双馈风电变流器同步锁相环的设计与FPGA实现

【摘要】：随着全球经济的发展,能源短缺、生态环境恶化等问题日益突出,许多国家都已经将风能、太阳能等可再生能源作为应对新世纪能源和气候变化双重挑战的主要手段。近年来,电力电子技术飞速发展,变速恒频双馈发电机广泛应用于兆瓦级风力发电机组。 本文论述了双馈风力发电变流器的工作原理、基本结构和数学模型。详细介绍了网侧PWM变流器和转子侧PWM变流器的工作原理,研究了双PWM变流器的控制器设计,推导了控制系统调节参数的计算公式。网侧PWM变流器采用的是电流内环、电压外环的双闭环控制系统,满足了系统对稳定性的要求。转子侧PWM变流器采用的是电流内环、功率外环的双闭环控制系统,实现了功率解耦控制及风能捕获。 在三相电网电压不平衡或突变等情况下,锁相同步在并网变换器中尤为重要,锁相环的性能好坏直接关系到变流器系统的优劣和运行稳定性。论文研究了基于矢量控制的三相锁相环,根据坐标变换原理,经过三相静止坐标系到两相静止坐标系,再由两相静止坐标系到两相旋转坐标系的变化过程,完成了锁相环的鉴相功能,并对输入的三相电压角度值进行采样。然后运用PI控制原理,实现环路滤波,根据实际情况设定参数。再采用累加器原理实现数控振荡功能,得到的输出角度值与采样角度值进行比较,三相锁相环能快速准确地与三相输入电压的相位、频率和幅值同步。 本文采用Verilog语言完成了基于FPGA的三相锁相环的设计。首先对三相锁相环进行模块化设计,然后分别实现了鉴相器、环路滤波器和数控振荡器的功能,最后经过顶层连接,完成了整个三相锁相环的设计。并采用了流水线的思想研究了一种改进型的CORDIC算法,比传统的设计方法精度更高,误差更小,速度更快。 最后在Modelsim仿真环境下,在三相电压平衡、三相电压不平衡、含谐波的三相电压、相位突变以及频率突变等条件下,分别对所设计的三相锁相环进行了仿真验证。经过分析仿真结果,本文所设计的三相锁相环达到了系统对同步性能要求,验证了本系统的稳定性和可行性。 【关键词】：矢量控制 PWM变换器 三相锁相环 FPGA
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM461
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 第一章 绪论11-18
• 1.1 课题研究背景及意义11-12
• 1.2 国内外相关技术的发展状况12-16
• 1.2.1 双馈风力发电机变流器的控制技术及发展状况14-15
• 1.2.2 双馈风电变流器的锁相同步技术及发展状况15-16
• 1.3 本课题的研究目的与主要工作内容16-18
• 1.3.1 课题研究目的16
• 1.3.2 本文研究的主要内容与论文安排16-18
• 第二章 双馈风电变流器的原理及控制18-32
• 2.1 双馈风力发电机原理及数学模型18-21
• 2.1.1 双馈风力发电机的原理及结构18-20
• 2.1.2 双馈风力发电机的数学模型20-21
• 2.2 网侧变流器基本原理及控制策略研究21-26
• 2.2.1 网侧变流器的基本原理21-22
• 2.2.2 网侧PWM变流器的控制器设计22-25
• 2.2.3 网侧PWM变流器总体结构25-26
• 2.3 转子侧变流器基本原理及控制策略研究26-30
• 2.3.1 转子侧PWM变流器的控制器设计26-29
• 2.3.2 转子侧PV门叨变流器的工作原理及结构29-30
• 2.4 同步锁相环在变流器系统中的应用30-31
• 2.5 本章小结31-32
• 第三章 三相锁相环的原理与设计32-41
• 3.1 三相锁相环原理与结构32
• 3.2 坐标变换及CORDIC算法32-38
• 3.2.1 三相静止到两相静止坐标变换33-35
• 3.2.2 两相静止到两相旋转坐标变换35-36
• 3.2.3 CORDIC坐标变换设计36-38
• 3.3 三相锁相环的功能模块38-40
• 3.3.1 三相电压鉴相原理38-39
• 3.3.2 环路滤波器39
• 3.3.3 数控振荡器39-40
• 3.4 本章小结40-41
• 第四章 三相锁相环的建模与仿真41-52
• 4.1 三相锁相环建模41-43
• 4.2 三相锁相环在不同条件下的仿真分析43-51
• 4.2.1 三相平衡电网电压44-45
• 4.2.2 三相不平衡电网电压45-46
• 4.2.3 含6次谐波的三相电网电压46-47
• 4.2.4 相位突变的三相电网电压47-49
• 4.2.5 频率突变的三相电网电压49-51
• 4.3 本章小结51-52
• 第五章 三相锁相环的FPGA优化设计52-65
• 5.1 FPGA设计流程52-54
• 5.2 三相锁相环的定点化设计54-64
• 5.2.1 鉴相器定点化设计54-58
• 5.2.2 环路滤波器定点化设计58-59
• 5.2.3 数控振荡器定点化设计59-60
• 5.2.4 三相锁相环逻辑实现及仿真分析60-64
• 5.3 本章小结64-65
• 结论与展望65-66
• 致谢66-67
• 参考文献67-71
• 攻读硕士学位期间发表的论文71

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