直驱型风电变流器电流环控制方式的优化设计
- 关键词：风电变流器,电流环控制
- 作者：谭丹
- 摘要：滞环控制是一种应用很广泛的闭环电流跟着控制方法，通常以响应速度快和结构简单而著称。传统滞环电流采用模拟器件实现的方式，即采用硬件电路设计滞环比较器，其滞环宽度固定，但开关频率不固定，高低悬殊，有时会出现很窄的脉冲和很大的电流尖峰，且最高频率难以控制，易超过器件开关频率的上限。本文通过对滞环比较器的控制原理和开关频率的分析，在原有控制的基础上，结合软件和硬件资源，设计了一种新型的可变带宽、固定频率的滞环电流控制方式。经厂内测试以及工程应用，性能均优于原有的滞环控制器。
第一章技术背景
滞环控制以响应速度快和结构简单而著称，是一种应用很广泛的闭环电流跟踪控制方法。在各种变流器控制系统中，滞环控制单元一般同时兼有两种职能，一是作为闭环电流调节器，二是起着PWM调节器的作用，即将电流参考信号转换为相应的开关指令信号，控制功率器件的导通和关闭。
传统滞环电流采用模拟器件实现的方式，即采用硬件电路设计滞环比较器，其滞环宽度固定，但开关频率不固定，高低悬殊，有时会出现很窄的脉冲和很大的电流尖峰，且最高频率难以控制，易超过器件开关频率的上限。
从整体上说，这种滞环比较器回差值固定，调节时需要变动电路中的元件参数，不利于电路的优化运行。
在此基础上，我司变流器控制系统目前采用双环控制，外环为电压环，内环为电流环，外环采用PI控制策略，将电压环PI出来的有功电流信号id和无功电流信号iq经过反dq变换生成电流给定值，再直接下发到硬件控制板，通过硬件滞环比较的方式来实现PWM波的生成。
第二章电流环控制优化设计
2.1 控制原理分析
一般情况下，滞环比较器均采用对称方式。如图1所示。
h为对称滞环比较器的滞环宽度绝对值，当error>h时，输出PWM=1，变换器输出电压U0=Ud，负载电流Ig上升；当error<-h时，输出pwm=0，变换器输出电压u0=-ud，负载电流ig下降。依此反复，便实现了对输出负载电流ig的跟踪控制，使其跟随指令电流ir，误差值|error|=|ir-ig|<=h。由于上下比较阀值相等，因此在每个开关周期内，平均跟踪误差都为零。其中，ud为逆变母线电压正极对地电压。
2.2 开关频率分析
风电变流器简易工作电路图如图2所示。
在某一个开关周期内，电流变化状态如图1所示，如果开关周期足够小，则有下式：
其中，Tp为电流上升时间，Tn为电流下降时间，Ud为逆变母线电压正极对地电压，e为网侧电压，L为网侧电抗值。
在滞环带宽h固定的时候，开关频率会随着电网相电压U0的变化而变化。U0过零点附近时，开关频率变高；在幅值附近时，开关频率变低。例如Ud=530V，电网侧线电压U0=620V，电感L=250uH，滞环h=50A，那开关频率会从10600Hz到930Hz变动。而实际上在电路设计中为了避免带宽为零时对IGBT器件造成损坏，对滞环带宽进行了限值，最小值在A，所以实际运行中开关频率在变动。
带宽频率不固定，对电力器件的工作频率提出很高的要求，根据公式（7）可以推出，如果要固定频率，则滞环宽度h要变化，即：
根据公式（8），例如直流母线电压Ud=530V，L=250uH，确定开关频率为4kHz，网侧电压幅值为506V（对应620V线电压），则对A相电压来说，相应的带宽
此种方式可以通过软件程序实现。
2.3 改进技术方案的电路设计
数字量信号电流给定值、带宽值经DA芯片转换为模拟量信号，与采样电流信号经过比较运算，生成PWM调制信号；其波形变化图如图3所示。
图中，反馈电流叠加实时带宽与给定电流进行比较后，输出PWM信号。实时带宽=正带宽（0）或负带宽（1），也就是：当PMW信号为0时，实时带宽=正带宽；当PWM信号为1时，实时带宽为负带宽，如：当带宽给定为-5A，反馈电流为0A，给定电流为100A时，开始时PWM必为1，此时反馈开关信号控制实时带宽输出为负带宽，反馈电流从0A不断增大；当反馈电流为105A时，加法器输出电流为反馈电流加上负带宽后，其大小为100A，此时达到给定电流100A，比较器输出切换为0，实时带宽为正带宽，反馈电流从105A逐渐减小；当反馈电流为95A时，加法器输出电流为反馈电流加上正带宽后，其大小为100A，此时达到给定电流100A，比较器输出切换为1。这样一直工作下去，反馈电流就在95A与105A来回变动。通过修改带宽给定值的大小，就可以实现可调带宽功能，此控制器称为“可调带环宽滞环控制器”，其工作原理图如图4所示。
第三章结束语
可调带环宽滞环控制器电路设计简单，可以节约软件控制的资源，满足前端Boost电路控制的开关频率要求；对被控对象及电路参数变化不敏感，可以抑制系统中的部分干扰；滞环带宽可控。经厂内测试以及工程应用验证，性能均优于原有的滞环控制器。