张志海+卢秀和

摘 要：基于永磁风电机组容量的增大，功率变换器需要承受更高的电压等级，多电平技术的应用无疑是很好的解决方案，以中点钳位型三电平逆变器为基础，分析了拓扑的工作原理，建立了不规则采样法的数学模型，阐述了多电平载波调制技术产生SPWM波形的分类，采用数字法DSP芯片控制产生多路SPWM波形，通过MATLAB和Simulink仿真实验，验证了DSP控制方式的优越性，逆变器能承受更高的电压等级，输出的正弦波更加标准。

关键词：风电机组；逆变器；三电平；DSP；控制方法

中图分类号：F407.61 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）19-0029-02

引言

随着经济的发展以及人类社会对清洁能源的需求，风力发电有了很大的发展，永磁直驱型风力发电系统是风能的一个重要实现方式，有着单机容量大，效率高，结构简单的优点，因为风力发电机只通过功率变换器和电网连接，所以对逆变器的承受电压能力要求较高，基于现代可控功率器件的可承受电压电流能力和开关频率的限制，单一的器件不能实现永磁直驱型风力发电系统的优点，器件开关频率低会导致谐波率增大，增大滤波系统的投资，电网中非线性元素影响正常系统工作；受限于器件制作技术，器件开关频率高会减少器件本身的使用寿命，无形地增加了成本，因此，多电平脉冲调制技术可以完美实现永磁直驱型风力发电系统的优点，解决了功率器件一系列的问题，是风电技术研究的重点和热点。正弦脉宽调制（sinusoidal pulse width modulation SPWM）技术使用成熟，原理简单，输出谐波小，有着实际应用价值。基于单片机，DSP等微处理器的发展，数字实现SPWM控制技术相当成熟，便于实时控制和实现。通过MATLAB和Simulink仿真实验，验证了DSP控制方式的优越性，逆变器能承受更高的电压等级，输出的正弦波更加标准。

1 主电路拓扑

随着风电单机容量的增大，多电平技术日益发展，趋于成熟，按照拓扑结构，多电平变流器大致有二极管钳位型，飞跨电容型，级联H桥型和一些派生类型。随着电平数的增大，拓扑结构会变得复杂，不利于系统的运行，实际应用以三电平和五电平居多，中点钳位三电平拓扑电路技术成熟，应用最广，电路如图1。多电平技术在同一频率下，谐波小的多，承受电压只有原来的一半左右。

2 载波调制和采样法

传统的SPWM波形由比较器比较正弦波和等腰三角波产生，称为硬件法，与之对应的软件法成本更低，实时控制更理想。软件法产生SPWM波形需要实时计算的程序支持，因此，建立精准的数學模型是一个重点。

2.1 载波调制

载波和调制波比较产生SPWM波形，即可控器件的开关信号，多电平需要多个载波，n电平需要（n-1）个载波，根据每个载波的相对位置可以分为同相层叠（Phase Disposition，PD）；正负反相层叠式（Phase Opposition Disposition，POD）；交替反向层叠式（Alternative Phase Opposition Disposition，APOD）。同相层叠含有奇数次数的谐波分量，正负反相层叠只能用于电平数为偶数，交替反向层叠式没有载波分量。当载波数频率是调制波频率3的整数倍时，产生的SPWM波形是对称的。

2.2 采样法

载波调制是如何产生SPWM波形，采样法是如何用软件法实现SPWM波形的数学模型，自然采样法效果最好，但计算最为复杂，一般不予采用；规则采样法是自然采样法的简化，大大减少了计算量，但是，采样效果不理想；不规则采样法计算量不大，采样效果优于规则采样法，广泛应用于工程实际中。图2中正弦波信号为Umsinωt，ω是正弦波角频率，三角波峰值为US，三角波周期为TC，t1、t2是采样时刻，ton1、ton2、toff1、toff2是SPWM波控制功率开关器件的通断时间；M是正弦波峰值与三角波峰值的比值，即M=Um/US。

9式中，k取奇数或偶数时，分别表示在底点和顶点对称轴时刻采样。实际应用都是三相波形，即再添加两条频率相同，相位互差120°的调制波即可。

3 DSP控制

TMS320 F28335具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，6个DMA通道支持ADC、MCBSP和EMIF，有多达18路的PWM输出，适用于多电平，其中有6路为TI特有的更高精度的PWM输出（HRPWM），12位16通道ADC。用可编程逻辑器件（GPLD）辅助控制可以实现多路SPWM波形控制。

基于TMS320LF28335的波形生成思想：利用DSP事件管理器模块的比较单元、通用定时器、死区发生单元和输出逻辑来生成三相12路SPWM波形。通过设置定时的周期寄存器，可以产生一定周期的载波信号。在TMS320LF28335中，定时器的计数模式有四种，可选择连续增/减模式。在此计数模式下，定时器计数器设置此循环：从0开始，递增至周期寄存器的值，递减到0。在定时器不断计数的同时，比较单元的比较逻辑实时地比较定时器计数器的值和比较寄存器的值，当两个值相等时将产生比较匹配信号。PWM电路中的波形发生器接收到信号，产生PWM脉冲信号，经过死区单元产生可以驱动同一桥臂的可控器件互补信号。

整个程序由主程序和定时器下溢中断程序组成。主程序不断地查询串口，当一旦检测到有字符，将用户关心的变量通过串行通讯接口SCI发送给PC机。定时器下溢中断程序主要完成比较寄存器的计算和赋值，来调节输出PWM波的脉冲宽度，设置死去时间防止可控器件短路击穿。

4 仿真

基于MATLAB/Simulink仿真软件搭建模型，验证SPWM控制方法，部分仿真参数如下：直流侧电压为600V，滤波电感L为2mH，电容C为10μF，负载为阻性负载功率为100kW，SPWM信号由Discrete PWM Generator模块产生，调制度m为0.8，调制波频率为50Hz，载波频率为20kHz。DSP采用Q15格式，调制比N为256，采用不规则采样法，正弦表初始化为512，采用定时器下溢中断服务完成比较寄存器的更新，产生SPWM波形，如图3所示，输出电压波形如图4所示。

5 结束语

本文介绍了中点钳位三电平逆变电路的拓扑和原理，分析了载波层叠和不规则采样法的模型，给出了DSP控制产生SPWM波形的过程，从上面的仿真波形可以得出，可以用DSP数字控制三电平逆变电路的反相载波调制和不规则采样法，对解决大容量永磁风电机组的逆变器承受电压和输出电压谐波要求高的问题有很大的指导意义。

参考文献：

[1]李建林，许洪华，等.风力发电中的电力电子变流技术机[M].机械工业出版社，2008.

[2]巫付专，沈虹，等.电能变换与控制[M].电子工业出版社，2014.

[3]李瑞.永磁直驱风力发电变流器的并联运行研究[D].哈尔滨工业大学，2013.

[4]李帆，薛士龙，耿攀，等.基于TMS320F28335的单极性SPWM的实现[J].通信电源技术，2014.

[5]于浩.NPC三电平逆变器中点电位的控制方法研究[D].安徽大学，2014.