基于FPGA的开关磁阻风力发电并网逆变控制系统的设计

摘要

作为一种储量丰富的清洁可再生能源，风能的利用日益得到重视，风力发电技术也逐渐成为各国学者研究的热点。在诸多风力发电机中，开关磁阻发电机(SRG:Switched Reluctance Generator)因其变速范围宽、低速性能好、电机损耗小、输出为恒压直流电、易于并网和不需齿轮箱等特点，非常适合应用到变速直驱风力发电的场合。但目前，针对开关磁阻风力发电系统的并网数字化控制问题尚没有深入、系统的研究，影响了SRG在风力发电领域的实用化进程。
　　 本文基于SRG在风力发电领域的应用，针对开关磁阻风力发电并网逆变器的数字化控制展开较为全面的理论分析、仿真验证和实验测试。
　　 本文首先从介绍SRG应用于风力发电领域的优势出发，分析了SRG在风力发电领域的研究现状和风力发电并网逆变器控制技术的研究现状，明确了本文的研究内容和意义。在分析开关磁阻风力发电系统结构和工作原理的基础上，针对并网逆变器输出电流的控制问题和三相电网电压的相位跟踪问题进行了深入的研究，提出了利用基于不定频滞环的空间矢量脉宽调制技术(SVPWM:Space Vector Pulse Width Modulation)和基于d-q变换的三相锁相环相结合的控制方案。并在MATLAB中对基于不定频滞环的SVPWM电流控制策略和基于d-q变换的三相锁相环进行仿真，通过对仿真结果的分析，验证了并网逆变器控制策略的正确性。
　　 在明确控制方案和系统需求的基础上，本文选用FPGA芯片EP3C10E144作为主控芯片，设计了开关磁阻风力发电并网逆变器的硬件控制系统，并详细说明了信号采集电路、FPGA工作电路、通信电路、驱动电路及电源电路的设计原理。对硬件电路设计过程中遇到的电磁干扰问题进行分析，提出了抗干扰的措施，满足了硬件系统对电磁兼容的要求，为下一步的实验搭建了硬件平台。
　　 在详细研究控制方案的基础上，结合硬件电路的设计，本文采用VHDL语言，设计实现了基于FPGA的开关磁阻风力发电并网逆变控制系统，并采用优化时序逻辑和乘法器分时复用的方法优化了各模块的实现方法，保证了控制算法可靠、高速地运行。
　　 最后，本文对所设计的并网逆变控制系统的功能模块进行了功能仿真，并在搭建的实验平台上进行了并网测试。测试结果表明，并网逆变器输出电压的频率和相位能快速跟随电网电压，输出电流畸变率低，基本满足开关磁阻风力发电并网逆变器的系统需求。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 SRG用于风力发电的优势

1．3 开关磁阻风力发电控制技术的研究现状

1．4 风力发电并网逆变控制技术的研究现状

1．5 本文的主要工作及章节安排

1．5．1 主要工作

1．5．2 章节安排

第二章 开关磁阻风力发电并网逆变控制方案设计

2．1 开关磁阻风力发电系统的结构及工作原理

2．1．1 开关磁阻风力发电系统的结构

2．1．2 开关磁阻风力发电的工作原理

2．2 并网逆变器输出电流控制方案

2．2．1 并网逆变器输出电流控制策略分析

2．2．2 基于不定频滞环的SVPWM电流控制策略

2．3 电网电压锁相方案

2．3．1 传统锁相环算法存在的问题

2．3．2 基于d-q变换的三相锁相环算法

2．4 本章小结

第三章 开关磁阻风力发电并网逆变控制系统的硬件设计

3．1 系统硬件电路设计方案

3．2 信号采集电路的设计

3．2．1 电压信号采集及调理电路

3．2．2 电流信号采集及调理电路

3．2．3 A／D转换电路设计

3．3 FPGA工作电路设计

3．3．1 FPGA供电电路设计

3．3．2 FPGA配置电路设计

3．3．3 FPGA时钟和复位电路设计

3．4 通信电路设计

3．5 驱动和电源电路设计

3．5．1 IGBT驱动电路设计

3．5．2 系统电源电路设计

3．6 硬件抗干扰设计

3．7 本章小结

第四章 开关磁阻风力发电并网逆变控制系统的编程实现

4．1 系统功能设计方案

4．1．1 开发环境

4．1．2 系统功能设计方案

4．2 信号采集模块的设计

4．2．1 A／D转换控制器模块

4．2．2 数字滤波模块

4．3 SVPWM算法模块的设计

4．3．1 误差电流矢量区域检测模块

4．3．2 电压矢量区域检测模块

4．3．3 矢量选择模块

4．3．4 死区延时模块

4．3．5 SVPWM模块的整体设计

4．4 数字锁相环模块的设计

4．5 通信模块的设计

4．6 本章小结

第五章 仿真验证与系统并网测试

5．1 开关磁阻风力发电并网逆变器的建模与仿真

5．1．1 开关磁阻风力发电并网逆变器的建模

5．1．2 输出电流控制策略仿真波形分析

5．2 三相锁相环的建模与仿真

5．2．1 三相锁相环的建模

5．2．2 三相锁相环仿真波形分析

5．3 系统功能测试

5．3．1 A/D转换控制器模块测试

5．3．2 数字滤波模块测试

5．3．3 死区延时模块测试

5．3．4 增量PI运算模块测试

5．4 系统并网测试

5．4．1 硬件平台简介

5．4．2 并网测试

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

附录

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果及所获奖励

学位论文评阅及答辩情况表