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。