通用型电力变换控制平台开发及其在风电实验中的应用

摘要

在电力变换、变流驱动、开关电源等应用中，为实现电力电子开关器件的有效控制，需要在驱动控制系统中设计完善的控制电路。本文根据变流器的典型应用，针对信号采样数、脉冲资源数和控制策略等的不同，分析通用型电力变换控制平台在硬件、软件方面的需求，并提出一种“DSP+FPGA”的通用型电力变换控制平台的设计方案，进行了硬件、软件开发设计，并进行了风电实验应用。
　　通过主控单元和外围电路单元硬件设计两个方面，给出了本通用型电力变换控制平台的整体设计思路。主控系统采用“DSP+FPGA”的模块化、总线式设计方法，将FPGA的逻辑功能和DSP的运算能力进行优势互补。为了充分提高主控系统输入输出信号的性能和兼容性，对外围电路单元进行优化设计:电源电路采用板载开关电源，信号采集电路可兼容单双极性信号输入，PWM信号采用光纤传输，数字IO电路采用光耦隔离的方式，测频电路可满足软硬件测频的方法，保护电路采用可靠的三级保护电路。
　　本控制平台底层程序的软件开发，主要包括DSP底层代码设计和FPGA底层代码设计两个方面;采用模块化的方法对各个控制功能进行设计，尽量与硬件电路兼容方面相对应，满足不同类型变流器的控制。DSP的底层代码设计主要包括片内外AD采样、坐标变换、空间矢量PWM、PI调节器、串行通信等;FPGA的底层代码设计主要包括接口设计、故障信号处理、脉冲信号PWM产生等。并对代码进行仿真验证，证明了软硬件控制平台的可靠性和可行性。
　　最后，为了在风电实验中验证所开发的控制平台，搭建了5MW直驱永磁同步风电机组模型，并采用dq同步旋转坐标系下的发电机模型，对发电机进行解耦控制，仿真结果验证了所采用的控制策略的有效性;并通过网侧变流器的控制实验，验证了本文提出的控制策略正确性以及控制平台中硬、软件设计的合理性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 电力变换控制技术研究现状

1．2．2 数字控制技术研究现状

1．2．3 发展趋势

1．3 本文的主要工作

第2章 典型电力变换器应用及控制平台设计分析

2．1 典型电力变换器拓扑及对控制资源的需求

2．1．1 风力发电变流器

2．1．2 光伏并网变流器

2．1．3 储能系统变流器

2．1．4 高压变频器

2．1．5 柔性直流输电换流器

2．2 通用控制平台设计分析

2．2．1 硬件性能设计分析

2．2．2 软件功能设计分析

2．3 本章小结

第3章 通用型电力变换控制平台的硬件设计

3．1 控制平台的整体方案与结构设计

3．2 主控板设计

3．2．1 设计方案

3．2．2 资源配置

3．2．3 工作模式

3．3 外围电路设计

3．3．1 电源插件板

3．3．2 测量板

3．3．3 模拟信号调理插件板

3．3．4 数字信号输入输出电路

3．3．5 保护插件板

3．4 本章小结

第4章 通用电力变换控制平台的软件设计

4．1 主控制器DSP的软件设计

4．1．1 主程序

4．1．2 AD采样子程序

4．1．3 坐标变换子程序

4．1．4 SVPWM子程序

4．1．5 PI调节器子程序

4．1．6 串行通信子程序

4．2 协处理器FPGA的软件设计

4．2．1 FPGA与DSP的接口设计

4．2．2 变流器故障信号处理

4．2．3 PWM脉冲信号的生成

4．3 本章小结

第5章 直驱风力发电网侧变流器控制实验

5．1 直驱永磁风电变流器控制技术

5．1．1 网侧变流器控制策略

5．1．2 机侧变流器控制策略

5．2 直驱永磁风电系统仿真

5．2．1 PSCAD仿真模型的搭建

5．2．2 仿真结果

5．3 直驱永磁风电网侧变流器实验

5．3．1 网侧变流器主电路选型设计

5．3．2 网侧变流器逆变控制实验

5．3．3 网侧变流器整流控制实验

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术成果及参加的科研工作

致谢