基于CAN總線的并聯式多逆變器風電并網控制系統(tǒng)*

彭曉珊，舒澤芳，陳 敏，陳雨青（.貴陽學院電子與通信工程學院，貴陽 550005；.貴陽學院機械工程學院，貴陽 550005；.中南大學機電工程學院，長沙 40075）

隨著人們環(huán)保意識的增強及能源的日益緊缺，以風能為代表的新能源產業(yè)得到了長足的發(fā)展［1-2］。為了將由風能轉換而來的電能輸送到電網，通常需要由變流器將其轉換為幅值、頻率、相位與電網相一致的電能，從而實現系統(tǒng)的并網運行。由于國內MW級風力發(fā)電系統(tǒng)多為690V等級，且變流系統(tǒng)功率器件多為全控型IGBT、IGCT，造成流過功率器件的峰值電流過大。并聯技術可大大增加并網逆變系統(tǒng)功率等級，同時實現N單元的冗余設計。

圖1所示為N+1單元并聯永磁直驅風力發(fā)電系統(tǒng)結構圖，然而，如何實現N+1單元的信息交互和控制同步將直接關系到并網逆變系統(tǒng)的運行效率和工作可靠性［3-8］。為此，本文提出了基于CAN總線的多逆變器并聯風電并網系統(tǒng)控制方法。建立了共直流母線并聯型拓撲的等效平均模型，利用CAN總線控制各逆變器正弦參考電壓的幅值以均分并網功率。采用TMS320F28335實現全數字化并聯風電系統(tǒng)設計，并基于55 kW永磁風電樣機對所提方法進行性能驗證。實驗表明，CAN總線同步驅動方法保證了多逆變器并聯系統(tǒng)的數據交互性和同步性。

圖1 N+1單元并聯永磁直驅風力發(fā)電系統(tǒng)

1 三相并網逆變器拓撲結構

單個三相變換器的理想開關模型如圖2所示。圖中p、n分別為直流側正、負母線。功率器件的開關函數定義如下：

以直流母線的負端為參考點，根據基爾霍夫電壓電流定律建立三相變換器的開關函數模型為

式中：udc、idc分別為直流側的電壓、電流；RC分別為直流側的電阻、電容；L為交流側的濾波電感；ua、ub、uc分別為變換器交流側 ABC相電壓；ia、ib、ic分別為變換器交流側ABC相電流；sa、sb、sc分別為變換器ABC相的開關函數；uAN、uBN、uCN分別為電網ABC相電壓；uN為電網中點相對于參考點的電壓。

圖2 并網逆變器理想開關模型

2 并聯逆變系統(tǒng)環(huán)流特性分析

在單套永磁直驅風電變流器中，由于不存在環(huán)流路徑，即使存在零序電壓也不會引起環(huán)流，但在共直流母線并聯型系統(tǒng)中存在著兩條環(huán)流路徑，這兩條環(huán)流路徑均為低阻抗回路，即使零序電壓很小，也會產生很大的環(huán)流，并且2個模塊的零序電流大小相等，方向相反，即

為了簡化系統(tǒng)模型對其進行坐標變換，即將模型由三相靜止坐標系變換到兩相同步旋轉坐標系下。在單個PWM變流器控制時，通常進行二維坐標變換，即abc/dq變換，這是因為單個變流器零序電流為零。而對于并聯拓撲結構，由于存在零序分量，常規(guī)的二維坐標變換無法得到零軸分量，因此這里采取三維坐標abc/dqo變換，定義坐標變換矩陣：

利用矩陣T就可以將三相靜止坐標系下的交流量Xabc變換為兩相同步旋轉坐標系下的直流量Xdqz，即

根據式（1）～式（5）描述的三相靜止坐標系下共直流母線并聯型變流器的數學模型，由三維坐標變換可以得到同步旋轉坐標系下共直流母線并聯型變流器的數學模型：

由式（5）～式（9）可以得到共直流母線并聯型變流器的平均模型，兩機側變換器之間零軸占空比的不一致導致的，即dz1≠dz2，通過調節(jié)dz1或dz2可以達到調節(jié)機側環(huán)流的目的，且系統(tǒng)環(huán)流阻抗為兩組機側線路電阻和兩組機側電感，將并網逆變系統(tǒng)環(huán)流進一步表示為圖3所示為α-β-z坐標系下電流矢量軌跡，電流矢量的αβ軸分量vα、vβ波形呈正弦波，且兩者之間相差90°，滿足并網逆變系統(tǒng)控制目標，但由于零軸分量iz的存在，在αβz坐標下控制矢量存在明顯的振蕩。因此，當并網逆變系統(tǒng)并聯運行時，必須對零軸分量加以控制。

圖3 α-β-z坐標系下電流矢量軌跡

3 180°載波移相PWM環(huán)流抑制方法

單個并網逆變器中環(huán)流通路不存在，通常不考慮零序分量。當2個變換器并聯時，由于存在了環(huán)流通路，即使2個變換器零序占空比之差較小，也會形成較大的零序電流，這是因為零軸是個僅含有電感的無阻尼回路。因此在2個變換器并聯時，需要考慮零序分量，如圖4所示。

圖4 零矢量占空比修正原理

并網逆變系統(tǒng)中通常采用的SVPWM方式，采用2個非零矢量Vi（i=1，2，…，6）和零矢量Vi（i=0，7）來合成控制矢量。設2個非零矢量的占空比分別為d1、d2，零矢量占空比為d0，則

當2個變換器的給定電流相等時，電流調節(jié)器輸出的電壓給定值基本相等，即逆變器1、2單元的非零矢量占空比等效，零序電流在dqz旋轉坐標系下的數學模型簡化為

可以看出，零軸與dq軸完全解耦，且為一階系統(tǒng)，因此零序電流環(huán)的帶寬可以設計較高，故選用PI調節(jié)器為零序環(huán)流調節(jié)器，將零序電流的給定值iz*與實際值iz作差，即可得到零矢量的修正值為

圖5所示為多逆變器并聯永磁直驅風力發(fā)電并網逆變系統(tǒng)控制框圖。在電壓、電流雙閉環(huán)控制的基礎上，2個并聯的變換器均分電流，通過2個SVPWM模塊實現載波移相180°完成多重化調制。為了控制零序環(huán)流，仿照d軸和q軸電流控制的原理引入z軸反饋控制。將環(huán)流指令值iz*設置為0，檢測每個變換器實際的z軸電流，將這2個電流的差經過PI調節(jié)器，然后根據d、q和z軸電流PI調節(jié)器輸出綜合SVPWM調制電壓矢量u*?？梢钥闯?，保證逆變器1、2在信息上的交互以及PWM輸出脈沖的同步性意義重大。

圖5 多逆變器并聯永磁直驅風力發(fā)電并網逆變系統(tǒng)控制框圖

4 多逆變器并聯CAN總線系統(tǒng)結構

基于CAN總線的多逆變器并聯風電并網系統(tǒng)通信架構如圖5（a）所示，采用總線式多主多從網絡拓撲結構。整個控制系統(tǒng)由3部分組成：CAN總線、上級PC機、DSP控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用PC機作為監(jiān)控主機，實現對各節(jié)點的監(jiān)控和管理；CAN總線接口卡完成CAN協議的物理層和數據鏈路層功能，實現PC機與CAN總線之間的通信；各從節(jié)點通過DSP完成數據的收發(fā)和對交流電機的控制。圖5（b）為55 kW永磁直驅風力發(fā)電機組并網逆變系統(tǒng)實驗樣機。主回路部分：電網電壓為380 V/50 Hz，網側電抗器L=0.8 mH；直流側電容C=5 mF。主控制器為TI公司的浮點型DSP（TMS320F28335），邏輯控制器為賽靈思公司的FPGA（Sparten3E），IGBT單元為Semi?kron公司的75GB124D。

圖6 多逆變器并聯風電并網系

圖7為并聯多重化前后三相逆變器的電壓、電流及其FFT分析結果，圖中uab1為逆變器1的AB線電壓，ia1為逆變器1的A相電流，uab為多重化后的并網AB相線電壓，ia為網側的A相電流?？梢钥闯觯嘀鼗夹g效果顯著，線電壓由3階梯PWM波形增加至5階梯，電壓正弦度和對電網du/dt沖擊均得到改善，相應的網側電流ia的高頻紋波也得到有效抑制。進一步FFT頻譜分析結果可知，系統(tǒng)開關頻率5 kHz附近的特征次諧波已被完全消除，系統(tǒng)等效開關頻率已由實際的5 kHz增長至10 kHz，網側電流諧波的總畸變率THD（Total Harmonic Distortion）由12.5%降低至5.2%，并網電流品質得到大幅改善。

圖8為零序環(huán)流的控制效果圖，圖中ia1、ia2為逆變器1、2的A相電流，iz1、iz2為變換器間的z軸電流。從圖8（a）中可以看出，無零序環(huán)流控制時，相電流ia1、ia2嚴重不平衡，系統(tǒng)存在峰值20 A的零序環(huán)流iz；圖8（b）中加入零序環(huán)流控制以后，相電流ia1、ia2平衡度明顯提高，系統(tǒng)零序環(huán)流iz得到有效抑制。從圖8（c）可以看出，電網側變換器的多重化效果十分明顯，開關頻率5 kHz附近的諧波已經幾乎完全抵消掉了。多重化后系統(tǒng)的開關頻率相當于10 kHz，這樣可以大大減小進入電網的諧波電流，更好地滿足風力發(fā)電系統(tǒng)的并網標準。

圖7 多重化前、后逆變器電壓、電流及頻譜分析結果

圖8 環(huán)流抑制單元投入前、后運行結果

6 結論

針對多逆變器并聯風力發(fā)電并網系統(tǒng)同步運行控制問題，提出了基于CAN總線的多逆變器并聯風電并網系統(tǒng)控制方法，并基于55kW樣機對所提方法進行性能驗證，可以得出以下結論：

（1）將多逆變器并聯載波移相PWM技術應用于PMSG并網逆變系統(tǒng)中，可有效提升系統(tǒng)等效開關頻率，保證并網逆變系統(tǒng)電網接入端口的電流品質；

（2）CAN總線同步驅動方法保證了多逆變器并聯系統(tǒng)的數據交互性和同步性，實現了PMSG風力發(fā)電系統(tǒng)平滑、無沖擊并網，保證了并網接入點的動、穩(wěn)態(tài)電能品質。

［1］李德泉，徐建政，楊碩.分布式發(fā)電效益分析及其量化模型［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2012（14）：147-148.

［2］Chinchilla M，Arnaltes S，Burgos J C.Control of Permanent-Mag?net Generators Applied to Variable-Speed Wind-Energy Systems Connected to the Grid［J］.IEEE Transactions on Energy Conver?sion，2006，21（1）：130-135.

［3］佟為明，高洪偉，張東中，等.新型卡車CAN/LIN電氣系統(tǒng)網絡的研究［J］.電子器件，2006，29（3）.

［4］朱欣華，黃亮亮，夏云翔，等.基于PCI總線的CAN接口卡及其VxWorks環(huán)境下驅動程序的設計［J］.電子器件，2006，29（4）：1275-1279.

［5］程合彬，邢建平，張軍，等.基于GPRS/CAN的GPS車輛實時信息集散控制系統(tǒng)［J］.電子器件，2007，30（5）：1792-1796.

［6］曾正，趙榮祥，楊歡等.多功能并網逆變器及其在微電網電能質量定制中的應用［J］.電網技術，2012，（5）：60-63.

［7］Cannon D J，Brayshaw D J，Methven J，et al.Using Reanalysis Da?ta to Quantify Extreme Wind Power Generation Statistics：A 33 Year Case Study in Great Britain［J］.Renewable Energy，2015：767-778.

［8］周寶龍，岳繼光，蕭蘊詩.基于CAN控制器的對等式單片機多機系統(tǒng)的通信［J］.電子技術應用，2001（2）：23-25.

彭曉珊（1978-），男，漢族，湖南岳陽人，碩士，副教授，主要研究領域為應用電子技術；

舒澤芳（1979），女，漢族，貴州貴陽人，碩士，副教授，主要研究領域為現場總線應用技術。