雙饋風電變流器同步鎖相環(huán)的設計與FPGA實現(xiàn)

【摘要】：隨著全球經濟的發(fā)展,能源短缺、生態(tài)環(huán)境惡化等問題日益突出,許多國家都已經將風能、太陽能等可再生能源作為應對新世紀能源和氣候變化雙重挑戰(zhàn)的主要手段。近年來,電力電子技術飛速發(fā)展,變速恒頻雙饋發(fā)電機廣泛應用于兆瓦級風力發(fā)電機組。 本文論述了雙饋風力發(fā)電變流器的工作原理、基本結構和數(shù)學模型。詳細介紹了網側PWM變流器和轉子側PWM變流器的工作原理,研究了雙PWM變流器的控制器設計,推導了控制系統(tǒng)調節(jié)參數(shù)的計算公式。網側PWM變流器采用的是電流內環(huán)、電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng),滿足了系統(tǒng)對穩(wěn)定性的要求。轉子側PWM變流器采用的是電流內環(huán)、功率外環(huán)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng),實現(xiàn)了功率解耦控制及風能捕獲。 在三相電網電壓不平衡或突變等情況下,鎖相同步在并網變換器中尤為重要,鎖相環(huán)的性能好壞直接關系到變流器系統(tǒng)的優(yōu)劣和運行穩(wěn)定性。論文研究了基于矢量控制的三相鎖相環(huán),根據坐標變換原理,經過三相靜止坐標系到兩相靜止坐標系,再由兩相靜止坐標系到兩相旋轉坐標系的變化過程,完成了鎖相環(huán)的鑒相功能,并對輸入的三相電壓角度值進行采樣。然后運用PI控制原理,實現(xiàn)環(huán)路濾波,根據實際情況設定參數(shù)。再采用累加器原理實現(xiàn)數(shù)控振蕩功能,得到的輸出角度值與采樣角度值進行比較,三相鎖相環(huán)能快速準確地與三相輸入電壓的相位、頻率和幅值同步。 本文采用Verilog語言完成了基于FPGA的三相鎖相環(huán)的設計。首先對三相鎖相環(huán)進行模塊化設計,然后分別實現(xiàn)了鑒相器、環(huán)路濾波器和數(shù)控振蕩器的功能,最后經過頂層連接,完成了整個三相鎖相環(huán)的設計。并采用了流水線的思想研究了一種改進型的CORDIC算法,比傳統(tǒng)的設計方法精度更高,誤差更小,速度更快。 最后在Modelsim仿真環(huán)境下,在三相電壓平衡、三相電壓不平衡、含諧波的三相電壓、相位突變以及頻率突變等條件下,分別對所設計的三相鎖相環(huán)進行了仿真驗證。經過分析仿真結果,本文所設計的三相鎖相環(huán)達到了系統(tǒng)對同步性能要求,驗證了本系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可行性。 【關鍵詞】：矢量控制 PWM變換器 三相鎖相環(huán) FPGA
【學位授予單位】：西南交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2011
【分類號】：TM461
【目錄】：

• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 第一章 緒論11-18
• 1.1 課題研究背景及意義11-12
• 1.2 國內外相關技術的發(fā)展狀況12-16
• 1.2.1 雙饋風力發(fā)電機變流器的控制技術及發(fā)展狀況14-15
• 1.2.2 雙饋風電變流器的鎖相同步技術及發(fā)展狀況15-16
• 1.3 本課題的研究目的與主要工作內容16-18
• 1.3.1 課題研究目的16
• 1.3.2 本文研究的主要內容與論文安排16-18
• 第二章 雙饋風電變流器的原理及控制18-32
• 2.1 雙饋風力發(fā)電機原理及數(shù)學模型18-21
• 2.1.1 雙饋風力發(fā)電機的原理及結構18-20
• 2.1.2 雙饋風力發(fā)電機的數(shù)學模型20-21
• 2.2 網側變流器基本原理及控制策略研究21-26
• 2.2.1 網側變流器的基本原理21-22
• 2.2.2 網側PWM變流器的控制器設計22-25
• 2.2.3 網側PWM變流器總體結構25-26
• 2.3 轉子側變流器基本原理及控制策略研究26-30
• 2.3.1 轉子側PWM變流器的控制器設計26-29
• 2.3.2 轉子側PV門叨變流器的工作原理及結構29-30
• 2.4 同步鎖相環(huán)在變流器系統(tǒng)中的應用30-31
• 2.5 本章小結31-32
• 第三章 三相鎖相環(huán)的原理與設計32-41
• 3.1 三相鎖相環(huán)原理與結構32
• 3.2 坐標變換及CORDIC算法32-38
• 3.2.1 三相靜止到兩相靜止坐標變換33-35
• 3.2.2 兩相靜止到兩相旋轉坐標變換35-36
• 3.2.3 CORDIC坐標變換設計36-38
• 3.3 三相鎖相環(huán)的功能模塊38-40
• 3.3.1 三相電壓鑒相原理38-39
• 3.3.2 環(huán)路濾波器39
• 3.3.3 數(shù)控振蕩器39-40
• 3.4 本章小結40-41
• 第四章 三相鎖相環(huán)的建模與仿真41-52
• 4.1 三相鎖相環(huán)建模41-43
• 4.2 三相鎖相環(huán)在不同條件下的仿真分析43-51
• 4.2.1 三相平衡電網電壓44-45
• 4.2.2 三相不平衡電網電壓45-46
• 4.2.3 含6次諧波的三相電網電壓46-47
• 4.2.4 相位突變的三相電網電壓47-49
• 4.2.5 頻率突變的三相電網電壓49-51
• 4.3 本章小結51-52
• 第五章 三相鎖相環(huán)的FPGA優(yōu)化設計52-65
• 5.1 FPGA設計流程52-54
• 5.2 三相鎖相環(huán)的定點化設計54-64
• 5.2.1 鑒相器定點化設計54-58
• 5.2.2 環(huán)路濾波器定點化設計58-59
• 5.2.3 數(shù)控振蕩器定點化設計59-60
• 5.2.4 三相鎖相環(huán)邏輯實現(xiàn)及仿真分析60-64
• 5.3 本章小結64-65
• 結論與展望65-66
• 致謝66-67
• 參考文獻67-71
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文71

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