如二維 曲線 和三維曲面的繪制和處理等）方面更加完善，而且對于一些其他軟件所沒有的功能（例如圖形的 光照 處理、色度處理以及四維數(shù)據(jù)的表現(xiàn)等）， MATLAB 同樣表現(xiàn)了出色的處理能力。高層次的作圖包括 二維 和 三維 的可視化、圖象處理、動畫和表達式作圖。得益于其 浮點運算單元 ，用戶可快速編寫控制算法而無需在處理小數(shù)操作上耗費過多的時間和精力，與前代 DSP 相比，平均性能提高 50%，并與定點 C28x 控制器 軟件兼容 ，從而簡化軟件開發(fā)， 縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。與以往的定點 DSP 相比，該 器件的精度高，成本低， 功耗小，性能 高，外設(shè)集成度高，數(shù)據(jù)以及程序 存儲量 大， A/D 轉(zhuǎn)換更精確快速等。本文 DSP 選取的是 TMS320F28335。對逆變器過載有較好的保護作用。由于采用電感電流作為內(nèi)環(huán)．因此這種控制方法有輸出限流的功能．即使在輸出短路的情況下．輸出電流也不會很大，而是被限定在設(shè)定的電流值。輸出電壓與參考正弦基準(zhǔn)比較．誤差信號經(jīng)過 PI 控制器調(diào)節(jié)后作為電流內(nèi)環(huán)基準(zhǔn)：內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。目前 ,電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制方案是高性能逆變電源的發(fā)展方向之一 ,雙環(huán)控制方案的電流內(nèi)環(huán)擴大逆變器控制系統(tǒng)的帶寬 ,使得逆變器動態(tài)響應(yīng)加快 ,非線 性負(fù)載適應(yīng)能力加強 ,輸出電壓的諧波含量減小。瞬時控制方案可以在運行過程中實時地調(diào)控輸出電壓波形 ,使得供電質(zhì)量大大提高。 雙環(huán)控制 早些年 ,PWM 逆變器電壓電流雙環(huán)控制用輸出電壓有效值外環(huán)維持輸出電壓有效值恒定 ,這種控制方式只能保證輸出電壓的有效值恒定 ,不能保證輸出電 壓的波形質(zhì)量 ,特別是在非線性負(fù)載條件下輸出電壓諧波含量大 ,波形失真嚴(yán)重 。整個電網(wǎng)要是無功功率補償?shù)貌粔?，? 會導(dǎo)致電網(wǎng)的電壓下降，這對用戶是很不利的。逆變控制示意圖如圖 46 所示。在并網(wǎng)前，當(dāng)風(fēng)速和電機速度 不斷變化時，此時逆變器并不以獲得最大風(fēng)能為控制目標(biāo)，而是希望逆變器輸出 各相電壓跟蹤電網(wǎng)各相電壓為控制目標(biāo)進行工作。無論何種情況，對于已知的電網(wǎng) 電壓，都可 以得到需要逆變器實現(xiàn)的每相輸出電壓的波形。這就需要控制逆變器的輸出功率， 以及對直流變換電路的控制，使風(fēng)力機捕獲的功率與逆變器輸出的功率維持一個 動態(tài)平衡。所以中間直流環(huán)節(jié)電壓的值可以反映該 裝置的輸出、輸入功率的平衡狀態(tài)。 21 如果逆變器的輸出功率不能與風(fēng)力機捕獲的能量保持一致，則功率差必然表 現(xiàn)在該裝置的中間直流變換環(huán)節(jié)。滿足這些條件的目的是減小發(fā)電機并網(wǎng)過程對電網(wǎng)及發(fā)電機自身產(chǎn)生的沖擊。因此在變速風(fēng)力發(fā)電機組與電網(wǎng)之間需要一個電力電子接口，該接口在驟變的風(fēng)況條件下具有快速的動態(tài)特性并能確保向電網(wǎng)提供高品質(zhì)的電能。采用絕緣門極雙極性晶體管（ IGBT），該器件是一種復(fù)合器件，其輸入控制部分為 MOSFET，輸出級為雙極結(jié)型三極晶體管；因此兼有 MOSFET 和電力晶體管的優(yōu)點，即高輸入阻抗，電壓控制，驅(qū)動功率小，開關(guān)速度快，工作頻率可達 10~40kHz，飽和壓降低， 電壓、電流容量較大，安全工作區(qū)域?qū)挕Ｆ浠臼疽鈭D如圖 45所示。也就是說，當(dāng)風(fēng)機的功率一直增加時，保持轉(zhuǎn)速指令增加（或減?。┑姆较虿蛔?，當(dāng)風(fēng)力機的功率減小時，原來轉(zhuǎn)速指令在增加的就要變成減小，原來轉(zhuǎn)速指令減小的就要變成增加，即將轉(zhuǎn)速指令的擾動 dω反號。其追蹤最大風(fēng)能的原理：計算當(dāng)前風(fēng)力機的功率 P0，并和 上個控制周期的風(fēng)力機功率比較，如果功率下降，那么將轉(zhuǎn)速指令的擾動值 dω反號，否則保持其符號不變。 圖 43 功率反饋控制 （ 3）爬山搜索法 爬山搜索法的基本原理如圖 44 所示。同理，也可以分析風(fēng)速從高到低變化，最大風(fēng)能捕獲過程和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過程。當(dāng)運行至發(fā)電機功率曲線和最佳功率曲線的交點時，功率將重新達到平衡。 19 如果某一時刻風(fēng)速突然升高到 V2，風(fēng)力機獲得的功率就會由點 P1 躍變至 P2 由于大的機械慣性作用和控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程滯后，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速仍然運行ω 1 點，此時風(fēng)力機捕獲的機械功率大于發(fā)電機輸出的功率，功率的不平衡，將導(dǎo)致發(fā)電機轉(zhuǎn)速升高。功率信號反饋控制的原理如圖 36 所示。該控制器的結(jié)構(gòu)比較簡單，要求測量的風(fēng)速需要與作用在槳葉上的風(fēng)速有良好的關(guān)聯(lián)性。 （ 1） 葉尖速比控制：葉尖速控制的目的就是維持葉尖速比在最佳特性曲線上，這樣在任何風(fēng)速下，都能夠獲得最大功率。該方法在光伏發(fā)電領(lǐng)域有廣泛的研究?？刂齐妷簞t由誤差放大器得到，由此可見，通過控制開關(guān)占空比即可控制輸出電壓。在 PWM 控制方式中，開關(guān)控制信號由比較器產(chǎn)生。該控制的目的是為了控制永磁同步電機的速度，使其跟隨風(fēng)速的變化，從風(fēng)中捕獲最大風(fēng)能，從而跟隨最佳功率曲線。直流變換器的控制電路是由兩部分組成：從三相二極管整流橋整流后變化的直流電壓；另一個是逆變電路前的恒定直流電壓。所以需要引入 DCDC 升壓電路，并使該電路在一定輸入范圍內(nèi)保持輸出電壓恒定。因而發(fā)電機輸出的電能經(jīng)過不可控整流后，直流電壓值和轉(zhuǎn)速也近似成正比，因此當(dāng)風(fēng)速較低時，直流電壓會很低；然而風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對逆變器的輸出電壓幅值是有一定要求的，這樣過低的直流電壓將引起電壓源逆變器無法完成有源逆變過程，進而無法將功率饋入電網(wǎng)。在整流橋換向期間，整流橋的瞬態(tài)輸出電壓如下： 32 由 的假設(shè)條件可以得： 33 把式（ 33 代入（ 32）可得： 34 在換向期間，假設(shè)三相二極管整流的輸出平均電壓的減少量為Δ U，通過下式計算可得： 35 16 把式（ 34）代入（ 35）可得 36 式中 E 為感應(yīng)電動勢，單位 V；根據(jù)電壓回路原理，可得出發(fā)電機相電流 ia， 即 37 假設(shè)在 t=0 時刻，電流的初始值等于輸出電流平均值 iL，則 38 因此，三相二極管整流橋輸出直流平均電壓為 39 （ BOOST）升壓電路 Boost 控制結(jié)構(gòu)圖 為了最大限度地利用風(fēng)能，使直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)工作在一個較寬的風(fēng)速范圍內(nèi)，即使系統(tǒng)在較低的風(fēng)速時也可以工作，如果輸出電壓較低，是 不可能進行系統(tǒng)的并網(wǎng)，故必須引入 DCDC 升壓電路。 圖 32 永磁同步電機 a 相 等效圖 在整流期間，由于電感的存在，將會影響整流電路的平均輸出電壓。永磁同步發(fā)電機的輸出直接連接到三相二極管整流橋，如圖 31 所示。 15 a b ci +i +i =0（ 2）價格低廉，可靠性高。直流功率通過斬波電路升壓，再通過逆變裝置轉(zhuǎn)換成交流電能后并網(wǎng)。為了實現(xiàn)高效和簡化功率轉(zhuǎn)換電路，采用永 磁體勵磁三相同步發(fā)電機，效率較高，產(chǎn)生的交流功率通過三相二極管整流成直流功率。直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)框圖如圖 31 所示。從理論上分析了這種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其主電路是由發(fā)電機和斬波電路的等效電路組成，發(fā)電機的輸出 功率和直流輸出電壓的特性表達式與斬波電路的占空比以及發(fā)電機的轉(zhuǎn)速之間成某種函數(shù)關(guān)系，其在下文有詳細(xì)介紹。其發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是將發(fā)電機發(fā)出的電壓與頻率隨風(fēng)速變化的三相交流電通過三相二極管整流橋整流成直流，經(jīng)過濾波電路之后，使用 DCDC 升壓裝置變換為逆變電路所需要的恒定電壓，通過協(xié)調(diào)各控制模塊，逆變后并網(wǎng)，達到捕獲最大風(fēng)能的目的。 14 第 3 章 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電路分析 概述 在本文中，采用風(fēng)力機直接驅(qū)動低速 永磁同步發(fā)電機產(chǎn)生電能。在 S 截止期間期間，電感電流的減小量為 29 13 穩(wěn)態(tài)工作時， S 導(dǎo)通期間電感電流的增長量等于 S 截止期間的減小量。 由于輸出濾波電容電壓保持不變，則電感兩端呈現(xiàn)正電 壓 UL=Vin－ Vdc，在該電壓作用下電感中電流 Li 線性増長，直到 T1 時刻， Li 達到最大值。如圖 26 所示，在 [0， T1]區(qū)間，開關(guān)管 S 處于導(dǎo)通狀態(tài)，電源電壓全部加到電感兩端，電感電流 Li 呈線性增長。通過控制開關(guān)管 S 的導(dǎo)通比，可控制升壓變換器的輸出電壓。 升壓式（ Boost）變換器 （ 1）電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) Boost 變換器是一種輸出電壓高于輸入電壓的單管非隔離直流 變換器。 帶隔離的直流變換器有單管的正激式（ forward）和反激式（ flyback），多管的推挽（ pushpull converter）、半橋（ halfbridge）、全橋（ fullbridge）直流變換器等。為了使系統(tǒng)能夠在較寬，風(fēng)速條件下運行，需要使用直流變升壓電路，將電壓變換為逆變裝置所需要電壓，然后并網(wǎng)，以此達到提高系統(tǒng)效率的目的。仿真試驗證明這種直驅(qū)式發(fā)電系統(tǒng)具有電壓調(diào)整率低，輸出紋波小，可以軟起動等特點。梯形波永磁同步發(fā)電機和同步發(fā)電機相比，具有電壓調(diào)整率低、電壓波形平穩(wěn)的優(yōu)點，和直流發(fā)電機相比，具有無機械換向裝置、換向容易、使用壽命長等優(yōu)點。 m； 永磁同步發(fā)電機通過三相整流橋和大電感濾波之后，從整流級輸出測看進去，它不但擁有直流發(fā)電機的電壓波形平穩(wěn)優(yōu)點，而且也具有了壽命長、效率高的特點。 m； B—— 阻力系數(shù)，單位 kg永磁同步電機的電壓方程可用下式 23 表示 由于定子三項繞組對稱，有 ，則 則式（ 23）可以得出 假定 11 27r e L rdJ T T Bdt? 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